GPS在高精度工程測量控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究

包月長

（貴陽市測繪院 貴州貴陽 550000）

GPS在高精度工程測量控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究

包月長

（貴陽市測繪院 貴州貴陽 550000）

新時期，將GPS測量技術(shù)應(yīng)用于高精度監(jiān)測控制網(wǎng)中，能夠在很大程度上提高監(jiān)測工作效率。GPS測量技術(shù)測量定位具有高精度、高效益、全天候，并且無需通視等優(yōu)點，因此，被廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域。本文以GPS技術(shù)在某電廠工程高精度變形監(jiān)測控制網(wǎng)中的應(yīng)用為研究實例，詳細探究控制網(wǎng)觀測方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、以及應(yīng)用成果比較。

GPS技術(shù)；高精度工程測量控制網(wǎng)；應(yīng)用

引言

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，GPS接收機質(zhì)量和精度不斷提高，大大拓展了它的應(yīng)用范圍和在工程測量中的應(yīng)用。

1 GPS簡介

1.1 GPS構(gòu)成

GPS系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。

（1）GPS系統(tǒng)的空間部分指的是GPS工作衛(wèi)星星座，共有24顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星，所有的衛(wèi)星均勻分布在6個軌道上。軌道平面呈55°傾角，軌道平均高度20200km。

（2）GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分由主控站、信息注入站和監(jiān)測站等地面站組成。

（3）GPS系統(tǒng)的用戶設(shè)備主要由微機處理機、GPS接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件以及終端設(shè)備組成。

1.2 GPS測量的技術(shù)特性

GPS技術(shù)屬于最新的空間定位技術(shù)，其技術(shù)點主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）區(qū)域范圍小，網(wǎng)中基線邊短，GPS接收機的衛(wèi)星信號具有基本相同的誤差特性，而公共誤差可以相互抵消。因此，只需制定合理的觀測方案設(shè)計，即可獲得高精度觀測結(jié)果。

（2）采用精密衛(wèi)星星歷。精密定位的基礎(chǔ)是精密衛(wèi)星星歷，能夠幫助被調(diào)制在L1載波上的包含GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星軌道信息等多種信號分量，獲得最精準(zhǔn)的觀測值。

衛(wèi)星軌道誤差對基線邊的影響一般在下式范圍：

|△r|＜|△b|＜|△r|10|r||b|4|r|

式中：△r——衛(wèi)星的軌道誤差矢量；

r——衛(wèi)星到觀測站的位移矢量；

b——兩觀測站之間的基線矢量；

△b——觀測基線邊的誤差矢量。

（3）測量精度高。GPS測量能取得極高的相對精度，其基線向量的相對精度可達到10-5～10-8，如果觀測方法合理，則精度可達毫米級甚至亞毫米級。

（4）不需要通視條件，工作點選擇靈活。與傳統(tǒng)的測量方式相比，GPS測量無需考慮站點間的相互通視，增強了工作點選擇的靈活性。

（5）自動化程度高，可實現(xiàn)全天候自動觀測。GPS系統(tǒng)是一種單程系統(tǒng)，一般用戶只需接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，信號接收可以晝夜觀測，而且GPS外業(yè)觀測操作簡單，具有低成本、高效率以及自動化程度高等優(yōu)點。

2 工程實例

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

控制網(wǎng)測量在施工初期通視性較好，隨著施工的進行，控制點的通視性越來越差，全站儀的測量也更加困難。為了找到更加可行的測量方法，在本工程項目中利用全站儀進行三角測量的同時，利用GPS對部分控制點進行測量，對兩種測量方法獲得的成果進行比較，研究應(yīng)用GPS建立高精度工程測量控制網(wǎng)的可行性，并為日后利用GPS進行測量提供實踐依據(jù)。

