GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

（河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì) 河北邯鄲056201）

（河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì) 河北邯鄲056201）

作為21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，GPS系統(tǒng)因其方便靈活、易于普及推廣，在導(dǎo)航、軍事、氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了GPS系統(tǒng)的組成以及GPS中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)基準(zhǔn)站任意架設(shè)在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。

GPS RTK工程測(cè)量基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)應(yīng)用

作為21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，GPS系統(tǒng)能為全球范圍內(nèi)為眾多用戶提供高精度、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)的三維定位、三維測(cè)速和授時(shí)，使用方便靈活、易于普及推廣，在導(dǎo)航、氣象等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在測(cè)繪行業(yè)中，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)方式，提高了工作效率，也帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 GPS系統(tǒng)的概述

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）是美國(guó)從1973年開始籌建的，該系統(tǒng)可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。其主要有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。GPS的空間星座部分由24顆均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星組成；GPS的地面監(jiān)控部分負(fù)責(zé)衛(wèi)星的監(jiān)控和衛(wèi)星星歷的計(jì)算，它包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站；GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過(guò)用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。

將GPS用于測(cè)繪方面主要因以下技術(shù)特點(diǎn)：

1.1 測(cè)站之間無(wú)需通視

測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS的這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便，但測(cè)站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。

1.2 定位精度高

一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而全站儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與全站儀測(cè)量精度相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量的優(yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100~500km的基線上可達(dá)10-6~10-7。

1.3 觀測(cè)時(shí)間短

采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30~40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。例如使用Trimble5800型雙頻GPS接收機(jī)的RTK測(cè)量可在5s以內(nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

1.4 提供三維坐標(biāo)

GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

除唱片(專輯)音樂(lè)、數(shù)字音樂(lè)、演唱會(huì)音樂(lè)外，還有近年來(lái)逐漸興起的音樂(lè)選秀節(jié)目。2004年《超級(jí)女聲》開啟了“選秀時(shí)代”，隨之而來(lái)的《中國(guó)好聲音》、《我是歌手》、《天籟之聲》等節(jié)目，獲得經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏。同時(shí)，也掀起一陣音樂(lè)產(chǎn)業(yè)的“狂熱風(fēng)”。綜藝音樂(lè)將音樂(lè)與電視藝術(shù)相結(jié)合，成為音樂(lè)產(chǎn)業(yè)獨(dú)特的展現(xiàn)出音樂(lè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨式。在熱播的綜藝節(jié)目中，音樂(lè)類節(jié)目占具重要份額。然而，大批量選秀音樂(lè)節(jié)目的涌現(xiàn)，導(dǎo)致節(jié)目質(zhì)量下降、復(fù)制跟風(fēng)、創(chuàng)造力嚴(yán)重匱乏等問(wèn)題。

1.5 操作簡(jiǎn)便

GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨于小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中，整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的獲取，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。

1.6 全天候作業(yè)

GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)進(jìn)行，一般不受天氣狀況影響。

2 GPS系統(tǒng)在工程測(cè)量的應(yīng)用前景

目前GPS系統(tǒng)主要應(yīng)用于地形測(cè)圖。就是為城市、礦區(qū)以及為各種工程提供不同比例尺的地形圖。特別是地籍及房地產(chǎn)測(cè)量能精確測(cè)定土地權(quán)屬界址點(diǎn)的位置，同時(shí)能為土地和房產(chǎn)管理部門提供大比例尺的地籍平面圖和房產(chǎn)圖，并量算土地和房屋面積。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用，為城市控制測(cè)量的數(shù)字化、精度化和科學(xué)化提供了有效工具，從而滿足了城市規(guī)劃和各種經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。

常規(guī)控制測(cè)量如三角測(cè)量，通常是先布設(shè)控制網(wǎng)點(diǎn)，依據(jù)加密的控制點(diǎn)和圖根控制點(diǎn)，測(cè)定地物點(diǎn)和地形點(diǎn)在圖上的位置并按照一定的規(guī)律和符號(hào)繪制成平面圖，這種方法要求點(diǎn)間通視，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且精度不均勻，外業(yè)中不知道測(cè)量成果的精度。

GPS靜態(tài)、快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量無(wú)需測(cè)量點(diǎn)相互通視，能夠高精度地進(jìn)行各種工程控制測(cè)量，但是這種測(cè)量方式不能實(shí)時(shí)定位并知道定位精度，內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求必須返工測(cè)量。

目前，GPS中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)應(yīng)用可觀。它是以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分技術(shù)，它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破，在工程測(cè)量中有廣闊的應(yīng)用前景，而用RTK技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量既能實(shí)時(shí)知道定位結(jié)果，又能實(shí)時(shí)知道定位精度。RTK技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站GPS接收機(jī)，流動(dòng)站快速求解整周模糊度，在觀測(cè)到四顆衛(wèi)星后，可以實(shí)時(shí)求解出厘米級(jí)的流動(dòng)站動(dòng)態(tài)位置，這樣可以大大提高作業(yè)效率。因此，除了高精度的控制測(cè)量仍采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)之外，RTK技術(shù)即可用于地形測(cè)圖中的控制測(cè)量，地籍和房地產(chǎn)測(cè)量中的控制測(cè)量和界址點(diǎn)點(diǎn)位的測(cè)量。

