GPS測量技術及其在工程測量中的應用要點分析

阮靖文

（中鐵建大橋工程局集團南方工程有限公司，廣州 511400）

1 引言

隨著社會經濟水平的提升，工程項目建設環(huán)境更為復雜，傳統(tǒng)工程測量技術已無法滿足新時期工程測量的基本要求。GPS測量技術是在人造衛(wèi)星觀測站的作用下，針對工程項目分布區(qū)域構建完整的觀測網，精準地獲取測量數據，為工程項目建設提供更有參考價值的數據信息，幫助建設方優(yōu)化項目設計方案，確定各區(qū)域的地形信息，以此減少工程項目中的設計風險、質量風險的一種新型測量技術。

2 工程概述

明珠灣大橋工程線路起始于萬頃沙島的萬環(huán)西路，止于南沙經濟開發(fā)區(qū)虎門聯絡道，是南沙明珠灣區(qū)的重要交通通道。路線橫跨南沙街和珠江街，西起于珠江街萬環(huán)西路，向東跨越龍穴南水道后，東接虎門聯絡道，全線大致呈西南—東北走向，全長約9 134 m，規(guī)劃為60 m寬的城市主干路，雙向8車道。

3 GPS測量技術相關定義

GPS測量技術是基于人造衛(wèi)星所進行的點位測量技術，應用GPS測量技術時，可在人造衛(wèi)星數據的指導下，建立精密的控制網，隨后根據控制網內的點位對地面的公路、建筑物、隧道、大壩進行測量。相較于其他測量技術，GPS測量具有實時性、實用性強的特點，且測量結果精度高，所需時間短。據了解，基于GPS測量技術的工程測量，測量數據的精度可保持在分米級、厘米級；實際測量過程中，動態(tài)GPS測量僅需幾秒、幾分鐘，靜態(tài)GPS測量可控制在50～180 min。另外，GPS測量操作流程簡單，可選點位范圍廣，測量成本低，可滿足建筑工程、路橋工程、隧道工程等不同類型工程項目測量的基本要求[1]。

4 工程測量中GPS測量的常用方法

4.1 靜態(tài)測量

在定位過程中，接收機的位置是固定的，處于靜止狀態(tài)，這種定位方式稱為靜態(tài)定位。根據參考點的位置不同，靜態(tài)定位又包括絕對定位和相對定位兩種方式。

1）絕對定位（也叫單點定位）以衛(wèi)星與觀測站之間的距離（距離差）觀測為基礎，根據已知的衛(wèi)星瞬時坐標，來確定觀測站的位置，其實質就是測量學里面的空間后方交會。由于衛(wèi)星鐘與接收機鐘難以保持嚴格同步，所測距離均包含了衛(wèi)星鐘與接收機鐘不同步的原因，故習慣地稱之為偽距。衛(wèi)星鐘差可以根據導航電文中的參數進行改正，而接收機鐘差通常難以確定，一般將接收機鐘差作為未知參數，與觀測站的坐標一并求解。因此，進行絕對定位在一個觀測站至少需要同步觀測4顆衛(wèi)星，才能求出觀測站三維坐標分量與接收機鐘差4個未知參數[2]。

當接收機處于靜止狀態(tài)下，用于確定觀測站絕對坐標的方法稱之為靜態(tài)絕對定位。這時，由于可以連續(xù)地測定衛(wèi)星至觀測站的偽距，所以可獲得充分、多余觀測量，相應的可以提高定位的精度。單點定位沒有測站的同步數據可以比較，大氣折光、衛(wèi)星鐘差等誤差項就無法通過同步觀測的線性組合加以消除或減弱，只能依靠相應的模型來修正。因此，靜態(tài)絕對定位目前只能達到厘米級精度。

2）靜態(tài)相對定位，就是將多臺GPS接收機安置在不同的觀測站上，保持各接收機固定不動，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定各觀測站在WCS-84坐標系中的相對位置或基線向量的方法。在多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、電離折射誤差和對流層折射誤差等，對觀測值的影響具有一定的相關性。所以，利用這些觀測值的不同組合進行相對定位，便可有效地消除或減弱上述誤差的影響，從而提高相對定位的精度。靜態(tài)相對定位一股采用載波相位觀測量作為基本觀測值，這一點位方法，是目前GPS定位中精度最高的一種[3]。

4.2 RTK測量

RTK技術（Real Time Kinematic）是利用GPS載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位的技術，是建立在及時處理2個測站的載波相位基礎上的。載波相位差分技術能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。由基準站通過數據鏈及時將其載波觀測值及基準站坐標信息一同傳送給用戶站，用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行及時處理，能及時給出厘米級的定位結果。

5 工程測量中的GPS測量技術的應用要點

5.1 靜態(tài)測量

1）點位選擇。點位選擇是GPS靜態(tài)測量的基礎工作。正式選擇點位前，相關人員應采集項目資料，確定工程測量范圍，了解測量位置、所需點位數量、觀測位置的分布情況等。通常情況下，為發(fā)揮點位的觀測功能，應選擇視野寬闊的點位，點位周邊障礙物的高度角應低于10°，以此控制點位之間的路徑偏差。另外，為保證GPS測量時衛(wèi)星信號的穩(wěn)定性，還應選擇穩(wěn)固的觀測點位，點位周圍200 m處不得存在高壓輸電線、無線電設備等。

