GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量的應(yīng)用及測(cè)量精度分析

潘池

[摘要]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在工程測(cè)繪中，GPS技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，發(fā)展起來的一種先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)，和傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比較，GPS技術(shù)在工程測(cè)繪中有很大的優(yōu)勢(shì)，能極大的提高工程測(cè)繪的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量的應(yīng)用及測(cè)量精度進(jìn)行詳細(xì)探究。

[關(guān)鍵詞]GPS技術(shù) 工程控制 測(cè)量 精度

[中圖分類號(hào)]P258 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-152-1

0引言

GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)工程測(cè)量帶來了徹底性的革命，并且其具有不受天氣和通視條件影響、定位精度高、操作方便、自動(dòng)化程度高、成本低等眾多方面的優(yōu)點(diǎn)，致使其被廣泛的推廣和應(yīng)用在現(xiàn)代工程控制測(cè)量中。隨著GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用，人們對(duì)工程測(cè)量精度提出了更高的要求。

1 GPS測(cè)量技術(shù)的概述

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS信號(hào)接收機(jī)等三大部分組成，其中GPS衛(wèi)星星座是由3顆軌備衛(wèi)星、21顆工作衛(wèi)星共同組成的，這24顆衛(wèi)星按照每組4顆衛(wèi)星平均分配在6條相互成60°的軌道平面上運(yùn)行，其運(yùn)行周期為24h，因此無(wú)論在地球那個(gè)方位，都能在任何時(shí)間觀測(cè)到最少有4顆屬于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星，GPS空間星座的主要作用是觀測(cè)目標(biāo)，并將觀測(cè)信息轉(zhuǎn)換成載波信號(hào)，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控制站、監(jiān)測(cè)站、地面天線幾部分組成，主要負(fù)責(zé)收集空間衛(wèi)星傳輸回來的信息，然后利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)接收機(jī)也就是用戶端，它能搜索、捕捉衛(wèi)星，然后衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出GPS信號(hào)接收機(jī)所在位置的經(jīng)緯度及高度。

1.2 GPS工程測(cè)量原理

在工程中，GPS測(cè)繪技術(shù)有兩種方法測(cè)量出被測(cè)對(duì)象的信息，一種是測(cè)量偽距離，另一種利用載波相位進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量偽距離是根據(jù)接收機(jī)接收到的GPS衛(wèi)星發(fā)出的測(cè)距碼及電文內(nèi)容，根據(jù)信號(hào)發(fā)射到用戶接收信息的時(shí)間，計(jì)算出衛(wèi)星與接收機(jī)天線之間的距離，由于用戶接收機(jī)的時(shí)鐘難以與GPS衛(wèi)星時(shí)鐘保持同步，計(jì)算出來的數(shù)據(jù)有一定的誤差，因此，稱為偽距離。用載波相位進(jìn)行測(cè)量是測(cè)定GPS衛(wèi)星載波信號(hào)在傳播路徑上的相位變化，從而計(jì)算出信號(hào)傳播距離[1]。

2 GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1自動(dòng)化程度高

工程控制測(cè)量中的GPS技術(shù)，采用GPS接收機(jī)進(jìn)行各種測(cè)量時(shí)，只需要將天線準(zhǔn)確的安裝在檢測(cè)站上，并接通電源與啟動(dòng)接收單元，此時(shí)儀器就能夠自動(dòng)開始工作，當(dāng)測(cè)量工作結(jié)束之后，只需要將電源關(guān)閉，接收機(jī)就能夠自動(dòng)的完成數(shù)據(jù)的采集，并采集的定位數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GPS自動(dòng)化的測(cè)量以及計(jì)算。

2.2適用范圍廣

GPS技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中都具有非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)于從事測(cè)繪工作的工程施工人員來說，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其中涉及到地殼板塊運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)、大地測(cè)量以及各種工程測(cè)量，尤其是在工程控制測(cè)量中具有非常廣泛的應(yīng)用前景，尤其是GPS技術(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)，對(duì)于工程的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是GPS技術(shù)在未來應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。

2.3測(cè)量精度高

GPS技術(shù)的短距離的測(cè)量精度達(dá)到毫米級(jí)別，差分導(dǎo)航精度達(dá)到厘米級(jí)別，對(duì)于大型的工程建筑以及構(gòu)造物的變形監(jiān)測(cè)具有精密的定位測(cè)量，在進(jìn)行合適數(shù)據(jù)處理的模型和軟件之后，其在高程和平面精度都能夠達(dá)到毫米級(jí)別。

