GPS測(cè)量在第26屆大運(yùn)會(huì)（體育中心）施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用

姜信東

（江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊(duì)，江西鷹潭335000）

GPS測(cè)量在第26屆大運(yùn)會(huì)（體育中心）施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用

姜信東*

（江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊(duì)，江西鷹潭335000）

簡(jiǎn)述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯得其優(yōu)越性，無(wú)誤差傳遞和誤差積累，定位精度高。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行基線(xiàn)結(jié)算及平差計(jì)算，避免了人為誤差?？偨Y(jié)了GPS用于工程測(cè)量所具有的特點(diǎn)，介紹了GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例。

GPS；GPS定位原理；應(yīng)用實(shí)例；選點(diǎn)；觀測(cè)；平差計(jì)算；中誤差

GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的功能，能提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間參數(shù)。GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)量等領(lǐng)域，并在軍事、通訊、交通、管理及天文的眾多領(lǐng)域得到了極其廣泛的運(yùn)用。本文介紹了GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用，并提出幾點(diǎn)體會(huì)。

1　GPS簡(jiǎn)介

1.1GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要由GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)及用戶(hù)設(shè)備部分—GPS接收機(jī)組成。

（1）GPS衛(wèi)星：GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55°，平均高度為20200km，運(yùn)行周期11h58min，位于地平線(xiàn)以上的衛(wèi)星則隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可看見(jiàn)4顆，最多可看間11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了解算測(cè)站的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，稱(chēng)為定位星座。

（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)：GPS衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站以及通訊與輔助系統(tǒng)組成。主控站的任務(wù)是收集處理本站和監(jiān)測(cè)站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時(shí)間系統(tǒng)，將預(yù)測(cè)的衛(wèi)星星歷鐘差狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正編制成導(dǎo)航電文送到注入站。再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。

（3）用戶(hù)部分：用戶(hù)部分是由用戶(hù)及GPS接收機(jī)等儀器組成。其任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線(xiàn)解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心（測(cè)站點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。

1.2GPS的定位原理

GPS定位原理是根據(jù)測(cè)量學(xué)中測(cè)距交會(huì)法來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖1）。在測(cè)站點(diǎn)P設(shè)置GPS接收機(jī)，在t1時(shí)刻GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)得P點(diǎn)至3顆GPS衛(wèi)星s1、s2、s3的距離ρ1、ρ2、ρ3，通過(guò)GPS電文解譯出該時(shí)刻3顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)分別為（Xj,Yj,Zj）,j=1,2,3。用距離交會(huì)的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）的觀測(cè)方程為：

1.3GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來(lái)講，GPS測(cè)量具有以下特點(diǎn)：

（1）定位精度高GPS的工程應(yīng)用表明，其相對(duì)定位精度在50km以?xún)?nèi)可達(dá)10-6，在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測(cè)的解，其平均平面誤差小于1mm。

（2）觀測(cè)站之間無(wú)需通視。

圖1　GPS定位原理圖

（3）觀測(cè)時(shí)間短。

（4）提供三維坐標(biāo)，GPS測(cè)量在精確測(cè)定測(cè)站平面位置時(shí)，還可以精確測(cè)定測(cè)站的大地高程，其精度可滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

（5）操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)、功能多、應(yīng)用廣。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)體育中心位于深圳市龍崗中心區(qū)，場(chǎng)地的北、東、南三面為市政道路，分別為如意路、黃閣路和龍翔大道，西面為正在建設(shè)的龍興路。場(chǎng)地占地面積約1km2，其中運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館占地約0.6km2。為確保主體工程的控制精度和工程進(jìn)度，大運(yùn)中心施工控制網(wǎng)決定采用GPS測(cè)量。

2.2GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)依據(jù)。

《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ8-99）；

《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314-2001）；

《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）；

本工程招標(biāo)文件。

（2）設(shè)計(jì)精度。根據(jù)工程需要選擇D級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)，要求平均邊長(zhǎng)小于2km,約束平差后最弱邊相對(duì)中誤差不大于1/40000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度：±（5+1×10-6×D）mm，固定誤差a≤5，比例誤差b≤（1×10-6×D）。

（3）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形。本控制網(wǎng)共布設(shè)由9個(gè)待求的GPS D級(jí)點(diǎn)，編號(hào)分別為IVDY1、IVDY2…IVDY9，編號(hào)含義為：IV表示為四等精度（相當(dāng)與GPS的D級(jí)精度），DY為大運(yùn)的拼音縮寫(xiě)，1～9為順序號(hào)，3個(gè)國(guó)家四等GPS點(diǎn)GPS L050、GPS L096、GPS L028（又名求水嶺東）作為本控制網(wǎng)的起算點(diǎn)，高程控制點(diǎn)6個(gè)（IVDY2、IVDY3、IVDY4、IVDY5、IVDY7、IVDY8，其高程由二等水準(zhǔn)測(cè)得），高程控制采用水準(zhǔn)點(diǎn)Ⅲ公荷8作為高程控制起算點(diǎn)。采用4臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成多邊形（圖2）。

圖2　控制點(diǎn)布點(diǎn)圖

2.3GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

（1）選點(diǎn)。所選GPS點(diǎn)位能保證衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測(cè)和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量，測(cè)站上空開(kāi)闊，點(diǎn)周?chē)叨冉?5°以上無(wú)障礙物遮擋，避免大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線(xiàn)等強(qiáng)電磁波的干擾，點(diǎn)位至少與相鄰2個(gè)方向通視，并能比較方便下一級(jí)控制點(diǎn)的施測(cè)。