3 GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)

在GPS（RTK）外業(yè)測(cè)量工作中，采集器手薄中默認(rèn)建立的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，無(wú)投影、無(wú)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。我們可以通過(guò)點(diǎn)校正求解出WGS-84坐標(biāo)到地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在用點(diǎn)校正方法解算到地方獨(dú)立坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，GPS（RTK）測(cè)量模式的基準(zhǔn)站架設(shè)位置可任意選取。

GPS(RTK)測(cè)量之前，首先要在采集器手薄所建立的工程文件中建立用戶坐標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)用戶沒(méi)有現(xiàn)成的從WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)到用戶坐標(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，可先進(jìn)行點(diǎn)校正測(cè)量及轉(zhuǎn)換計(jì)算，GPS點(diǎn)校正過(guò)程建立了GPS接收機(jī)采集的WGS-84數(shù)據(jù)與地方控制位置之間的換算關(guān)系（表達(dá)為海平面上的地方格網(wǎng)坐標(biāo)），它采用了一系列的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換（包括基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、平面轉(zhuǎn)換、高程轉(zhuǎn)換）。

經(jīng)過(guò)GPS點(diǎn)校正后進(jìn)行RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，GPS（RTK）系統(tǒng)基準(zhǔn)站的架設(shè)就不受地方控制點(diǎn)的約束，用戶可自行選擇上空比較開闊、無(wú)遮擋、無(wú)干擾、交通便利的理想位置，這不僅方便了用戶架設(shè)基準(zhǔn)站的位置選擇，而且有利于提高GPS外業(yè)測(cè)量的精度、還可縮短測(cè)量工期、減少工作成本、提高工作效益。其基準(zhǔn)站任意架設(shè)時(shí)，啟動(dòng)基準(zhǔn)站測(cè)量時(shí)的任務(wù)坐標(biāo)系統(tǒng)屬性要設(shè)置為無(wú)投影、無(wú)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的測(cè)量方式，并以當(dāng)?shù)攸c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)；流動(dòng)站任意坐標(biāo)系統(tǒng)屬性參數(shù)設(shè)置為點(diǎn)校正計(jì)算后所得的轉(zhuǎn)換參數(shù)。如此便有效地進(jìn)行了測(cè)區(qū)內(nèi)WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)到用戶地方坐標(biāo)系統(tǒng)的投影、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換及水準(zhǔn)面改正，其流動(dòng)站坐標(biāo)測(cè)量精度也較高，可廣泛應(yīng)用工程放樣測(cè)量及大比例尺數(shù)字化地形測(cè)量等。

4 GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)用于工程測(cè)量的方法及檢驗(yàn)

在某項(xiàng)工程中，用GPS（PTK）測(cè)量基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)進(jìn)行1：1000數(shù)字化地形測(cè)量，取得了良好的效果。

在該工程中，采用Trimble5800型雙頻GPS接收機(jī)，通過(guò)點(diǎn)校正測(cè)量、解算的方法建立了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系后，在進(jìn)行GPS RTK動(dòng)態(tài)測(cè)圖時(shí)，其基準(zhǔn)站位置未選擇在己知控制點(diǎn)上，而是選擇在一棟理想的建筑物樓頂。在測(cè)圖之前，流動(dòng)站首先在該工程基礎(chǔ)控制點(diǎn)E07及E04上進(jìn)行了測(cè)圖前的檢核測(cè)量工作，兩點(diǎn)三維坐標(biāo)較差值分別為：ΔX＝5mm、ΔY＝6mm、ΔZ＝8mm及ΔX＝4mm、ΔY＝3mm、ΔZ＝7mm。然后利用流動(dòng)站進(jìn)行地形圖的測(cè)量工作。

表1

測(cè)量工作結(jié)束后，我們用全站儀對(duì)用以上方法所測(cè)地形圖進(jìn)行了檢查測(cè)量。用GPS RTK系統(tǒng)與全站儀所測(cè)建筑物特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)比較如表1。

由以上數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為任意選取的）分析得出，GPS（RTK）測(cè)量基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)相對(duì)于全戰(zhàn)儀（儀器對(duì)中誤差≤3mm）在碎部測(cè)量時(shí)點(diǎn)位平面中誤差：

高程測(cè)量中誤差：

由此可見(jiàn)，應(yīng)用GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)所測(cè)得的成果，其精度指標(biāo)符合工程測(cè)量中有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

經(jīng)過(guò)本工程的檢驗(yàn)，GPS（RTK）測(cè)量基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)用于工程測(cè)量的方法省時(shí)省力，可達(dá)到較高的測(cè)繪精度；GPS（RTK）基準(zhǔn)站布設(shè)方法靈活多樣，受地形條件的影響小，是我們?cè)趯?shí)踐中總結(jié)出的較好方法。

5 結(jié)論

GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)操作簡(jiǎn)便易行，布點(diǎn)靈活，效益好、精度高，內(nèi)業(yè)處理快捷。隨著GPS自身的不斷完善，必將以高精度、高效率的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)贏得測(cè)繪工作者的青睞。

[1]全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用［M］，北京：測(cè)繪出版社，1995

[2]衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用［M］，北京：測(cè)繪出版社，1992

[3]GPS測(cè)量原理及應(yīng)用，武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998

[4]工程測(cè)量學(xué)［M］，北京：測(cè)繪出版社，1995

GPS（RTK）基準(zhǔn)站任意架設(shè)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

■李曉磊 賈景峰

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-224-2