2.1 控制網(wǎng)觀測方案的設(shè)計

控制網(wǎng)的觀測方案按照規(guī)范要求，依據(jù)現(xiàn)場具體情況和三角測量、GPS測量的特點與具體要求進行設(shè)計。

2.1.1 三角測量方案

三角測量利用TC2003全站儀進行測量，水平角采用全圓觀測法觀測6個測回，垂直角采用對向觀測中絲法觀測3個測回。邊長采用正倒鏡往返觀測3測回測量斜邊，最終結(jié)果取平均值。同時，在測量邊長時測線的兩端測量溫度和氣壓，在內(nèi)業(yè)中進行邊長氣象改正。控制網(wǎng)圖如圖1。

2.1.2 GPS測量方案

為了使GPS測量獲得精度較高的數(shù)據(jù)，在12個控制點中選擇8個測站進行測量，要求上空盡可能開闊，在15高度角以上沒有成片的障礙物，周圍約200m的范圍內(nèi)沒有強電磁波干擾源，并且測站要遠離對電磁波信號反射強烈的地點。

y表示被解釋變量，即個人的社會地位。edu1表示高等教育變量，Xi表示性別、健康、社會態(tài)度等控制變量。β1表示高等教育的社會地位回報，λi表示相應(yīng)控制變量的回歸系數(shù)，具體回歸結(jié)果如表2所示。

圖1 控制網(wǎng)圖

GPS測量采用四臺Leica雙頻GPS接收機進行，測量時GPS接收機安置在觀測墩強制歸心基座上。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，重復(fù)觀測時段數(shù)不少于2個時段，歷元采樣時間間隔為15s，GDOP值小于6，觀測時段長度大于90min。采用靜態(tài)測量作業(yè)模式進行測量，當(dāng)GDOP值大于6時，適當(dāng)延長觀測時間。GPS測量時確保一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，并對異步環(huán)中相鄰很近的兩個點進行同步觀測，以提高整個網(wǎng)的相對精度?？刂凭W(wǎng)圖如圖2。

圖2 控制網(wǎng)圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次三角網(wǎng)測量，共組成16個三角形，總邊長13260.1410m，平均邊長378.8610m，最小邊長88.3790m，最大邊長835.313m，三角形最大內(nèi)角閉合差為 3.45″，最小為 0.01″。

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

GPS測量數(shù)據(jù)處理先利用天寶GPS測量平差軟件進行基線解算，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，增加已知邊長與方位角的多種方法進行平差計算，平差結(jié)果如下：

（1）利用兩個已知坐標(biāo)進行二維約束平差，最弱點A14的點位中誤差為1.7mm，最弱邊SA02-A10的邊長比例誤差為1/189000。

（2）利用兩個已知坐標(biāo)與兩個已知邊長進行二維約束平差，最弱點A14的點位中誤差為1.5mm，最弱邊SA10-A02的邊長比例誤差為1/177000。

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

表1 三角測量平差坐標(biāo)與GPS二維約束平差的坐標(biāo)比較

2.3 成果比較

為了檢查GPS平差坐標(biāo)精度的可靠性，對三角測量平差獲得的坐標(biāo)與GPS二維約束平差后獲得的坐標(biāo)進行比較。

通過表1多種GPS二維約束平差后獲得的坐標(biāo)，與三角測量平差獲得的坐標(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測量坐標(biāo)精度。

3 結(jié)語

GPS技術(shù)測量精度高，不易受到環(huán)境因素的影響，能夠在很大程度上提高工作質(zhì)量。GPS技術(shù)將徹底改變工程測量模式，可以直接進行實地實時放樣、點位測量等。GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。由此可見，將GPS技術(shù)應(yīng)用于高精度工程測量控制網(wǎng)中具有十分重要的作用。

[1]韋興劍.GPS技術(shù)及其在工程測量中的應(yīng)用研究[J].科協(xié)論壇（下半月），2009（04）：25～26.

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[3]戴隆華，馬學(xué)良，聞洪峰.GPS在帶狀控制測量應(yīng)用中一些相關(guān)問題的探討[J].測繪與空間地理信息，2010（06）：63～64.

P228.4

A

1004-7344（2016）01-0153-02

2015-8-20

包月長（1972-），正安人，高級工程師，本科，主要從事測繪工作。