3 GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用流程

3.1定位測(cè)量點(diǎn)

選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí)必須遵循便捷、安全的原則，便于布設(shè)GPS設(shè)備，盡量定位在視野開闊的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，避免影響GPS設(shè)備信號(hào)的傳輸與接收，排除外界電磁的影響，確定GPS的測(cè)量點(diǎn)后，需要記錄到測(cè)繪圖紙內(nèi)，為后期測(cè)繪提供圖紙依據(jù)。

3.2構(gòu)建測(cè)量標(biāo)志

GPS技術(shù)中的測(cè)量標(biāo)志，主要是起到指示、提示的作用，待測(cè)量點(diǎn)定位完成后，需要安置測(cè)量標(biāo)志，用于指導(dǎo)GPS測(cè)量的整個(gè)過程。由于工程測(cè)繪環(huán)境的影響，測(cè)量標(biāo)志的構(gòu)建并沒有統(tǒng)一的方法，基本按照測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，比較常見的方法時(shí)埋入標(biāo)石，既可以發(fā)揮標(biāo)識(shí)作用，又可以穩(wěn)定標(biāo)志。

3.3測(cè)量觀測(cè)

測(cè)量觀測(cè)是GPS技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，GPS測(cè)量屬于室外作業(yè)，促使GPS需要嚴(yán)格遵循室外觀測(cè)的要求。例如：某地籍項(xiàng)目測(cè)繪中，在GPS室外觀測(cè)中增加衛(wèi)星導(dǎo)航，兩者需在協(xié)調(diào)狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的測(cè)繪服務(wù)，該項(xiàng)目人員設(shè)置到GPS技術(shù)后，利用衛(wèi)星收集測(cè)量信息，通過導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)GPS接收的衛(wèi)星信號(hào)，充分利用開機(jī)觀測(cè)的方法，保障測(cè)量觀測(cè)的技術(shù)性[2]。

3.4數(shù)據(jù)分析

GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，基本是由計(jì)算機(jī)完成，利用計(jì)算機(jī)中的外業(yè)檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度，確保數(shù)據(jù)結(jié)果貼近工程實(shí)際，完善GPS測(cè)量中的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4工程測(cè)繪中的GPS測(cè)量技術(shù)分析

4.1水下測(cè)繪

水下測(cè)繪一直是我國(guó)工程測(cè)繪中的難點(diǎn)，因?yàn)樗碌那闆r復(fù)雜，而且受到水位影響，所以水下測(cè)繪的難度系數(shù)比較高，如果在水下工程中采用人工測(cè)繪，必須要排除流速、壓強(qiáng)等因素的干擾，無(wú)法保障測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確度。我國(guó)水下工程的發(fā)展速度越來越快，對(duì)水下測(cè)繪的依賴性也逐漸提高，促使水下測(cè)繪成為水下工程的重要部分。GPS測(cè)量技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，可以在橫、縱兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)繪，GPS測(cè)量設(shè)備的體積非常小，不會(huì)對(duì)水下測(cè)繪區(qū)域產(chǎn)生影響，其在測(cè)量過程中，將收集到的水下資料迅速傳遞到地面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，通過軟件分析得出最終的數(shù)據(jù)結(jié)果，排除水下環(huán)境的干擾，降低水下測(cè)繪的難度。水下測(cè)繪在GPS測(cè)量技術(shù)的推動(dòng)下，取得良好的測(cè)量結(jié)果，如超生測(cè)量等，優(yōu)化水下測(cè)繪的環(huán)境[2]。

4.2形變測(cè)量

形變是工程測(cè)繪中的主體項(xiàng)目，大部分工程內(nèi)都存有形變影響，尤其是受到地質(zhì)、人為等因素的影響，更是增加形變控制的難度。針對(duì)形變控制，需通過GPS提供測(cè)量信息，便于提出科學(xué)的控制途徑。例如：某礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的地基出現(xiàn)形變，表現(xiàn)出嚴(yán)重的沉降危害，該礦業(yè)人員通過GPS測(cè)量技術(shù)，及時(shí)分析引發(fā)地基變形的原因，同時(shí)測(cè)量地基沉降的基礎(chǔ)參數(shù)，有效控制形變發(fā)生，降低地基形變對(duì)整個(gè)礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的危害，GPS測(cè)量技術(shù)在該礦業(yè)中發(fā)揮定位與監(jiān)測(cè)的作用，利用三維定位的方式，監(jiān)測(cè)地基形變中的細(xì)微變化，控制在安全范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)大規(guī)模的形變或沉降，保障該礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)，而且提高了礦業(yè)現(xiàn)場(chǎng)抵御變形風(fēng)險(xiǎn)的能力。

