方俊

【摘 要】全球定位系統(tǒng)（GPS）在工程測(cè)量中的應(yīng)用，在最近幾年已得到迅速推廣，遍及測(cè)量各個(gè)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及地形測(cè)量。本文介紹 GPS控制網(wǎng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則，結(jié)合武漢三環(huán)線某工程實(shí)際情況，重點(diǎn)介紹GPS測(cè)量用于全橋控制網(wǎng)加密的測(cè)設(shè)，并對(duì)動(dòng)態(tài)GPS-RTK定位技術(shù)在施工測(cè)量中實(shí)時(shí)放樣作簡(jiǎn)要的的介紹。

【關(guān)健詞】全球定位系統(tǒng)（GPS） 設(shè)計(jì)原則 控制網(wǎng)加密

1概述

全球定位系統(tǒng) GPS 的英文全稱是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System（導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱 GPS ，有時(shí)也被稱作NAVSTAR GPS。主要由空間部分、地面控制部分、用戶部分組成。

2 GPS控制網(wǎng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

2.1 GPS網(wǎng)的特點(diǎn)

（1）采用相對(duì)定位方法。（2）GPS測(cè)量不要求各點(diǎn)之間互相通視。（3）GPS測(cè)量可以全天候進(jìn)行。（4）觀測(cè)時(shí)間短。（5）GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)是自動(dòng)記錄的。（6）充分考慮建立GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍，采用分級(jí)布網(wǎng)的原則。（7）GPS測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)。

通常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的距離中誤差表示，其形式為：

國家測(cè)繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測(cè)量規(guī)范”將GPS的精度分為A—E五級(jí)（見表1）。其中A、B兩級(jí)一般是國家GPS控制網(wǎng)。C、D、E三級(jí)是針對(duì)局部性GPS網(wǎng)規(guī)定的。

2.2 GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則

（1）通過獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，增加檢核條件，提高網(wǎng)可靠性。（2）盡量與原有地面控制網(wǎng)相重合，重合點(diǎn)一般不少于3個(gè)，且分布均勻。（3）應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點(diǎn)相重合 ，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)。（4）應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達(dá)的地方，聯(lián)測(cè)方向。（5）可在網(wǎng)點(diǎn)附近布設(shè)一通視良好的方位點(diǎn)，以便建立聯(lián)測(cè)方向。

根據(jù)GPS測(cè)量的不同用途，GPS網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)邊均應(yīng)構(gòu)成一定的幾何圖形，基本形式有：三角形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)。

3 GPS控制網(wǎng)的加密

武漢東三環(huán)某工地位于京廣客運(yùn)專線鐵路和王青公路之間狹長地帶，南端為九峰森林保護(hù)區(qū)，沿線主要以灌草叢和樹木為主，地貌復(fù)雜，按常規(guī)測(cè)設(shè)控制網(wǎng)加密點(diǎn)，很多區(qū)域和方向有遮擋，點(diǎn)位之間不通視，在測(cè)設(shè)過程中有很多困難。而應(yīng)用GPS控制網(wǎng)的特點(diǎn)，測(cè)設(shè)無需通視，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。

該測(cè)區(qū)由設(shè)計(jì)院提供的兩個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行布網(wǎng)。分別是：SH01（381290.864，543055.307）、GE09（378515.040，543313.425）。沿全線加密10個(gè)控制點(diǎn)（如圖1）。

3.1采用的基準(zhǔn)和系統(tǒng)

本次控制網(wǎng)復(fù)測(cè)與加密所采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影，中央子午線經(jīng)度114°，投影至0米高程面；高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

3.2布網(wǎng)要求

GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間基線中誤差 按下式計(jì)算： 。式中 （mm）為固定誤差； （ppm）為比例誤差系數(shù)； （km）為相鄰點(diǎn)間的距離。GPS-E級(jí)網(wǎng)的主要技術(shù)要求應(yīng)符合表2規(guī)定。相鄰點(diǎn)最小距離應(yīng)為平均距離的1/2～1/3；最大距離應(yīng)為平均距離的2～3倍。

3.3作業(yè)要求

（1）為保證GPS測(cè)量精度，采用載波相位靜態(tài)相對(duì)定位作業(yè)模式，E級(jí)GPS測(cè)量作業(yè)的基本技術(shù)要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。（2）觀測(cè)組應(yīng)嚴(yán)格按調(diào)度表規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，以保證同步觀測(cè)同一衛(wèi)星組。當(dāng)情況有變化需修改調(diào)度計(jì)劃時(shí)，應(yīng)經(jīng)作業(yè)隊(duì)負(fù)責(zé)人同意，觀測(cè)組不得擅自更改計(jì)劃。（3）各觀測(cè)時(shí)段的前后各量取天線高一次，兩次量高之差不大于3mm。天線高是指觀測(cè)時(shí)天線平均相位中心至測(cè)站中心標(biāo)志面的高度，分為上、下兩段：上段是指相位中心至天線底面的高度，這是常數(shù)hc，由廠家給出；下段是從天線底面至測(cè)站中心標(biāo)志面的高度，由觀測(cè)員在現(xiàn)場(chǎng)采用傾斜測(cè)量方法直接量取。具體方法是：

