GPS技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用

浙江省諸暨市楓橋鎮(zhèn)人民政府，浙江 紹興 311811

1 GPS技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

GPS技術(shù)是通過在測(cè)區(qū)內(nèi)放置衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備，接收機(jī)同時(shí)接收多個(gè)地球衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，采取各種靈活的處理方式，將衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間、信號(hào)發(fā)出距離等已知信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定計(jì)算公式，即可獲取接收機(jī)的三維實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)，然后構(gòu)建工程控制網(wǎng)、繪制三維立體坐標(biāo)體系。同時(shí)，不同GPS技術(shù)測(cè)量方式的工作原理存在差異，以實(shí)時(shí)差分定位測(cè)量、載波相位測(cè)量定位為例。實(shí)時(shí)差分定位測(cè)量是在已知精確坐標(biāo)的點(diǎn)位上放置GPS接收機(jī)，將其作為基準(zhǔn)站，根據(jù)已知坐標(biāo)設(shè)定觀測(cè)校正值，通過無(wú)線電設(shè)備向保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的流動(dòng)站發(fā)送校正值，以此消除GPS測(cè)量結(jié)果中的誤差，提高測(cè)量定位精度；載波相位測(cè)量定位是提前在GPS衛(wèi)星中預(yù)設(shè)導(dǎo)航電文和測(cè)距碼，接收機(jī)對(duì)所接收GPS信號(hào)進(jìn)行處理，去除衛(wèi)星電文及測(cè)距碼，開展重建載波操作。由于GPS信號(hào)與接收機(jī)天線裝置會(huì)存在相位延遲，因此需要對(duì)重建載波與本振信號(hào)進(jìn)行相位計(jì)算，以獲取準(zhǔn)確的相位差，減小相位延遲對(duì)測(cè)量精度造成的影響。

1.2 技術(shù)組成

GPS技術(shù)由空間部分、控制部分以及用戶部分組成。其中，空間部分泛指GPS衛(wèi)星，具有接收存儲(chǔ)地面部分上傳的導(dǎo)航電文、持續(xù)生成載波信號(hào)及測(cè)距碼、根據(jù)測(cè)量需求調(diào)整衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星鐘等功能?？刂撇糠职ūO(jiān)測(cè)站、主控站，負(fù)責(zé)持續(xù)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)、采集相關(guān)資料信息。用戶部分包括GPS接收裝置、終端設(shè)備與軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)持續(xù)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行跟蹤鎖定、測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中運(yùn)算處理。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)性。以傳統(tǒng)靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)為例，在觀測(cè)半徑20km范圍內(nèi)的基線時(shí)，需要消耗15～60min才能準(zhǔn)確獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。然而應(yīng)用GPS技術(shù)只需要5min即可完成流動(dòng)站初始化觀測(cè)作業(yè)，在短時(shí)間內(nèi)多次獲取測(cè)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，C/A碼測(cè)量速度為0.1m/s。（2）全天候。GPS系統(tǒng)具備全天候?qū)Ш蕉ㄎ坏氖褂霉δ?，且不?huì)受到氣候、測(cè)區(qū)地理環(huán)境等因素的限制影響，可以24h全天候開展工程測(cè)量作業(yè)。（3）操作簡(jiǎn)單。在建筑工程測(cè)量期間，工作人員僅需在各處觀測(cè)點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)、搭設(shè)天線、檢查設(shè)備運(yùn)行工況即可，GPS系統(tǒng)將基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則，自動(dòng)完成衛(wèi)星信號(hào)捕捉、跟蹤觀測(cè)等操作。在觀測(cè)完畢后，再將電源關(guān)閉、收起GPS接收機(jī)，抗干擾性強(qiáng)。與傳統(tǒng)工程測(cè)量技術(shù)相比，GPS測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)新性采取了擴(kuò)頻、偽碼技術(shù)，GPS接收機(jī)無(wú)需向外發(fā)射信號(hào)，對(duì)所接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解譯處理即可，最大程度上減小了外部干擾源對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量、測(cè)量精度造成的影響。（4）測(cè)站無(wú)需通視。在應(yīng)用GPS技術(shù)時(shí)，將測(cè)站角度保持在15°以上，且測(cè)站上空區(qū)域較為開闊時(shí)，即可滿足工程測(cè)量基礎(chǔ)條件，無(wú)需對(duì)相鄰測(cè)站保持通視狀態(tài)，即可完成工程測(cè)量任務(wù)，降低了建筑工程測(cè)量成本，并簡(jiǎn)化了傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量步驟。

