淺析溫州雁楠公路樂(lè)清段中GPS控制測(cè)量的應(yīng)用

武曉龍 徐愛(ài)霞 薛敏霞

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，高等級(jí)公路建設(shè)迅猛發(fā)展，對(duì)勘測(cè)技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。由于線路長(zhǎng)、已知點(diǎn)少，地面通視困難等，往往影響常規(guī)測(cè)量的實(shí)施。GPS的應(yīng)用，使公路的勘測(cè)手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，極大的提高了工作效率。該文基于作者多年從事工程測(cè)量的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以GPS在道路工程中的應(yīng)用為研究對(duì)象，分析探討了GPS控制測(cè)量的工作原理，簡(jiǎn)要闡述了GPS外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，說(shuō)明了GPS控制測(cè)量的高效率、高質(zhì)量、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借簽意義。

關(guān)鍵詞：GPS 控制測(cè)量 原理 閉合差 平差

中圖分類(lèi)號(hào)：U41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（c）-0047-02

測(cè)繪工作必須遵徇“由整體到局部，先控制后碎部，由低級(jí)到高級(jí)”的原則，先建立控制網(wǎng)，再根據(jù)控制網(wǎng)進(jìn)行碎部測(cè)量。控制網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)劣和施測(cè)直接影響到整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量，因此控制測(cè)量就成為測(cè)量工作的關(guān)鍵。溫州雁楠公路樂(lè)清段線路長(zhǎng)約25km，整個(gè)區(qū)段屬于山嶺重丘區(qū)，地形復(fù)雜，測(cè)量作業(yè)難度大；項(xiàng)目亦始，作業(yè)組就根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)在整個(gè)區(qū)段布設(shè)一級(jí)GPS控制網(wǎng)，先后完成選點(diǎn)、埋石、外業(yè)觀測(cè)、成果處理等各項(xiàng)工作，大大提高了工作效率，節(jié)省了人力和物力，保證了整個(gè)項(xiàng)目的作業(yè)進(jìn)度。

1 GPS工作原理

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS）是一個(gè)高精度、全天候和全球性的無(wú)線電導(dǎo)航定位、定時(shí)多功能系統(tǒng)。它利用位于距地球2萬(wàn)多公里高的由24顆人造衛(wèi)星組成的GPS空間衛(wèi)星群，來(lái)向地球不斷發(fā)射定位及時(shí)間信號(hào)。GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在地面需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻T同時(shí)接收了3顆（A、B、C）以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SBP，同樣通過(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)）。計(jì)算P點(diǎn)三維坐標(biāo)（XP、YP、ZP）的數(shù)學(xué)公式為：

SAP2=[（XP-XA）2+（YP-YA）2+（ZP-ZA）2]

SBP2=[（XP-XB）2+（YP-YB）2+（ZP-ZB）2]

SCP2=[（XP-XC）2+（YP-YC）2+（ZP-ZC）2]

式中（XA、YA、ZA），（XB、YB、ZB），（XC、YC、ZC），分別為衛(wèi)星A、B、C在時(shí)刻T的空間直角坐標(biāo)。在GPS測(cè)量中通常采用兩類(lèi)坐標(biāo)系統(tǒng)，一類(lèi)是空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類(lèi)是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱(chēng)地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠こ炭刂茰y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。如：WGS-84世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系以及1954北京坐標(biāo)系。在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來(lái)求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。

2 GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)常規(guī)測(cè)量方法，GPS測(cè)量具有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先測(cè)站之間無(wú)需通視，測(cè)站上空只需開(kāi)闊，選點(diǎn)靈活方便；其次定位精度高，觀測(cè)時(shí)間短，同時(shí)提供三維坐標(biāo)，其高程精度已可以滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)要求；另外GPS操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，可以全天候作業(yè)，可以在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)進(jìn)行，一般不受天氣影響。

3 GPS選點(diǎn)和埋石

項(xiàng)目亦始，作業(yè)組在1：10 000線狀地形圖上預(yù)先標(biāo)注預(yù)選的一級(jí)GPS點(diǎn)，然后到現(xiàn)場(chǎng)勘查，確定控制點(diǎn)滿(mǎn)足條件后進(jìn)行埋設(shè)，點(diǎn)間距離一般≤1.5km，≥0.5km，平均邊長(zhǎng)約1km為保證觀測(cè)質(zhì)量，作業(yè)組嚴(yán)格按以下標(biāo)準(zhǔn)選點(diǎn)埋石。

點(diǎn)位均選在土質(zhì)堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)固可靠，利于長(zhǎng)期保存的地方，同時(shí)方便儀器安置和安全操作，利于加密和擴(kuò)展，每個(gè)控制點(diǎn)至少有一個(gè)通視方向。

點(diǎn)位選在視野開(kāi)闊的地方，視場(chǎng)內(nèi)盡量避免高度角>15°的成片障礙物；點(diǎn)位附近避免有強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號(hào)的物體，距離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、微波站等）200m以上，距離高壓輸電線50m以上；

為方便線路勘測(cè)和施工放樣，點(diǎn)位距離線路中心線一般≥50m，且≤300m，同時(shí)盡量選擇在交通方便位置，利于點(diǎn)位尋找和后續(xù)使用。

點(diǎn)位選定后，按規(guī)格埋設(shè)標(biāo)石，標(biāo)石表面有點(diǎn)名和施測(cè)單位名稱(chēng)。所有GPS點(diǎn)在埋石時(shí)均設(shè)置明顯的指向標(biāo)志，并現(xiàn)場(chǎng)繪制交通路線略圖，填寫(xiě)點(diǎn)之記。

