GPS靜態(tài)作業(yè)在控制測(cè)量中的應(yīng)用探討

權(quán)君娟 李新寧

（寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司 寶雞 721015）

1 引言

近年來(lái)，隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的快速發(fā)展，GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)已完全成熟，GPS 逐漸在測(cè)圖、施工放樣、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)繪和地理信息數(shù)據(jù)采集等方面得到了充分的應(yīng)用。目前在測(cè)量工作中，測(cè)量工作者把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一種常用的工作方法，但GPS 靜態(tài)測(cè)量作為一種經(jīng)典的測(cè)量方法，仍然活躍于測(cè)量工作領(lǐng)域的各個(gè)方面，特別是在控制測(cè)量工作方面的應(yīng)用。本文將圍繞采用GPS靜態(tài)控制測(cè)量工作方法，全面介紹建立GPS 控制網(wǎng)的制作過(guò)程和方法，并著力闡述GPS 靜態(tài)測(cè)量的高效和高精度。

2 靜態(tài)GPS測(cè)量概述

2.1 GPS相對(duì)定位原理

用3 臺(tái)或3 臺(tái)以上GPS 接收機(jī)分別安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過(guò)同步觀測(cè)相同GPS 衛(wèi)星來(lái)確定多條基線向量。利用這些觀測(cè)量的不同給合（求差）進(jìn)行相對(duì)定位，可有效的消除或減弱相關(guān)誤差（如衛(wèi)星鈡差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等）的影響，故可提高相對(duì)位置的精度，從而使這種方法成為精密測(cè)量定位中主要的工作方法。

2.2 GPS靜態(tài)測(cè)量的特點(diǎn)

（1）測(cè)量精度高

GPS測(cè)量的相對(duì)精度一般在10-5-10-9，邊長(zhǎng)精度通?？梢赃_(dá)到10-6以上，這是地面常規(guī)測(cè)量方法很難達(dá)到的。

（2）選點(diǎn)靈活，無(wú)需通視

由于GPS 測(cè)量不要求測(cè)站間通視，因而選點(diǎn)時(shí)只用考慮外業(yè)觀測(cè)條件和應(yīng)用需求，大大提高了選點(diǎn)的靈活性，使控制網(wǎng)有較好的網(wǎng)形。

（3）可全天候作業(yè)

理論上，GPS 測(cè)量可以在任何時(shí)間、任何氣候條件下進(jìn)行。這一特點(diǎn)方便了觀測(cè)作業(yè)，有利按時(shí)、高效地完成控制網(wǎng)建立。

（4）操作簡(jiǎn)便

外業(yè)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度高，作業(yè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高、開機(jī)設(shè)置參數(shù)以及必要的記錄，剩下的觀測(cè)工作由接收機(jī)自動(dòng)完成。

（5）可獲得三維坐標(biāo)

GPS 測(cè)量可以直接測(cè)量定點(diǎn)的三維坐標(biāo)（大地經(jīng)緯度和大地高）。

3 靜態(tài)GPS測(cè)量應(yīng)用實(shí)例

以廣東省某市某鎮(zhèn)某村片區(qū)GPS 控制網(wǎng)為例，簡(jiǎn)單闡述GPS靜態(tài)控制和數(shù)據(jù)處理的原理及應(yīng)用。

3.1 測(cè)區(qū)概況

廣東省某市某鎮(zhèn)測(cè)區(qū)東以S365 省道為邊，南到西江，北至山邊，面積大約1.1 平方公里，地勢(shì)平坦，交通便捷。

儀器選用三臺(tái)中海達(dá)雙頻接收機(jī)（有效檢定期內(nèi)），作業(yè)方式采用混連式。精度指標(biāo)；其精度滿足CJJ73-97所規(guī)定的二級(jí)平面控制網(wǎng)精度。

3.2 選點(diǎn)、布網(wǎng)

GPS 靜態(tài)觀測(cè)是若干接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)而進(jìn)行的定位測(cè)量。測(cè)站之間不要求互相通視，GPS 觀測(cè)精度與衛(wèi)星分布有關(guān)，與地面測(cè)站位置構(gòu)成的幾何現(xiàn)狀無(wú)關(guān)。點(diǎn)位網(wǎng)的形狀選擇比較靈活，選點(diǎn)工作相對(duì)比較簡(jiǎn)單。因此，GPS點(diǎn)位適當(dāng)選擇，對(duì)整個(gè)控制測(cè)量項(xiàng)目順利完成有著重要意義。所以，根據(jù)本次控制測(cè)量的目的、精度、密度要求，在充分收集和了解測(cè)區(qū)范圍、地理位置、氣候、交通條件、人文等以及原有控制點(diǎn)的精度、分布和保存情況的基礎(chǔ)上，對(duì)本區(qū)進(jìn)行GPS點(diǎn)位的選定和布設(shè)。

3.2.1 選點(diǎn)原則

根據(jù)任務(wù)范圍和規(guī)范的要求，GPS 控制網(wǎng)以整個(gè)工作范圍為準(zhǔn)。首先在地形圖上進(jìn)行初選，然后根據(jù)初選方案，再進(jìn)行實(shí)地選點(diǎn)，選點(diǎn)應(yīng)遵守以下原則：