2022年，明珠灣大橋工程復測的平面控制點位有16個，點號分別為MK3、MK4、MK9、ME4、ME5、ME7、ME11、HS2～HS7、YD1、LJ8、LS1。確定觀測點位后，為使各GPS觀測點能夠形成網絡，還應及時標記點位，標記后的測量點禁止隨意更改。

2）GPS復測。工程測量活動中，項目測量精度等級不同，所設計的技術方案會存在明顯的差異性。在明珠灣大橋項目中，其復測和加密測量采用GPS，按D級GPS網精度測量。因此，在應用GPS測量技術時，應明確GPS復測的技術指標。比如，該項目根據GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，同步觀測的有效人造衛(wèi)星數量應大于或等于4顆，觀測時間點不得小于45 min，數據采樣頻率應保持在10～30 s/次，衛(wèi)星截止高度角應大于15°，天線對中精度需小于3 mm。

3）外業(yè)測量。外業(yè)測量是工程測量的核心內容，關系著工程測量的整體質量。應用GPS測量技術進行工程外業(yè)測量時，應結合工程測量范圍，科學選擇測量點。確定測量點位后固定觀測設備，并使用人造衛(wèi)星導航系統(tǒng)采集工程測繪中GPS測量所需的衛(wèi)星信號，安裝觀測用的天線。明珠灣大橋工程項目中外業(yè)測量方法主要是按照GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》要求，用4臺GPS接收機同時接收數據。同步作業(yè)圖形之間采用邊連接的方式，并做到有很強的圖形結構，確保該觀測控制網的高精度和高可靠性[4]。

5.2 RTK測量

5.2.1 RTK測量的日常應用

1）道路施工。RTK可應用于道路施工中的原地面采集、放樣道路中邊樁、邊坡開挖填筑工作，極大限度地提升道路施工效率。以道路放樣為例，RTK測量技術支持下，相關人員可應用RTK軟件導入道路施工設計中標準橫斷面、加寬、道路邊坡、路基結構等關鍵參數，實時顯示道路施工活動中當前里程、路基路面填挖值等數據，從而減少道路施工對計算設備、設計圖紙的依賴，有效地提升道路施工中的外業(yè)放樣效率。

2）橋梁測量。橋梁測量中RTK可用于橋梁樁基、基坑開挖的放樣與復核。橋梁工程放樣測量時，RTK測量技術可在放樣作業(yè)中，將GPS基準站布設在橋梁工程測量控制網內，隨后利用移動站進行放樣。放樣后從RTK測量控制器中提取放樣測量時獲取的“橋位坐標”。準確地標記橋梁結構，控制施工誤差。

3）大土方開挖。大土方開挖中，RKT技術的主要作用集中在原地面測量、計算土石方量、邊坡開挖控制、截水溝放樣等方面。以土石方測量為例，相較于傳統(tǒng)全站儀測量技術，RTK測量技術可在各網格點放樣處理后，高效率地測量土石方外業(yè)量，且RTK具有“放樣直線”功能，所以在實際測量中可直接分解土石方測量區(qū)域的方格網，將其分解為直線，每隔10 m設置1個測量點，從而減少土石方工程測量時的逐點測量工作，提升土石方量的測量效率。

5.2.2 工程測量中RTK的應用要點

1）測量放樣。移動站是應用RTK技術的基礎配置，工程測量中可在移動站作用下，使用RTK手簿控制器驅動接收設備進行放樣測量。測量初期，控制器會提示接收機設備初始化已完成，隨后控制器顯示區(qū)域會直接顯示工程測量中垂直精度、水平精度等參數。正式放樣前，測量人員應導入DTM、點位、曲線、橋梁、道路等基礎放樣數據，然后打開測量圖表，選擇RTK中的放樣選項；放樣時，RTK會顯示放樣點位置、水平距離、觀測值，若放樣點、移動站距離過小時，可利用RTK控制器中的測量鍵進行實測。

2）控制測量。據了解，RTK測量技術在20 km內的測量精度約為3 cm，所以根據工程測量中“控制測量”的相關要求，RTK技術可滿足工程項目控制測量要求。比如，在橋梁工程放樁測量中，RTK可檢核基準站5 km范圍內的4等GPS控制點。結果表明，該范圍內測量坐標的分量最大差值不高于30 mm，高程最大差值為5 cm，表示RTK測量能夠滿足該工程測量中Ⅰ級導線點精度控制要求[5]。

5.3 數據分析

GPS測量技術實踐中，還應利用計算機技術，有效分析工程測量數據，準確核算各項參數，以此保證工程測量的精確度、整體質量。比如，測量人員可基于外業(yè)檢測技術，評估GPS測量數據與工程測量情況的匹配度，建立GPS工程測量數據庫。明珠灣大橋項目中，GPS測量后復測網的數據處理主要包括GPS的基線解算和內業(yè)平差兩方面?；€處理時，結合GPS檢測網的基線解算，采用華測CGO數據處理軟件，獲取觀測值。驗算外業(yè)測量數據時，可在觀測工作結束后，利用基線解算進行結果驗算，并檢驗外業(yè)測量時的復測基線邊、三邊同步環(huán)基線。

6 結語

綜上所述，城市化進程中，工程建設過程中的質量要求不斷提升，工程測量的必要性更為突出。GPS測量技術作為新時期常見工程測量手段，其在工程項目建設中可通過動態(tài)化、靜態(tài)化的觀測技術，建立觀測控制網，科學確定工程測量點位，準確獲取工程建設中的地形信息，為工程建設提供完整的數據參考，為各類工程項目的質量控制打好基礎。