GPS測量技術在施工控制網中的應用

王榮威

中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100011

1 GPS系統簡介

1.1 GPS系統概況

GPS系統的全稱是衛星測時導航／全球定位系統（Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioning System），它是美國國防部于1973年12月批準研制的以衛星為基礎的無線電導航定位系統，整個系統由三大部分組成：空間GPS衛星星座、地面監控系統以及用戶設備GPS接收機。該系統具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續性、實時性的導航、定位和定時的功能，它可以向數目不限的全球用戶連續地提供三維坐標、速度及時間信息。2000年5月以來，美國政府取消了“SA”、“AS”等限制民用精度的政策，并研發了一系列提高民用精度的技術（L2載波上增加C/A碼、加入第三民用頻率L5），進一步改善系統的可用性、安全性和可靠性，使得該系統開始廣泛應用于各種運載工具的導航以及高精度的大地測量、精密工程測量等領域。

1.2 GPS系統的主要特點

（1）定位精度高。實踐證明，用載波相位觀測量進行靜態相對定位在小于50km的基線上可達1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（1h以上觀測）。

（2）觀測時間短。目前，20km以內靜態相對定位的時間僅需15～20min，快速靜態定位只需2min左右，實時動態定位每站觀測1～2s就可完成。

（3）測站間無需通視。這是GPS技術區別于常規測量的最大優點，可省去大量的傳算點、過渡點的測量，大大減少測量作業時間和費用，同時也使選點布網變得非常靈活。

（4）操作簡便。GPS接收機自動化程度非常高，外業觀測時，測量人員的任務只是安置儀器、連接線纜（一體化機則不需要）、量取天線高、開關機及監視儀器工作狀態，野外測量工作輕松愉快。

（5）全球全天候測量。目前衛星數已達30顆，正常情況下隨時都可以進行測量定位。除雷電、臺風天氣不宜觀測外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不影響，這一點也是常規測量所無法相比的。

2 GPS技術的應用

2.1 工程簡介

某項目位于中國內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮礦區，占地面積約2km2。由于該測區屬于丘陵地區，并且有其他施工隊伍正在施工，車輛、堆積物眾多，使得有些方格網點無法通視。為了測量任務的順利進行，本次測量采用全球定位系統GPS進行測量。

2.2 建筑方格網布設及主要技術要求

因為方格網控制面積較大，為了避免測量過程中的誤差累積，保證方格網點的高精度，本方格網測量分為兩級進行。整個方格網共布設方格網點24個，其中Ⅰ級點11個（A01～A11），Ⅱ級點13個（B01～B13）。

2.2.1 GPS測量作業技術要求見表1

表1 GPS測量作業技術要求

注解：

PDOP值 (三維位置精度因子：position dilution of precision)：在GPS導航和定位中，我們使用幾何精度因子（DOP，dilutionofprecision）來衡量觀測衛星的空間幾何分布對定位精度的影響。DOP值的大小與GPS定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就低。PDOP則直接反映GPS衛星的分布情況，當PDOP較大時，表明空中被觀測的GPS衛星幾何分布不是太理想，他們構成的圖形周長太短，定位精度就低，反之亦然。

2.2.2 基線解算的質量要求見表2

表2 基線解算的質量要求

注解：

同步環（simultaneousobservationloop）：是指在用全球定位系統（GPS）進行測量中,由3臺或3臺以上GPS接收機，同時對同一組衛星進行觀測（同步觀測)）所獲得的基線向量所構成的閉合多邊形。理論上同步環中各GPS邊的坐標增量閉合差應等于零，由于各臺GPS接收機的觀測并不能嚴格同步，而且有可能存在其他的觀測缺陷，將導致同步環閉合差并不等于零，觀測誤差由此產生，但誤差不能超過規定的限差。若同步環閉合差較大，就表明觀測或基線向量解算有嚴重失誤；同步環閉合差不超過限差，只能表明觀測無嚴重失誤和基線向量的解算合格，但并不足以表明觀測值的高精度，因為只是采用了一組線性相關觀測值的必然結果，與觀測精度無關。