（1）測(cè)站周圍視野開闊，高度角15度以上不允許有成片的障礙物。測(cè)站上應(yīng)方便安置GPS接收機(jī)。

（2）遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電信號(hào)發(fā)射源（如電臺(tái)、電視臺(tái)、微波中繼站），與高壓輸電線、變壓器保持50米以上的距離，避免干擾。

（3）測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離高樓、圍墻、大樹、山坡及大面積平靜的水面（湖泊、池塘）等能引起較強(qiáng)信號(hào)反射物，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)。

（4）測(cè)站應(yīng)位于地質(zhì)條件良好、點(diǎn)位穩(wěn)定、易于保護(hù)的地方，并盡可能顧及交通等條件。

（5）充分利用符合要求的原控制點(diǎn)。

3.2.2 埋石

控制點(diǎn)的埋石采用現(xiàn)場(chǎng)澆注的方法進(jìn)行，事先在選點(diǎn)位置用電鉆孔，然后用混凝土將孔填充，最后將標(biāo)志鑲嵌在混凝土中，埋設(shè)后，用切割機(jī)進(jìn)行切割，統(tǒng)一編號(hào)，編號(hào)為；32Ⅱ001，32Ⅱ002，......，32Ⅱ22。具體埋設(shè)要求和編號(hào)如圖1所示。

控制點(diǎn)標(biāo)志埋設(shè)完成后，繪制點(diǎn)之記，并對(duì)控制點(diǎn)正面以及點(diǎn)位周圍明顯地物進(jìn)行拍照，拍照約4-6張，以表達(dá)出點(diǎn)位情況為準(zhǔn)，便于以后尋找。

圖1 控制點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)與編號(hào)

3.3 GPS控制網(wǎng)

如圖2：GPS控制網(wǎng)有34點(diǎn)組成，其中，新布設(shè)點(diǎn)22 個(gè)，原有控制E級(jí)點(diǎn)5個(gè)，導(dǎo)線點(diǎn)7個(gè)，其中32GE04、32GE06、32GE32（均為上級(jí)復(fù)檢最新成果）為起算點(diǎn)。以三角形作為基本圖形。

圖2 GPS控制網(wǎng)

4 外業(yè)觀測(cè)

4.1 外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求

以《衛(wèi)星定位需市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的GPSE級(jí)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，站點(diǎn)觀測(cè)大于1.6時(shí)段，每個(gè)時(shí)段大于等于40min。

4.2 觀測(cè)步驟

（1）安置接收機(jī)；將接收機(jī)架設(shè)在三角架上，進(jìn)行對(duì)中、整平、量取儀器高（儀器高要在接收機(jī)互120度方向量三次，互差小于3mm，取平均值）。

（2）開機(jī)觀測(cè)；開機(jī)正確設(shè)置觀測(cè)模式（靜態(tài)）、高度角（15°）和采樣間隔（30s）。

（3）觀測(cè)記錄；觀測(cè)者一律用鉛筆及時(shí)填寫GPS測(cè)量手簿各項(xiàng)內(nèi)容（接收機(jī)型號(hào)、測(cè)站名、時(shí)段號(hào)、高度角等），手寫要認(rèn)真細(xì)致，字跡清晰、工整、美觀。

（4）遷站；經(jīng)認(rèn)真檢查，所有預(yù)定的作業(yè)項(xiàng)目均已全面完成且符合要求，記錄和資料完整無(wú)誤，方可遷站。

4.3 觀測(cè)作業(yè)組的基本要求

（1）各作業(yè)組必須嚴(yán)格遵守調(diào)度命令，按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行開機(jī)、關(guān)機(jī)的操作。

（2）按要求進(jìn)行相關(guān)觀測(cè)記錄，不得改寫和涂改，不得轉(zhuǎn)抄和追記。讀寫有誤時(shí)，可用鉛筆整齊畫掉，將正確數(shù)據(jù)寫在上面并注記原因。

（3）觀測(cè)期間防止接收機(jī)震動(dòng)，不得移動(dòng)，要防止工作人員和其他物體碰動(dòng)接收機(jī)或遮擋信號(hào)。

（4）觀測(cè)時(shí)，在接收機(jī)50m 以內(nèi)不得使用電臺(tái)，10m以內(nèi)不得使用對(duì)講機(jī)和手機(jī)。

（5）觀測(cè)遇到雷雨天時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止觀測(cè)，防止雷擊。

（6）在一個(gè)時(shí)段的觀測(cè)過(guò)程中，不允許進(jìn)行下列操作：a、關(guān)機(jī)后重新啟動(dòng)接收機(jī)；b、進(jìn)行儀器自檢；c、隨意改變截止高度角或采樣間隔；d、按鍵關(guān)閉文件或刪除文件。