2 GPS技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 制訂測(cè)量方案

（1）技術(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目情況明確GPS測(cè)量精度要求，合理選擇基準(zhǔn)點(diǎn)位置與網(wǎng)形設(shè)置方式。目前，在多數(shù)建筑工程測(cè)量項(xiàng)目中往往需要設(shè)置12個(gè)控制點(diǎn)，然后在其基礎(chǔ)上構(gòu)建工程控制網(wǎng)。其中，2個(gè)控制點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)已知平面開展聯(lián)測(cè)作業(yè)，5～6個(gè)控制點(diǎn)為高程控制點(diǎn)，采取連邊法布置工程控制網(wǎng)。同時(shí)，可選擇采取二級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方式，將平均邊長(zhǎng)度值控制在1000m以下，并將測(cè)量誤差值控制在10～4m以下。（2）觀測(cè)選址。盡量將測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在視野較為開闊、障礙物數(shù)量較小、無(wú)電磁干擾源的區(qū)域中，保持相鄰測(cè)點(diǎn)的合理間隔距離，以此擴(kuò)大GPS測(cè)量范圍，提高測(cè)量效率。禁止在分布大功率無(wú)線電通信電磁、大型河流水域的區(qū)域中設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，水體與通信電磁將會(huì)對(duì)GPS信號(hào)的傳播性能與質(zhì)量造成影響。同時(shí)，將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在平面較高的區(qū)域中，提前檢查地面穩(wěn)定性，必要時(shí)對(duì)地面進(jìn)行硬化平整處理。（3）確定觀測(cè)時(shí)間。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，GPS技術(shù)具有全天候作業(yè)的特征，減小了氣候條件對(duì)測(cè)量精度造成的影響。但在技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，需要將若干數(shù)量地球衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)作為已知點(diǎn)位，若觀測(cè)時(shí)間選擇不當(dāng)，則觀測(cè)效果會(huì)受到大氣折射、可視GPS衛(wèi)星數(shù)量不足問題的影響。因此，工作人員必須綜合分析氣候條件、GPS衛(wèi)星軌跡等因素，合理選擇觀測(cè)時(shí)間。（4）觀測(cè)方法選擇。根據(jù)建筑工程測(cè)量項(xiàng)目類型與任務(wù)內(nèi)容，工作人員應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法。例如，在開展建筑工程地基位移沉降監(jiān)測(cè)作業(yè)時(shí)，采取水準(zhǔn)測(cè)量方式，提前在建筑工程周邊區(qū)域中設(shè)置若干數(shù)量基準(zhǔn)點(diǎn)，確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)周邊未分布信號(hào)干擾源。隨后，在各基準(zhǔn)點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)、搭設(shè)天線、連通電源，持續(xù)接收、跟蹤鎖定GPS衛(wèi)星所發(fā)出的衛(wèi)星信號(hào)，將信號(hào)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中解譯處理，即可直接獲取測(cè)量值，準(zhǔn)確評(píng)估建筑地基結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)位移量與沉降量。

2.2 外業(yè)測(cè)量

在外業(yè)測(cè)量環(huán)節(jié)，不同GPS作業(yè)模式的操作要點(diǎn)不同，工作人員應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）在采取經(jīng)典靜態(tài)定位方式時(shí)，需要同時(shí)在基線兩端部位設(shè)置信號(hào)接收機(jī)，同步對(duì)4顆及以上的GPS衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，要求將1km范圍內(nèi)的相對(duì)定位誤差控制在5mm以下。隨后，對(duì)基線觀測(cè)封閉圖形進(jìn)行平差處理，減小測(cè)量誤差。（2）在采取快速靜態(tài)定位方式時(shí)，在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置1處基準(zhǔn)站、1處流動(dòng)站，各站點(diǎn)內(nèi)均安裝信號(hào)接收機(jī)，基準(zhǔn)站負(fù)責(zé)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)跟蹤。流動(dòng)站負(fù)責(zé)依次在各點(diǎn)位對(duì)GPS衛(wèi)星開展,觀測(cè)作業(yè)。這項(xiàng)技術(shù)主要適用于建立工程控制網(wǎng)，需要將基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間距控制在20km以下，將GPS衛(wèi)星數(shù)量穩(wěn)定控制在5顆及以上。（3）在采取準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位方式時(shí)，提前在測(cè)區(qū)設(shè)置1處基準(zhǔn)點(diǎn)，安裝信號(hào)接收機(jī)持續(xù)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。同時(shí)，將一處流動(dòng)信號(hào)接收機(jī)依次在各站開展短時(shí)間觀測(cè)作業(yè)，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，避免出現(xiàn)信號(hào)失鎖問題。當(dāng)出現(xiàn)失鎖問題時(shí)，需要將失鎖流動(dòng)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)2min。