4.3城市測(cè)繪

城市建設(shè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，多樣化的城市建筑投入施工，由此必須保障測(cè)繪達(dá)到規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。GPS測(cè)量技術(shù)在城市測(cè)繪中的使用頻率最高，其與GIS、RS組合，高效完成城市測(cè)繪的定位、遙感等，提高城市測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。例如：某城市測(cè)繪時(shí)，涉及到大面積的控制網(wǎng)，總共包括三級(jí)導(dǎo)線測(cè)繪，需要GPS的準(zhǔn)確測(cè)繪，該城市測(cè)繪過程中，受到基礎(chǔ)建筑的影響，導(dǎo)致不同層次的導(dǎo)線測(cè)繪均遭受不同程度的破壞，增加GPS測(cè)量技術(shù)的壓力，此時(shí)該城市選擇GPS靜態(tài)測(cè)繪，同時(shí)利用GPS中的RTK技術(shù)，排除城市兩個(gè)測(cè)繪基點(diǎn)的通視，完成直接性的測(cè)量連接，不會(huì)破壞該城市原本設(shè)定好的測(cè)繪基點(diǎn)，還可以高效率的完成城市測(cè)繪，方便建筑施工和城市規(guī)劃[3]。

4.4網(wǎng)點(diǎn)控制

網(wǎng)點(diǎn)控制主要體現(xiàn)在大地測(cè)量中，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)耗時(shí)、耗力，影響網(wǎng)點(diǎn)的控制。我國(guó)在工程建設(shè)中，重新規(guī)劃了控制網(wǎng)點(diǎn)，為保障網(wǎng)點(diǎn)控制的精準(zhǔn)度，需要利用GPS測(cè)量技術(shù)，完成長(zhǎng)距離的準(zhǔn)確測(cè)繪。GPS測(cè)量技術(shù)在網(wǎng)點(diǎn)控制中，能夠適應(yīng)大規(guī)模的大地測(cè)量，在保障效率的基礎(chǔ)上，快速完成網(wǎng)點(diǎn)測(cè)繪。GPS測(cè)量技術(shù)在網(wǎng)點(diǎn)控制中的應(yīng)用，還要避免對(duì)城市控制產(chǎn)生影響，以免干擾整體測(cè)繪的精度，造成數(shù)據(jù)誤差。

5 GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

文章以工程為例，該工程采用了6臺(tái)Ashtech型靜態(tài)單頻GPS接收機(jī)（測(cè)量精度為5mm±1ppm）采集野外信息，作業(yè)基本要求包括：數(shù)據(jù)采樣率（S）不超過30s；時(shí)段長(zhǎng)度不小于60min；同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)量不小于4；平均重復(fù)設(shè)站數(shù)不小于1.6；同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星書不小于4；衛(wèi)星截止高度不小于15°。每時(shí)段觀測(cè)都采用測(cè)量天線高兩次的方式，相差小于3mm，天線高為測(cè)量的平均值。GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)采用Ashtechsolutoons2.5進(jìn)行基線解算，以此保證每一個(gè)基線都能求出整周模糊度。GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

5.1靜態(tài)定位

靜態(tài)定位需要在每個(gè)流動(dòng)站內(nèi)設(shè)置GPS接收機(jī)，一邊靜止觀測(cè)，另一邊接收太空衛(wèi)星以及基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)信息，并對(duì)測(cè)站一周的未知數(shù)以及三維坐標(biāo)進(jìn)行解算，當(dāng)測(cè)量的精度滿足相關(guān)的要求之后，才能停止測(cè)量工作。由于影響測(cè)量精度的因素相對(duì)較多，該種測(cè)量方式主要采用加密控制，這樣即使在一些惡略的環(huán)境和地形中，同樣能夠保證測(cè)量的精度。

5.2動(dòng)態(tài)定位

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位測(cè)量之前，必須做好前期準(zhǔn)備工作，即先在控制點(diǎn)觀察一段時(shí)間，然后采用提前設(shè)定好的流動(dòng)站進(jìn)行實(shí)地自動(dòng)測(cè)量，然后結(jié)合基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終確定測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)。當(dāng)前工程測(cè)量對(duì)于精度的要求相對(duì)較高，通常要求測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)別，動(dòng)態(tài)定位能夠獨(dú)立完成樁測(cè)量、地形圖測(cè)繪、縱橫斷面測(cè)量等，并且具有非常高的測(cè)量精度，致使動(dòng)態(tài)定位技術(shù)在工程測(cè)量中具有非常好的應(yīng)用前景。

