GPS在高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究

何光源

（鄭州中核巖土工程有限公司，河南 鄭州 450000）

1 前言

現(xiàn)階段，一般通過(guò)布設(shè)三角網(wǎng)，利用高精度全站儀進(jìn)行邊角聯(lián)測(cè)建立高精度測(cè)量控制網(wǎng)。 這種方法的內(nèi)外業(yè)工作量較大，各方面要求較高。 同時(shí)，由于受到現(xiàn)場(chǎng)地形、通視等情況的影響，控制網(wǎng)的圖形條件不容易滿足，點(diǎn)位精度不均勻，整體精度不容易控制，測(cè)量工作勞動(dòng)強(qiáng)度和難度相對(duì)較大。

GPS 全球定位系統(tǒng)， 是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的新一代精密衛(wèi)星定位技術(shù)。 近年來(lái)GPS 接收機(jī)質(zhì)量和精度不斷提高， 用GPS 測(cè)量坐標(biāo)的絕對(duì)和相對(duì)精度提高到厘米級(jí)甚至亞毫米級(jí)， 大大拓展了它的應(yīng)用范圍和在工程測(cè)量中的作用。 多年來(lái)在控制測(cè)量中應(yīng)用GPS 的經(jīng)驗(yàn)表明， 利用GPS 建立高精度工程測(cè)量平面控制網(wǎng)是可行的， 但GPS 建立的高程控制網(wǎng)在現(xiàn)階段達(dá)不到工程施工的要求。 對(duì)于GPS 建立高精度工程測(cè)量平面控制網(wǎng)能達(dá)到怎樣的精度， 如何進(jìn)行內(nèi)外業(yè)工作使GPS建立的平面控制網(wǎng)符合施工測(cè)量要求這些問(wèn)題， 本項(xiàng)目在工程實(shí)踐的GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)中增加多個(gè)已知條件進(jìn)行平差處理， 并將獲得的結(jié)果和高精度全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)加以說(shuō)明， 并進(jìn)一步研究如何使GPS 在高精度工程測(cè)量平面控制網(wǎng)的測(cè)量中獲得較高精度。

2 GPS 測(cè)量的基本原理

GPS 測(cè)量的基本原理就是將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的GPS接收機(jī)分別安置在測(cè)量基線的兩端，同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星[1]。 以GPS 衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間距離（或距離差）的觀測(cè)量為基礎(chǔ)，確定基線端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或基線向量。 通過(guò)GPS 平差軟件對(duì)所獲得的基線進(jìn)行解算， 在WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行三維自由網(wǎng)平差，并利用已有控制點(diǎn)進(jìn)行平差處理，獲得控制點(diǎn)的坐標(biāo)成果。 GPS 定位方法主要有偽距法和載波相位測(cè)量法。

3 GPS 測(cè)量的特點(diǎn)

GPS 測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：

3.1 在大地控制測(cè)量中精度高。 GPS 控制測(cè)量的精度在大地控制測(cè)量中高于常規(guī)利用全站儀進(jìn)行的三角測(cè)量。

3.2 測(cè)站之間不需通視。 GPS 測(cè)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和測(cè)量的實(shí)際需要確定點(diǎn)位， 選點(diǎn)和測(cè)量工作更加靈活方便。

3.3 儀器操作簡(jiǎn)單、觀測(cè)方便。 測(cè)量人員只需對(duì)中、整平、量取GPS 天線高及開(kāi)機(jī)后設(shè)定參數(shù)，GPS 接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄，操作已達(dá)智能化。

3.4 可進(jìn)行全天候作業(yè)。GPS 接收的衛(wèi)星數(shù)目較多，且分布均勻，可在任何時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。

3.5 在工程測(cè)量中應(yīng)用廣泛。GPS 可用于精密工程，如控制網(wǎng)測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、隧道貫通測(cè)量，也可用于測(cè)繪各種比例尺地形圖和施工放樣。

3.6 GPS 測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度優(yōu)于其他測(cè)量方法。

4 工程實(shí)例

某電廠因工程施工需要建立高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)，要求在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)12 個(gè)控制點(diǎn)，控制網(wǎng)的平面點(diǎn)位精度要求在2mm 以內(nèi)。 其主要目的和作用是：為廠區(qū)內(nèi)各級(jí)控制網(wǎng)的建立、 廠區(qū)形變監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)， 為廠區(qū)內(nèi)建（構(gòu)）筑物施工定位、放樣測(cè)量、設(shè)備安裝測(cè)試及局部控制網(wǎng)加密提供依據(jù)。

控制網(wǎng)測(cè)量在施工初期通視性較好， 隨著施工的進(jìn)行， 控制點(diǎn)的通視性越來(lái)越差， 全站儀的測(cè)量也更加困難。 為了找到更加可行的測(cè)量方法，在本工程項(xiàng)目中利用全站儀進(jìn)行三角測(cè)量的同時(shí)， 利用GPS 對(duì)部分控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)兩種測(cè)量方法獲得的成果進(jìn)行比較，研究應(yīng)用GPS 建立高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)的可行性， 并為日后利用GPS 進(jìn)行測(cè)量提供實(shí)踐依據(jù)。

