探究GPS在工程勘測(cè)中的應(yīng)用

蘇海鷗+丁鳳

【摘 要】GPS測(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作。本文結(jié)合GPS工作原理及特點(diǎn)，探討了GPS工程勘測(cè)技術(shù)在建立工測(cè)水準(zhǔn)控制網(wǎng)中的方法和要求。

【關(guān)鍵詞】GPS 工程勘測(cè) 數(shù)據(jù)處理

GPS測(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作，對(duì)這項(xiàng)工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、和人力的消耗。因此，對(duì)其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

一、GPS控制測(cè)量

GPS控制測(cè)量工作與經(jīng)典大地測(cè)量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)（即觀測(cè)站址的選擇）、建立觀測(cè)標(biāo)志、野外觀測(cè)作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測(cè)量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個(gè)階段：技術(shù)設(shè)計(jì)；選點(diǎn)與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測(cè)；成果檢核與處理。

（1）作業(yè)方法：采用兩臺(tái)（或兩臺(tái)以上）接收機(jī)，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長(zhǎng)度和要求的精度，按GPS測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)量等級(jí)確定。

（2）定位精度：基線測(cè)量的精度可達(dá)±（5mm+1ppm×D），D為基線長(zhǎng)度，以公里計(jì)。

二、控制測(cè)量布網(wǎng)方案

（1）選點(diǎn)。在選點(diǎn)工作開(kāi)始前，除收集和了解有關(guān)測(cè)區(qū)的地理情況和原有測(cè)量控制點(diǎn)分布及標(biāo)架、標(biāo)型、標(biāo)石完好情況，決定其適宜的點(diǎn)位外，選點(diǎn)工作還應(yīng)遵守以下原則：①點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開(kāi)闊的較高點(diǎn)上。②點(diǎn)位目標(biāo)要顯著，視場(chǎng)周圍15以上不應(yīng)有障礙物，以減小GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收。③點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，其距離不小于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送綬道，其距離不得小于50m，以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。④點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。⑤點(diǎn)位交通方便有利于其他手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方。⑥地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。⑦當(dāng)所選點(diǎn)位需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)時(shí)，選點(diǎn)人員應(yīng)實(shí)地踏勘水準(zhǔn)路線。根據(jù)以上原則選擇了包括測(cè)區(qū)且分布較均勻的7個(gè)GPS點(diǎn)，之后埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點(diǎn)位，點(diǎn)的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定、堅(jiān)固以利長(zhǎng)久保存和利用。

（2）觀測(cè)記錄。在外業(yè)觀測(cè)工作中，所有信息資料均須妥善記錄。記錄形式主要觀測(cè)記錄和測(cè)量手簿。測(cè)量手簿是在接收機(jī)啟動(dòng)前及觀測(cè)過(guò)程中，由觀測(cè)者隨時(shí)填寫的。應(yīng)記載觀測(cè)過(guò)程中發(fā)生的重要問(wèn)題，問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)間及其處理方式等。必須認(rèn)真、及時(shí)填寫，堅(jiān)決杜絕事后補(bǔ)記或追記。外業(yè)觀測(cè)中存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件應(yīng)及時(shí)拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲(chǔ)介質(zhì)的外面，適當(dāng)處應(yīng)貼制標(biāo)簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點(diǎn)名、時(shí)段名、采集日期、測(cè)量手簿編號(hào)等。接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉(zhuǎn)錄到外存介質(zhì)上時(shí)，不得進(jìn)行任何剔除或刪改，不得凋用任何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施重新加工組合的操作指令。具體要求如下：①衛(wèi)星截止高度角為15°；②有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)必須超過(guò)4個(gè)；③采樣間隔為5秒；④時(shí)段長(zhǎng)度必須大于45分鐘；⑤幾何精度因子（PDOP）必須小于10，（實(shí)際觀測(cè)數(shù)為PDOP≤4）；（6）儀器天線高從三個(gè)方位量測(cè)三次取平均值。

三、GPS數(shù)據(jù)處理

GPS接收機(jī)采集記錄的接收機(jī)天線至衛(wèi)星偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)必須通過(guò)GPS數(shù)據(jù)處理才能得到最終的測(cè)量定位成果。

（1）數(shù)據(jù)傳輸。GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)記錄在接收機(jī)的內(nèi)存模塊上。數(shù)據(jù)傳輸是用專用電纜將接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，并在后處理軟件的菜單中選擇傳輸數(shù)據(jù)選項(xiàng)后，便將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，生成四個(gè)數(shù)據(jù)文件：載波相位和偽距觀測(cè)值文件、星歷參數(shù)文件、電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件、測(cè)站信息文件。觀測(cè)值文件是容量最大的文件。觀測(cè)值記錄中有對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星號(hào)、衛(wèi)星高度角和方位用，C/A碼偽距，L1、L2的相位觀測(cè)值，觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的歷元時(shí)間，積分多普勒記數(shù)，信噪比等。星歷參數(shù)文件包含所有被測(cè)衛(wèi)星的軌道位置信息，根據(jù)這些信息可以計(jì)算出任一時(shí)刻衛(wèi)星的位置。電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件中，電離層參數(shù)用于改正觀測(cè)值的電離層影響，UTC參數(shù)用于將GPS時(shí)間修正為UTC時(shí)間。測(cè)站信息文件包含測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、測(cè)站的概略坐標(biāo)、接收機(jī)號(hào)、天線號(hào)、天線高、觀測(cè)的起止時(shí)間、記錄的數(shù)據(jù)量、初步定位成果等。經(jīng)數(shù)據(jù)分流后生成的四個(gè)數(shù)據(jù)文件中，除測(cè)站信息文件外，其余均為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件。為下一步預(yù)處理的方便，必須將它們解譯成直接識(shí)別的文件，將數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn)，剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式并將各類數(shù)據(jù)文件加工成標(biāo)準(zhǔn)化文件，找出整周跳變點(diǎn)并修復(fù)觀測(cè)值；對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行各種模型改正。數(shù)據(jù)處理中要多次進(jìn)行衛(wèi)星位置的計(jì)算，而GPS廣播皇歷每小時(shí)有一組獨(dú)立的星歷參數(shù)，使得計(jì)算工作十分繁雜，需要將衛(wèi)星軌道方程標(biāo)準(zhǔn)化，以便計(jì)算簡(jiǎn)便，節(jié)省內(nèi)存空間。GPS衛(wèi)星軌道方程標(biāo)準(zhǔn)化一般采用以時(shí)間為變量的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合處理。來(lái)自廣播星歷的衛(wèi)星鐘差是多個(gè)數(shù)值，需要通過(guò)多項(xiàng)式擬合求得惟一的平滑的鐘差改正多項(xiàng)式。用于確定真正的信號(hào)發(fā)射時(shí)刻并計(jì)算該時(shí)刻的衛(wèi)星軌道位置，同時(shí)也用于將各站對(duì)各衛(wèi)星的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)以估算它們之間的相對(duì)鐘差。不同的接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)記錄有不同的格式。例如觀測(cè)時(shí)刻這個(gè)記錄，可能采用接收機(jī)參考?xì)v元，也可能是經(jīng)過(guò)改正歸算至GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。在進(jìn)行平差（基線向量的解算）之前，觀測(cè)值文件必須規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化。具體項(xiàng)目包括：記錄格式標(biāo)準(zhǔn)化；記錄項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化；采樣密度標(biāo)準(zhǔn)化；數(shù)據(jù)單位的標(biāo)準(zhǔn)化。endprint