5.3測(cè)繪大比例尺地形圖

傳統(tǒng)的測(cè)法測(cè)站與碎部點(diǎn)之間必須通視，不僅拼圖環(huán)節(jié)的精度不能保證，并且還需要至少兩人進(jìn)行工作，花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。采用GPS技術(shù)，僅僅需要一臺(tái)機(jī)器和一個(gè)人，并且花費(fèi)幾秒鐘的時(shí)間，就能夠完成碎部點(diǎn)高程以及坐標(biāo)的測(cè)繪工作，然后輸入特征編碼，能夠迅速成圖，顯著的降低了繪圖難度，提高測(cè)繪速度。

5.4選線以及放樣

將GPS的接收機(jī)作為流動(dòng)站，在一定的距離接收測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)重要的物質(zhì)進(jìn)行定位，然后將獲得的信息輸入接收機(jī)，并利用CAD繪圖軟件進(jìn)行選線。采用GPS技術(shù)進(jìn)行放樣測(cè)量，僅需輸入點(diǎn)位坐標(biāo)，接收機(jī)能夠?qū)⑻嵝研畔?zhǔn)確的傳輸至任何放樣點(diǎn)，這樣不僅能夠提高放樣精度，還能夠降低勞動(dòng)量，加快放樣速度[3]。

6提高GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量精度的措施

6.1創(chuàng)建工程控制測(cè)量網(wǎng)絡(luò)

工程控制測(cè)量網(wǎng)絡(luò)是工程管理、維護(hù)工作開展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是提高工程測(cè)量精度的重要措施。通常狀況下，工程控制測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積相對(duì)較小，占位密度相對(duì)較大，對(duì)測(cè)量的精度要求相對(duì)較高，采用邊角網(wǎng)的方式，創(chuàng)建工程控制網(wǎng)絡(luò)，在采用GPS定位技術(shù)時(shí)，能夠充分的體現(xiàn)GPS技術(shù)精度高、作業(yè)時(shí)間短、工程耗費(fèi)低等優(yōu)勢(shì)。

6.2 PTK碎部測(cè)暈以及放樣

PTK技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)，采用PTK技術(shù)對(duì)相位的測(cè)量進(jìn)行處理，能夠?qū)⒒鶞?zhǔn)站收集的載波相位信息傳輸給用戶，用戶通過對(duì)基準(zhǔn)站差分信息進(jìn)行求差解算，能夠準(zhǔn)確的找到用戶的位置坐標(biāo)，并將定界標(biāo)點(diǎn)標(biāo)出，采用PTK碎部測(cè)暈和放樣，能夠提高測(cè)量精度和標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

6.3區(qū)域差分網(wǎng)絡(luò)的碎部測(cè)量以及放樣

當(dāng)碎部測(cè)量出現(xiàn)在區(qū)域性的GPS的差分系統(tǒng)中時(shí)，基準(zhǔn)網(wǎng)和放樣會(huì)對(duì)所有基準(zhǔn)站提供差分信息的權(quán)，并實(shí)現(xiàn)差分的定位，提高PTK接收機(jī)標(biāo)稱精度，能夠提高PTK測(cè)量點(diǎn)的精度，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

6.4測(cè)量精度評(píng)定

采用平面平差基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)、基線殘差統(tǒng)計(jì)、環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)進(jìn)行GPS定位中誤差統(tǒng)計(jì)，100%的點(diǎn)位精度控制在1cm以內(nèi)，甚至控制在0.5cm以內(nèi)，如果測(cè)量數(shù)據(jù)合格，則表明基線解算質(zhì)量良好，GPS技術(shù)的測(cè)量精度能夠滿足工程測(cè)量的實(shí)際要求。

7結(jié)束語(yǔ)

總而言之，GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中具有測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高、適用范圍廣、費(fèi)用低等眾多優(yōu)點(diǎn)，致使其被廣泛的推廣和應(yīng)用在工程控制測(cè)量中。但是，GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量的實(shí)踐應(yīng)用中，對(duì)操作要求相對(duì)較高，并且隨著現(xiàn)代工程測(cè)量對(duì)精度要求的不斷提高，工程控制測(cè)量人員應(yīng)該熟練的掌握GPS技術(shù)在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用流程，并采取有效的措施提高測(cè)量精度，進(jìn)而為工程的控制測(cè)量提供更好的服務(wù)。