5 靜態(tài)數(shù)據(jù)處理

GPS 靜態(tài)數(shù)據(jù)都有專門的數(shù)據(jù)處理軟件，我們采用的是中海達(dá)HGO數(shù)據(jù)處理軟件。

5.1 數(shù)據(jù)處理流程（如圖3）

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

5.2 項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告（節(jié)選）

5.2.1 解算數(shù)據(jù)

觀測(cè)文件總數(shù)：129；站點(diǎn)個(gè)數(shù)：34；形成基線總

5.2.3 二維約束平差坐標(biāo)（部分）條數(shù)：128；形成重復(fù)條數(shù)：41；合格：41；不合格：0；形成同步環(huán)個(gè)數(shù)：42；合格：42；不合格：0；形成異步環(huán)個(gè)數(shù)：190；合格：190；不合格：0；……。

5.2.2 二維約束平差結(jié)果

基線條數(shù)：128；平差點(diǎn)數(shù)：34；基線標(biāo)準(zhǔn)差置信度（松弛因子）：10.00σ；Tau 檢驗(yàn)顯著水平：1.00%；單位權(quán)中誤差比：1.2098；x2 檢驗(yàn)值：234.6929；x2 理論范圍：147.0196-248.4853；x2檢驗(yàn)結(jié)果：True；

平面四參數(shù)：

X 平移（m）：-1739.54353 741482；Y 平移（m）：75610.6464 624293；旋轉(zhuǎn)：-000：14：27.92334；縮放：0.999952395 270672；……。

表1 平差坐標(biāo)表

……。

平差后最弱邊和最弱點(diǎn)

基線名：F6190482.zsd-F6200482.zsd；中誤差_DN（mm）：2.1；中誤差_DE（mm）：2.0；中誤差（mm）：2.9；相對(duì)誤差：1：69299；站點(diǎn)名：I035；中誤差_N（mm）：2.8；中誤差_E（mm）：2.7；點(diǎn)位中誤差（mm）：3.9。

6 成果檢核

為了能夠有效確保整個(gè)GPS控制網(wǎng)實(shí)測(cè)精度符合相關(guān)的精度值測(cè)定要求，GPS 控制測(cè)量工作完成后，仍需對(duì)靜態(tài)GPS 測(cè)量成果進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比工作，采用高精度全站儀（2″以上）對(duì)部分相互通視站點(diǎn)進(jìn)行邊長(zhǎng)檢查，總共對(duì)16 邊進(jìn)行檢核，檢核結(jié)果如表2。

表2 邊長(zhǎng)檢查表

通過(guò)表2 可以看出；邊長(zhǎng)較差最大值為0.024m，相對(duì)中誤差最大為1/31460，滿足1/20000 的規(guī)范要求。

7 探討

為確保GPS靜態(tài)測(cè)量具有精度高，操作簡(jiǎn)單，測(cè)繪效率高，在控制測(cè)量中有很大的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工作中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

（1）在選點(diǎn)工作中，除了考慮規(guī)范要求，還需要關(guān)注儀器和觀測(cè)人員的安全，特別在人員密集和交通要道處，避免觀測(cè)工作受來(lái)往車輛和閑雜人員的影響。

（2）將標(biāo)志埋設(shè)后，用切割機(jī)進(jìn)行切割有一定的危險(xiǎn)性，因此，人員前期必須培訓(xùn)或請(qǐng)專業(yè)人員，為了保證標(biāo)志符合規(guī)范提高工作效率，我們用鋼板制作專用磨具，以方便切割，如圖4。

（3）在外業(yè)觀測(cè)前一定要制定外業(yè)觀測(cè)期間人員、設(shè)備、車輛的調(diào)度方案，它決定了GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，是測(cè)量非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。各觀測(cè)小組應(yīng)注意人員的合理搭配，合理調(diào)配工作人員，每小組應(yīng)至少安排一名操作熟練的技術(shù)人員。

（4）為保證各相鄰站點(diǎn)具有較高的相對(duì)精度，對(duì)距離較近的點(diǎn)一定要進(jìn)行同步觀測(cè)，以獲得它們之間直接觀測(cè)基線。

（5）為防止控制網(wǎng)在二維約束平差中發(fā)生扭曲和變形，起算點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢核，應(yīng)該是同一批次，且點(diǎn)位應(yīng)均勻地分布在網(wǎng)GPS 網(wǎng)周圍和網(wǎng)中。

（6）GPS 網(wǎng)的點(diǎn)之間一般不要求相互通視，但是為了下一步測(cè)量對(duì)通視的要求，為了便于拓展，站點(diǎn)最好有一個(gè)方向通視。

圖4 專用磨具及現(xiàn)場(chǎng)效果照片

8 總結(jié)

總之，由于GPS靜態(tài)定位技術(shù)具有全天候、測(cè)站間無(wú)需通視、精度高、速度快、費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)在的測(cè)量工作中，已基本取代用經(jīng)緯儀、全站儀、布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)、三角網(wǎng)等傳統(tǒng)的步設(shè)平面控制網(wǎng)的方法。GPS靜態(tài)測(cè)量也被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、航空攝影測(cè)量和遙感工作中。