（2）基巖標(biāo)和墩標(biāo)的埋石。本控制網(wǎng)埋設(shè)3個(gè)墩標(biāo)和4個(gè)基巖標(biāo)，墩標(biāo)和基巖標(biāo)的規(guī)格按《城市測(cè)量規(guī)范》要求執(zhí)行。

選點(diǎn)埋石工作于2008年5月10日完成，埋石完成后標(biāo)石穩(wěn)定3周時(shí)間，之后再進(jìn)行GPS觀測(cè)和平差計(jì)算。

（3）觀測(cè)。采用4臺(tái)華測(cè)X90和X20雙、單頻GPS接收機(jī)，進(jìn)行GPS靜態(tài)相對(duì)定位方法進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)前編制了GPS衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)報(bào)表和詳細(xì)的觀測(cè)計(jì)劃表，按計(jì)劃表確定的觀測(cè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。

控制網(wǎng)的觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)：

①作業(yè)技術(shù)指標(biāo)：采用靜態(tài)相對(duì)定位方法施測(cè)，同步作業(yè)圖形之間采用點(diǎn)、邊連接的方式；

②同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)不小于4顆；

③觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度不小于45min；

④平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)不小于1.6（觀測(cè)時(shí)段數(shù)）；

⑤數(shù)據(jù)采樣間隔15s；

⑥天線(xiàn)高在觀測(cè)前、后各量測(cè)1次，每次在3個(gè)互成120°的方向上量測(cè)3個(gè)讀數(shù)，讀數(shù)至1mm，互差不大于3mm，GPS觀測(cè)按規(guī)定都填寫(xiě)了測(cè)站手簿。

2.4控制網(wǎng)平差計(jì)算

GPS靜態(tài)定位測(cè)量采用WGS-84參考橢球，使用華測(cè)專(zhuān)用GPS處理軟件《Compass標(biāo)準(zhǔn)版》對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和平差計(jì)算，平差后將成果直接歸算至深圳獨(dú)立坐標(biāo)系（成果見(jiàn)表1）。

表1　GPS坐標(biāo)及高程成果表

邊長(zhǎng)精度和點(diǎn)位精度的分析和統(tǒng)計(jì)：最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為（IVDY5～I(xiàn)VDY6）：1/75928，小于規(guī)范規(guī)定的1/40000，該邊邊長(zhǎng)為295.839。

根據(jù)規(guī)范，GPS D級(jí)網(wǎng)相鄰點(diǎn)間基線(xiàn)長(zhǎng)度精度按下式表示：

式中：σ——中誤差；

A——固定誤差，A≤5mm；

B——比例誤差，B≤1mm；

d——相鄰點(diǎn)間平均邊長(zhǎng)。

按上式計(jì)算本控制網(wǎng)最弱邊中誤差不大于：

σ≤±5.01(mm)

實(shí)際平差后統(tǒng)計(jì)的該邊長(zhǎng)中誤差為：

σ=±3.9(mm)

本控制網(wǎng)最弱點(diǎn)（IVDY6）點(diǎn)位中誤差為：

σ=±5.2(mm)

其各項(xiàng)精度符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論與分析

（1）根據(jù)GPS網(wǎng)三維無(wú)約束平差和二維約束平差的結(jié)果可見(jiàn)，本次GPS測(cè)量成果的精度達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求，成果質(zhì)量是可靠的。

（2）GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯得其優(yōu)越性。但由于本測(cè)區(qū)條件限制，有較短邊（邊長(zhǎng)295.839）出現(xiàn)，基線(xiàn)相對(duì)精度較低，因此當(dāng)測(cè)區(qū)有短邊出現(xiàn)時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)，可優(yōu)先選用單頻GPS接收機(jī)，有效地消除電離層影響。

（3）GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受到地形條件限制，造成樹(shù)木遮擋、測(cè)站上空高度角達(dá)不到要求，影響衛(wèi)星信號(hào)的接收，因此應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求選點(diǎn)，選擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、步話(huà)機(jī)等無(wú)線(xiàn)信號(hào)對(duì)GPS接收機(jī)的影響。

（4）GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，但其基線(xiàn)向量的解算是一個(gè)復(fù)雜的平差過(guò)程。實(shí)際處理時(shí)要顧及觀測(cè)時(shí)段中信號(hào)間斷引起的數(shù)據(jù)剔除、劣質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)及剔除、星座變化引起的整周未知參數(shù)的增加，進(jìn)一步消除傳播延遲改正以及對(duì)接收機(jī)鐘差重新評(píng)估等問(wèn)題。因此GPS定位基線(xiàn)處理后應(yīng)對(duì)其結(jié)果作觀測(cè)值殘差、基線(xiàn)長(zhǎng)度的精度、雙差固定解與雙差實(shí)數(shù)解的分析。

[1]劉大杰，施一民，過(guò)靜君.全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[2]張希黔，黃聲享，姚剛.GPS在建筑施工中的應(yīng)用[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]GB/T18314-2001全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4]GB 50026-2007工程測(cè)量規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[5]CJJ8-99城市測(cè)量規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

P228.4

B

1004-5716(2015)07-0103-03

2014-07-10

2014-07-14

姜信東（1966-），男（漢族），江西鷹潭人，助理工程師，現(xiàn)從事工程測(cè)量技術(shù)工作。