異步環（non-simultaneousobservation loop）：是在用全球定位系統(GPS)進行測量中，由數條GPS獨立邊構成的閉合多邊形。在GPS網中，必須保證有足夠數量的異步環，才能確保觀測成果的可靠性和有效地發現觀測值中存在的粗差。

2.3 方格網測量

以四臺GPS接收機同時設站組成若干大地四邊形，每站測量完畢，兩臺儀器滯留、兩臺儀器遷站，保證兩個大地四邊形有一條公共邊。因構網基本圖形為大地四邊形，圖形強度好、精度高，為方格網點快速趨近設計點位創造良好條件。

2.4 測量數據處理

2.4.1 基線解算

基線解算的過程實際上主要是一個GPS觀測數據進行嚴密平差的過程，平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值，即坐標分量閉合差和環線全長閉合差。將GPS接收機采集到的觀測數據提交至計算機進行基線解算，得出每兩個同步測站點之間的空間基線向量，按前述技術要求對所有基線向量進行質量檢核，不合格基線及時進行了剔除。GPS基線向量表示了各測站間的位置關系，即測站與測站間的坐標增量。GPS基線向量與常規測量中的基線是有區別的，常規測量中的基線只有長度屬性，而GPS基線向量則具有長度、水平方位和垂直方位等三項屬性，其是GPS同步觀測的直接結果，也是進行GPS測量控制網平差，獲取最終觀測點位成果的觀測值。

2.4.2 三維無約束平差

在獲取可靠基線向量的基礎上，首先在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，根據平差后輸出的各基線向量三個坐標差觀測值的改正數、點位和邊長精度信息判斷整個GPS網的內部符合精度和觀測數據的質量。

基線向量的改正數絕對值應滿足以下要求：V△x、V△y、V△z≤3σ。當發現有的基線超限或邊長精度不高時，說明該基線或相鄰基線存在粗差，仔細分析其原因后予以剔除。

注解：WGS-84坐標系（WorldGeodeticSystem 1984）：是一種國際上采用的地心坐標系，坐標原點為地球質心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時間局（BIH）1984.0定義的協議地極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的協議子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系。這是一個國際協議地球參考系統（ITRS），是目前國際上統一采用的大地坐標系。

2.4.3 二維約束平差

GPS網經三維無約束平差且各項精度指標均滿足要求后，利用其起算點作為約束條件，計算機處理系統對GPS網進行二維約束平差，得到所有測量方格網點的坐標成果及其平面點位中誤差。

2.5 GPS測量的精度統計

2.5.1 WGS-84坐標系下三維無約束平差精度統計，見表3。

表3 WGS-84坐標系下三維無約束平差精度統計

2.5.2 廠區建筑坐標系中二維約束平差精度統計，見表4。

2.5.3 對統計的說明

（1）GPS網無約束與約束平差結果精度差別小，說明整網變形小，觀測數據準確，內部符合精度高。

表4 廠區建筑坐標系中二維約束平差精度統計

（2）方格網點點位縱、橫向誤差相近，各個方向精度分布均勻，誤差橢圓趨于圓形。

（3）各項技術指標均滿足規范要求，點位中誤差小于規定的限值。

2.6 方格網的精度檢驗

全部方格網點采用GPS測設完成并進行數據處理得出方格網點成果后，應采用全站電子速測儀對方格網部分邊長和角度進行了復測檢驗，以確保控制網成果的可靠性，檢驗結果統計見表5、表6。

表5 角度檢驗

由以上檢驗結果可以看出，其精度完全滿足規范規定，成果可靠。

表6 邊長檢驗

3 結論

實踐表明，在大型開發建設項目的實施階段，采用GPS測量技術建立施工測量控制網，大大提高了測量成果的可靠性和作業效率，降低作業強度，適應現代社會“快節奏”的作業要求，對項目進度控制起到積極的作用，同時也使測量作業技術人員從繁重的測量工作中解放出來。但是，畢竟GPS測量有別于常規測量，有些錯誤或者說是粗差不容易被發現，還需要廣大測量技術人員在工程實踐中認真探索和總結。

1 《GPS測量原理及應用》武漢測繪科技大學出版社 作者：徐紹銓 張華海 楊志強 王澤民編著。

2 《控制測量學》武漢測繪科技大學出版社 作者：孔祥元，梅是義編著。