4.1 控制網(wǎng)觀測(cè)方案的設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)的觀測(cè)方案按照規(guī)范要求[2]，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況和三角測(cè)量、GPS 測(cè)量的特點(diǎn)與具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1.1 三角測(cè)量方案

圖1

三角測(cè)量利用TC2003 全站儀進(jìn)行測(cè)量，水平角采用全圓觀測(cè)法觀測(cè)6 個(gè)測(cè)回， 垂直角采用對(duì)向觀測(cè)中絲法觀測(cè)3 個(gè)測(cè)回。 邊長(zhǎng)采用正倒鏡往返觀測(cè)3 測(cè)回測(cè)量斜邊，最終結(jié)果取平均值。 同時(shí)，在測(cè)量邊長(zhǎng)時(shí)測(cè)線的兩端測(cè)量溫度和氣壓，在內(nèi)業(yè)中進(jìn)行邊長(zhǎng)氣象改正。 控制網(wǎng)圖如圖1。

4.1.2 GPS 測(cè)量方案

為了使GPS 測(cè)量獲得精度較高的數(shù)據(jù)，在12 個(gè)控制點(diǎn)中選擇8 個(gè)測(cè)站進(jìn)行測(cè)量，要求上空盡可能開(kāi)闊，在15高度角以上沒(méi)有成片的障礙物,周圍約200m 的范圍內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)電磁波干擾源,并且測(cè)站要遠(yuǎn)離對(duì)電磁波信號(hào)反射強(qiáng)烈的地點(diǎn)[3]。

GPS 測(cè)量采用四臺(tái)Leica 雙頻GPS 接收機(jī)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)GPS 接收機(jī)安置在觀測(cè)墩強(qiáng)制歸心基座上。 設(shè)置衛(wèi)星截止高度角大于15，有效衛(wèi)星總數(shù)不少于6 個(gè)，重復(fù)觀測(cè)時(shí)段數(shù)不少于2 個(gè)時(shí)段，歷元采樣時(shí)間間隔為15s，GDOP值小于6，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度大于90min。 采用靜態(tài)測(cè)量作業(yè)模式進(jìn)行測(cè)量， 當(dāng)GDOP 值大于6 時(shí)， 適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。 GPS 測(cè)量時(shí)確保一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，并對(duì)異步環(huán)中相鄰很近的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同步觀測(cè)， 以提高整個(gè)網(wǎng)的相對(duì)精度。 控制網(wǎng)圖如圖2。

圖2

4.2 數(shù)據(jù)處理

本次三角網(wǎng)測(cè)量， 共組成16 個(gè)三角形， 總邊長(zhǎng)13260.1410m,平均邊長(zhǎng)378.8610m，最小邊長(zhǎng)88.3790m，最大邊長(zhǎng)835.313m， 三角形最大內(nèi)角閉合差為3.45″，最小為0.01″。

三角測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)限差符合規(guī)范要求后, 使用南方公司的南方平差易2005 平差軟件以A01為起算點(diǎn)，以A01-A04 為起算方向進(jìn)行平差處理。平差前方向中誤差0.54″，經(jīng)平差后，最大點(diǎn)位誤差[A14]=1.4mm，最小點(diǎn)位誤差[A12]=1.0mm，平均點(diǎn)位誤差=1.2mm，最大點(diǎn)間誤差=2.7mm，最大邊長(zhǎng)比例誤差1/161685，平面網(wǎng)驗(yàn)后單位權(quán)中誤差=0.70s。 平差結(jié)果表明，三角測(cè)量方法在本次測(cè)量中取得較高的精度。

GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)處理先利用天寶GPS 測(cè)量平差軟件進(jìn)行基線解算，解算出的基線比率和參考變量均符合要求。最后導(dǎo)出基線解算成果，利用CosaGPS 平差軟件，增加已知邊長(zhǎng)與方位角的多種方法進(jìn)行平差計(jì)算， 平差結(jié)果如下：

4.2.1 利用兩個(gè)已知坐標(biāo)進(jìn)行二維約束平差， 最弱點(diǎn)A14 的點(diǎn)位中誤差為1.7mm， 最弱邊SA02-A10 的邊長(zhǎng)比例誤差為1/189000。

4.2.2 利用兩個(gè)已知坐標(biāo)與兩個(gè)已知邊長(zhǎng)進(jìn)行二維約束平差， 最弱點(diǎn)A14 的點(diǎn)位中誤差為1.5mm， 最弱邊SA10-A02 的邊長(zhǎng)比例誤差為1/177000。

4.2.3 利用兩個(gè)已知坐標(biāo)與三個(gè)已知邊長(zhǎng)進(jìn)行二維約束平差， 最弱點(diǎn)A14 的點(diǎn)位中誤差為1.4mm， 最弱邊SA02-A10 的邊長(zhǎng)比例誤差為1/184000。

