GPS 靜態相對定位技術在工程測量中的應用

張鳳梧 劉亞楠

(1.三門峽市金土地勘測規劃中心，河南 三門峽 472000; 2.水電十三局天津勘測設計研究院有限公司，山東 德州 253000)

1 GPS簡介

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統，是美國國防部歷時23年，于1994年3月28日全面建成的全天候、全球性、連續的衛星無線電導航系統，它可提供實時的三維測速、三維定位和高精度的授時信息。由于GPS定位技術具有速度快、成本低、精度高等顯著特點，因此在工程控制網的建立、更新與改造中得到了日益廣泛的應用。

1.1 GPS定位系統的組成

GPS定位系統包括三大部分:

1)空間衛星部分;

2)地面監控部分;

3)用戶接收部分。

1)GPS空間衛星部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，每個軌道面內有4顆衛星運行，衛星距地面的平均高度為20 200 km。6個軌道面相對于地球赤道面的傾角為55°，各軌道面之間的交角為60°，運行速度為3 800 m/s，每顆衛星可覆蓋全球38%面積。所以，在地球表面上任何地點任何時刻，在衛星高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆GPS衛星，最多可觀測到11顆衛星。

2)GPS工作衛星的地面監控部分由1個主控站，5個監控站和3個注入站組成。主控站擁有以大型電子計算機為主體的數據收集、計算、傳輸、診斷等設備，其主要作用是收集各監測站獲得的監測數據，并根據所收集的數據計算各衛星的星歷、衛星狀態、時鐘改正、大氣傳播改正等，并將這些數據編制成導航電文，把導航電文及時傳送給注入站，另外主控站還負責檢測與協調各監控站和注入站系統是否正常，修正衛星運行軌道等工作。監控站是無人值守的數據自動采集中心，它在主控站的遙控下采集數據，并將算得的偽距、導航數據、氣象數據及衛星狀態數據傳送給主控站，為主控站編算導航電文提供可靠的數據。注入站是無人值守的工作站，它的主要作用是在主控站的控制下，將主控站編算的衛星星歷、鐘差、導航電文和其他指控指令等注入到相應的衛星儲存系統，并檢測注入信息的正確性。

3)用戶接收部分由GPS接收機、機內軟件、數據后處理軟件及終端設備(如PC)等組成，其作用是接收、測量、變換、跟蹤和解算GPS衛星所發射的GPS信號，以達到導航和定位的目的。

1.2 GPS定位的基本原理

利用GPS進行定位，就是把衛星視為“動態”的控制點，在已知其瞬時坐標的條件下，以GPS衛星和用戶接收機天線之間的距離為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線所處的位置。相對定位又稱為差分定位，是采用兩臺以上的接收機(含兩臺)同步觀測相同的GPS衛星，以確定接收機天線間的相互位置關系的一種方法。其最基本的情況是用兩臺接收機分別安置在基線的兩端(見圖1)，同步觀測相同的GPS衛星，確定基線端點在世界大地坐標系統中的相對位置或坐標差(基線向量)，在一個端點坐標已知的情況下，用基線向量推求另一待定點的坐標。相對定位可以推廣到多臺接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測GPS衛星確定多條基線向量。

圖1 相對定位示意圖

由于同步觀測值之間有著多種誤差，但其影響因素是大體相同的，這些誤差在相對定位過程中可以得到消除或減弱，從而使相對定位獲得極高的精度。相對定位中，又包括靜態定位和動態定位兩種方式，其中靜態相對定位一般均采用載波相位觀測值為基本觀測量。這種定位方法是當前GPS測量定位中精度最高的一種方法，在大地測量、工程測量、物探測量、地籍測量等精度要求較高的測量工作中被普遍采用。

2 應用實例

2.1 工程概況

卡塔爾多哈路塞開發項目位于卡塔爾多哈市北郊，工程區域約為7 km長，5 km寬，計劃通過場地平整、建造觀景海灘、修筑航道護岸等工程來改造目前的海岸線。此工程特點是占地面積廣，且地形起伏較大，所以為了提高工作效率，決定采用GPS靜態相對定位技術，來建立D級GPS加密控制網。本測區內，現有業主提供的二級控制點 6 個分別為 QT2，QT3，QT4，6007，6006，7003。