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

（1）數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。工作人員首先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)備份處理，開展一系列預(yù)處理操作，最大程度上減小人為、環(huán)境等因素對(duì)測(cè)量精度造成的影響，消除測(cè)量誤差，然后結(jié)合三維坐標(biāo)、已知高程點(diǎn)數(shù)量等信息，準(zhǔn)確評(píng)估所采集測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精確度，最后將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件中。

（2）數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。根據(jù)測(cè)量需求，工作人員靈活運(yùn)用網(wǎng)平差結(jié)算法與基線解算法開展數(shù)據(jù)處理操作。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相比，可以輔助或替代人工進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算，提高數(shù)據(jù)處理效率，減小人為因素對(duì)數(shù)據(jù)精確度造成的影響。同時(shí)，能夠減小計(jì)算誤差、降低計(jì)算錯(cuò)誤等問題的出現(xiàn)概率。可選擇組合采取靜態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)測(cè)量技術(shù)，當(dāng)兩項(xiàng)技術(shù)所獲取測(cè)量值相似、測(cè)量精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則表明數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度得到保障，直接對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行解譯處理即可。如果二者測(cè)量值偏差較大，那么表明測(cè)量精度受到點(diǎn)位位置影響，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，適當(dāng)調(diào)整觀測(cè)時(shí)段，以此減小數(shù)據(jù)處理誤差。

2.4 建立工程控制網(wǎng)

為滿足建筑工程測(cè)量要求，必須根據(jù)項(xiàng)目情況合理選擇工程控制網(wǎng)的網(wǎng)型、明確控制網(wǎng)精度要求。在測(cè)量項(xiàng)目中，工程控制網(wǎng)起到基礎(chǔ)保護(hù)作用，可為工程測(cè)量、安全監(jiān)測(cè)等活動(dòng)的開展提供基礎(chǔ)條件與準(zhǔn)確參照。在建立工程控制網(wǎng)時(shí)，需要遵循分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制原則，要求工程控制網(wǎng)具有良好精度、充足密度。因此，工作人員在應(yīng)用GPS技術(shù)時(shí)，應(yīng)做好選位與埋石作業(yè)，在適當(dāng)位置埋設(shè)若干數(shù)量標(biāo)石，應(yīng)用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)，按預(yù)定方案完成觀測(cè)作業(yè)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行概算處理、控制網(wǎng)平差處理，將精度控制在毫米級(jí)。

3 GPS技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的優(yōu)化改進(jìn)

雖然GPS技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化程度較高，可以在短時(shí)間內(nèi)完成建筑工程測(cè)量任務(wù)，但是GPS技術(shù)仍存在應(yīng)用局限性，在測(cè)量過程中遇到夾雜劣質(zhì)數(shù)據(jù)、受到偏差影響、信號(hào)中斷周跳等問題時(shí)會(huì)對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用推廣造成限制。因此，相關(guān)部門與企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)GPS技術(shù)的研發(fā)力度，持續(xù)地對(duì)技術(shù)體系進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化。例如，可選擇采取調(diào)整衛(wèi)星高度角、電離層折射改正技術(shù)措施。其中，調(diào)整衛(wèi)星高度角指在出現(xiàn)缺省設(shè)置值結(jié)算基線失敗問題、圖形強(qiáng)度因素值較小現(xiàn)象時(shí)將無(wú)法保障基線解算結(jié)果準(zhǔn)確性，此時(shí)需要對(duì)GPS衛(wèi)星高度角進(jìn)行解算調(diào)整，減小衛(wèi)星信號(hào)多路徑與延遲溫度對(duì)基線結(jié)果準(zhǔn)確性造成的影響，以此取得良好的基線結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在建筑工程測(cè)量領(lǐng)域中，GPS具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量效率、測(cè)量精度與項(xiàng)目質(zhì)量的全面提升。因此，在工程建設(shè)過程中必須加大對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用力度，將其作為工程測(cè)量技術(shù)體系的重要補(bǔ)充措施及核心技術(shù)手段。同時(shí)，GPS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題，需要對(duì)GPS技術(shù)體系進(jìn)行創(chuàng)新探索，積極采取各項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)措施，提高技術(shù)價(jià)值。