從三腳架三個(gè)空檔（互成120°）測(cè)量天線底盤下表面至測(cè)站中心標(biāo)志面的距離，互差應(yīng)小于3mm，取平均值為L，天線底盤半徑為R，再利用廠家提供的hc，按天線高 求出。（4）觀測(cè)員在作業(yè)期間不得擅自離開測(cè)站，并防止儀器受震動(dòng)和被移動(dòng)，防止人和其它物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號(hào)。（5）外業(yè)觀測(cè)記錄各時(shí)段結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將每天外業(yè)觀測(cè)記錄結(jié)果錄入計(jì)算機(jī)硬、軟盤。

3.4數(shù)據(jù)處理方案

基線解算，基線解算以雙差固定解作為最終結(jié)果，雙差固定解的可靠性由以下兩項(xiàng)指標(biāo)來判別，即固定解的單位權(quán)中誤差（Rms）和整周模糊度檢驗(yàn)倍率（Ratio），其檢驗(yàn)值見表3和表4。根據(jù)表3判別時(shí)，Rms必須首先符合

要求，而Ratio值越大表示固定值越可靠。

注：（1）觀測(cè)時(shí)段長度應(yīng)視點(diǎn)位周圍障礙物情況、基線長短而作調(diào)整。（2）可不觀測(cè)氣象要素，但應(yīng)記錄雨、晴、陰、云等天氣狀況。

3.5 GPS網(wǎng)平差

3.5.1三維無約束平差

在三維無約束平差中，基線向量的改正數(shù)（Vδx、Vδy、Vδz）絕對(duì)值應(yīng)滿足下式要求：

Vδx≤3

Vδy≤3

Vδz≤3

式中： 為E級(jí)GPS控制網(wǎng)規(guī)定的基線的精度。當(dāng)超限時(shí)，可認(rèn)為該基線或其附近存在粗差基線，應(yīng)采用軟件提供的方法或人工方法剔除粗差基線，直至符合上式要求。

3.5.2二維約束平差

在無約束平差確定的有效觀測(cè)量基礎(chǔ)上，以起算數(shù)據(jù)中提供的已知點(diǎn)作為強(qiáng)制約束的固定值，進(jìn)行二維約束平差。

約束平差中，應(yīng)將已知坐標(biāo)點(diǎn)組合成不同的約束條件，以發(fā)現(xiàn)作為約束的已知坐標(biāo)與GPS網(wǎng)不兼容（即約束平差結(jié)果嚴(yán)重扭曲GPS無約束平差結(jié)果的精度）見表5。

3.6數(shù)據(jù)處理成果

本次GPS網(wǎng)采用SH01、GE09作為已知點(diǎn)，基線處理通過后，通過CosaGPS平差軟件進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差，二維約束平差成果如下：

GPS網(wǎng)成果數(shù)據(jù)滿足要求，外業(yè)作業(yè)時(shí)間短，大大提高作業(yè)的效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了高等級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量。

4 GPS-RTK實(shí)時(shí)放樣

RTK是指載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（Real-TimeKinematic），它是GPS發(fā)展的最新形式。RTK要求一臺(tái)基準(zhǔn)站和至少一臺(tái)流動(dòng)站及相配套的數(shù)據(jù)通訊鏈?；鶞?zhǔn)站實(shí)時(shí)地把測(cè)站信息和所有觀測(cè)值通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給流動(dòng)站，流動(dòng)站用先進(jìn)的處理技術(shù)來瞬時(shí)求出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。本工工程應(yīng)用Leica1200GPS-RTK進(jìn)行實(shí)時(shí)放樣，基準(zhǔn)站設(shè)置采用一步法，通過三個(gè)已知點(diǎn)和84坐標(biāo)進(jìn)行匹配建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。結(jié)合上述Leica1200GPS的特點(diǎn)和精度指標(biāo)，實(shí)時(shí)放樣公路坐標(biāo)完全滿足規(guī)范要求。

RTK放樣具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）直接以厘米級(jí)精度實(shí)時(shí)測(cè)定中樁位置；（2）工作人員少；（3）工作效率高。

5結(jié)語

（1）GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。（2）GPS測(cè)量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個(gè)作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。（3）GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式。RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測(cè)量、點(diǎn)位測(cè)量等。（4）GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。（5）GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣，是GPS測(cè)量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢(shì)下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量有困難，GPS高程測(cè)量無凝是一種有效的手段。

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