2.2 GPS測量的技術依據及精度指標

1)設計依據。a.GB/T 18314－2009全球定位系統(GPS)測量規范;b.CJJ 73－97全球定位系統城市測量技術規程;c.QNG95(卡塔爾國家控制網)和QNHD95(卡塔爾國家高程數據)。

2)精度指標。平面控制網精度要達到D級GPS網要求，相鄰控制點幾何精度應符合下式要求:

其中，e為固定誤差，mm;p為比例誤差，mm;s為相鄰點間距離，km。

2.3 GPS外業數據采集

嚴格按照規范要求布設控制網，在布設控制網時以四邊形為主，采用邊連式構成整網，網中各點分布均勻。D級GPS加密網展點圖見圖2。

圖2 D級GPS加密網展點圖

外業觀測應按照事先編制好的GPS作業調度表進行，使用4臺Trimble R6 GPS接收機(標稱精度:水平5 mm+0.5 ppm;垂直5 mm+1 ppm)進行同步觀測。具體方法為，以已知控制點6007～6006為控制網起算基準邊，分別在 6007，6006，SG28，SG29架設GPS進行同步觀測，待各項指標都達到要求時，同時關閉4臺GPS，再把架設在6007，6006控制點上的GPS遷到SG13，SG14兩控制點，以同樣的方法進行同步觀測。以此類推，對53個加密控制點進行數據采集，并最后閉合到已知控制點QT2上。為確保GPS網的可靠性，應按照規范規定的操作方法進行觀測，天線嚴格對中整平，開機前和關機后均量測天線高以作校核，一時段觀測過程中，嚴禁將GPS接收機關閉再重啟。

GPS D級控制網觀測基本技術要求見表1。

表1 D級控制網觀測基本技術要求

2.4 GPS數據處理

數據處理用專業GPS數據處理軟件TGO(Trimble Geomatics Office)進行基線解算和網平差。基線解算前，先編輯周跳，刪除周跳嚴重的時間段，以保證基線解算結果的質量。經基線解算得知，GPS加密網共觀測基線235條，全部解算合格;閉合環數目539個，全部解算通過，Trimble缺省值控制，即比率大于1.5，參考變量小于10，均方差(RMS)＜0.03，解算結果均符合規范要求。基線解算合格后，再進行網平差。首先，在WGS84坐標系統下進行無約束平差，根據網平差報告分析獨立基線的觀測精度和網的內符合精度。然后，在無約束平差通過的基礎上進行卡塔爾QNG95坐標系統下的約束平差。約束平差后，基線最大相對誤差為1∶162 768，最小相對誤差 1∶846 563，平均相對誤差 1∶348 082。綜上所述，本次施測的D級GPS加密控制網各技術參數均符合《全球定位系統(GPS)測量規范》的規定。

3 結語

通過GPS靜態相對定位技術在工程測量中的應用，得到以下幾點結論:1)精度高。GPS觀測的精度要明顯高于傳統測量手段，并且接收機基線解算精度為定值，所以，觀測距離越大，優勢越明顯。2)速度快。GPS在數據采集，數據處理方面，高度自動化，讓測量工作效率成倍增加。3)全天候。GPS衛星圍繞地球24 h工作，所以用戶接收機可以全天候的進行數據采集，避免了傳統測量工作只能在白天進行觀測的缺點。4)布點靈活。傳統測量工作，相鄰控制點間要相互通視，而GPS則是直接接收衛星信號，所以，控制點間無需通視。

[1] 周建正.GPS定位原理與技術[M].鄭州:黃河水利出版社，2005:7.

[2] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理與應用[M].武漢:武漢大學出版社，2008:7.

[3] 劉大杰.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M].上海:同濟大學出版社，1996.