4 GPS網(wǎng)形布設(shè)

GPS控制網(wǎng)對(duì)點(diǎn)位圖形結(jié)構(gòu)沒(méi)有太多限制，對(duì)點(diǎn)位之間的通視條件也沒(méi)有嚴(yán)格要求，控制點(diǎn)的位置是彼此獨(dú)立直接測(cè)定的。

GPS網(wǎng)布設(shè)應(yīng)由一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立網(wǎng)構(gòu)成，可采用點(diǎn)聯(lián)式、邊聯(lián)式、網(wǎng)連式以及混連式布設(shè)，本網(wǎng)采用點(diǎn)聯(lián)式。

布設(shè)網(wǎng)形時(shí)應(yīng)考慮測(cè)區(qū)周邊已有控制點(diǎn)的分布情況，原則上聯(lián)測(cè)不少于4個(gè)高等級(jí)GPS控制點(diǎn)，并使其均勻分布。

5 GPS施測(cè)

此次施測(cè)范圍為25km，共布設(shè)一級(jí)GPS點(diǎn)28個(gè)，聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)周邊的3個(gè)高等級(jí)GPS點(diǎn)作為本網(wǎng)起算點(diǎn)。

測(cè)量過(guò)程中使用3臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)（中海達(dá)HD6000）進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)。3臺(tái)儀器均按要求進(jìn)行年檢，且年檢合格；同步觀測(cè)平均時(shí)間均>45min，實(shí)際觀測(cè)時(shí)有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)大都保持6～8顆，衛(wèi)星高度角>15°，數(shù)據(jù)采樣間隔為15s。

觀測(cè)人員嚴(yán)格按照GPS接收機(jī)操作手冊(cè)的規(guī)定進(jìn)行觀測(cè)作業(yè)，在現(xiàn)場(chǎng)按規(guī)定作業(yè)順序填寫(xiě)觀測(cè)手簿，天線安置的對(duì)中誤差≤2mm，每時(shí)段觀測(cè)均在測(cè)前、測(cè)后分別量取天線高，天線高量取精確至1mm，兩次天線高差值均≤3mm后，取平均值作為天線高；觀測(cè)時(shí)嚴(yán)防人員和其它物體觸動(dòng)天線或遮擋信號(hào)；接收機(jī)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)后，隨時(shí)注意衛(wèi)星信號(hào)和信息存諸情況，一旦出現(xiàn)異常，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)及時(shí)通知其它接收機(jī)調(diào)整觀測(cè)計(jì)劃。所有遷站工作經(jīng)檢查所有規(guī)定作業(yè)項(xiàng)目全部完成，且記錄完整無(wú)誤后進(jìn)行。

6 GPS數(shù)據(jù)處理

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用隨機(jī)軟件完。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測(cè)和網(wǎng)平差后，最后得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

6.1 剔除不合格的基線

通過(guò)設(shè)置衛(wèi)星高度角，采樣間隔、有效歷元等參數(shù)對(duì)基線進(jìn)行優(yōu)化。GPS外業(yè)觀測(cè)的全部數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)過(guò)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和復(fù)測(cè)基線檢核，然后舍棄不合格基線。當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)不能滿(mǎn)足檢核要求時(shí)，對(duì)成果進(jìn)行全分析，舍棄不合格基線。

同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差應(yīng)滿(mǎn)足：

WX≤σ，WY≤σ，

WZ≤σ，W≤σ

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差應(yīng)滿(mǎn)足

WX≤2σ，WY≤2σ，

WZ≤2σ， W≤2σ

復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差應(yīng)滿(mǎn)足：

△d≤2σ。

6.2 無(wú)約束平差

在有效基線中提取必要的基線組成異步環(huán)（邊數(shù)不超過(guò)6條），運(yùn)用隨機(jī)軟件進(jìn)行異步環(huán)解算進(jìn)一步剔除含有粗差的基線觀測(cè)量。即在WGS84坐標(biāo)系中進(jìn)行無(wú)約束平差，平差時(shí)無(wú)任何已知點(diǎn)參與，其基線向量的改正數(shù)（VX，VY，VZ）絕對(duì)值應(yīng)滿(mǎn)足VX≤3σ，VY≤3σ，VZ≤3σ。

經(jīng)過(guò)無(wú)約束平差解算，各個(gè)異步環(huán)的基線向量改正數(shù)均小于限差3σ，其中誤差最大的基線，其改正數(shù)VX=0.019 3m，VY=-0.027 2m，VZ=0.0279m，均<3σ=0.067 1m。

6.3 約束平差

當(dāng)確認(rèn)三維約束平差有效時(shí)，最后在北京54坐標(biāo)系中進(jìn)行二維約束平差，輸入已知點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)，在平差中首先將一個(gè)已知點(diǎn)作為待定點(diǎn)進(jìn)行處理，平差后用該點(diǎn)已知坐標(biāo)與平差后坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，X方向最大差值為0.005m，Y方向最大差值為0.006m，說(shuō)明已知點(diǎn)之間網(wǎng)形兼容性較好。在確認(rèn)平差結(jié)果可靠后，將該點(diǎn)作為已知點(diǎn)參與二維約束平差。在處理結(jié)果中，最弱邊相對(duì)中誤差<1/20000。

7 結(jié)語(yǔ)

GPS技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在控制測(cè)量方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于山區(qū)控制網(wǎng)的特殊性，實(shí)際工作中應(yīng)注意：GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞與觀測(cè)條件有很大的關(guān)系，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量選擇開(kāi)闊地段，避免遮擋；GPS控制網(wǎng)邊長(zhǎng)較短時(shí)基線相對(duì)精度較低，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，同時(shí)為了確?？刂瞥晒目煽啃?，要按一定的頻率對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

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