4.2.4 利用兩個(gè)已知坐標(biāo)、 三個(gè)已知邊長(zhǎng)和一個(gè)已知的方位角進(jìn)行二維約束平差， 最弱點(diǎn)A14 的點(diǎn)位中誤差為1.2mm， 最弱邊SA10-A02 的邊長(zhǎng)比例誤差為1/174000。

4.3 成果比較

4.3.1 邊長(zhǎng)成果比較[4]

為了檢驗(yàn)GPS 測(cè)量的邊長(zhǎng)成果可靠性，利用TC2003全站儀觀測(cè)經(jīng)氣象改正后的邊長(zhǎng)， 與GPS 二維約束平差后的邊長(zhǎng)進(jìn)行比較。

通過(guò)表1 的多種GPS 平差結(jié)果的邊長(zhǎng)與TC2003 全站儀測(cè)量的邊長(zhǎng)的比較可以看出， 隨著GPS 平差已知條件增加，GPS 二維約束平差后的邊長(zhǎng)與TC2003 全站儀觀測(cè)經(jīng)氣象改正后的邊長(zhǎng)整體上越來(lái)越接近， 說(shuō)明增加GPS 平差中已知條件，可以提高GPS 測(cè)量邊長(zhǎng)的精度。因而，在進(jìn)行GPS 測(cè)量時(shí)，只要統(tǒng)籌考慮觀測(cè)時(shí)間和測(cè)量中影響到GPS 測(cè)量精度的因素，選擇質(zhì)量較好、精度較高的儀器，設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)形，避開(kāi)不利因素進(jìn)行測(cè)量，充分利用高精度的已知數(shù)據(jù)參與GPS 二維平差，GPS 測(cè)量邊長(zhǎng)就可以達(dá)到精密工程測(cè)量的要求。

4.3.2 坐標(biāo)成果比較

為了檢查GPS 平差坐標(biāo)精度的可靠性， 對(duì)三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)與GPS 二維約束平差后獲得的坐標(biāo)進(jìn)行比較[5]。

通過(guò)表2 多種GPS 二維約束平差后獲得的坐標(biāo)與三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)的比較可以看出：GPS 二維約束平差后的坐標(biāo)與三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)有差別， 但隨著GPS 平差已知條件的增加，GPS 二維約束平差后獲得的坐標(biāo)接近三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)。 因而在GPS 的數(shù)據(jù)平差處理中，增加高精度的已知數(shù)據(jù)參與約束平差，可以獲得較高的GPS 測(cè)量坐標(biāo)精度。

表1 全站儀測(cè)量的邊長(zhǎng)與GPS 二維約束平差的邊長(zhǎng)比較

表2 三角測(cè)量平差坐標(biāo)與GPS 二維約束平差的坐標(biāo)比較

5 結(jié)論

分析工程實(shí)例中的數(shù)據(jù)，我們可看出：

5.1 在GPS 測(cè)量中參與二維平差的已知數(shù)據(jù)越多，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差越小。

5.2 隨著已知數(shù)據(jù)的增加，GPS 測(cè)量二維平差數(shù)據(jù)越接近高精度的三角測(cè)量平差數(shù)據(jù)。

5.3 GPS 測(cè)量中只要觀測(cè)方法采用得當(dāng)， 有適當(dāng)高精度已知數(shù)據(jù)參與平差，GPS 測(cè)量的坐標(biāo)就可以達(dá)到2mm 的點(diǎn)位精度。

由此可見(jiàn)，當(dāng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的通視條件較差，控制網(wǎng)圖形條件達(dá)不到要求，利用全站儀測(cè)量難以達(dá)到精度要求時(shí)，利用GPS 進(jìn)行測(cè)量，并在GPS 平差中加入全站儀測(cè)量的高精度邊和方位角作為已知數(shù)據(jù)， 在GPS 的平差軟件中進(jìn)行二維約束平差，可以提高控制網(wǎng)測(cè)量精度。 但需要有適當(dāng)高精度已知數(shù)據(jù)才能達(dá)到工程施工測(cè)量的要求，這就需要配合使用高精度的全站儀。 同時(shí)，GPS 測(cè)量精度還受到作業(yè)的環(huán)境、儀器性能和軟件功能的影響，如何降低甚至消除這些影響，GPS 測(cè)量如何進(jìn)行才能獨(dú)立地完成高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)的建立， 還需要較長(zhǎng)時(shí)間的探索和進(jìn)一步研究。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS 測(cè)量的精度會(huì)越來(lái)越高，其將在高精度工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 18314-2001.全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB50026-2007.工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［3］王增學(xué). 如何提高GPS 在工程測(cè)量應(yīng)用中的精度［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（1）：62-66.

［4］蘇永年.GPS 網(wǎng)與測(cè)邊網(wǎng)在施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究［J］.四川測(cè)繪，2001，24（4）：7-101.

［5］張小望，楊錦.GPS 在大型電廠高精度廠區(qū)控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.電力勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2005（2）：43-48.