關(guān)于GPS在工程測量中的精度探討

肖向軍　鄢加俊

（湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)　湖南　湘潭　411100）

關(guān)于GPS在工程測量中的精度探討

肖向軍鄢加俊

（湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)湖南湘潭411100）

本文結(jié)合GPS精度控制測量方面的實(shí)際需要，分析了不同起算點(diǎn)對GPS控制網(wǎng)平差成果產(chǎn)生的影響，提出了GPS控制網(wǎng)聯(lián)測IGS跟蹤站的網(wǎng)形選擇原則，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

GPS；工程測量；精度分析

引言

GPS定位技術(shù)的應(yīng)用越來越多，其對于測量精度的要求也隨之嚴(yán)格。對于GPS控制網(wǎng)而言，提高基線解算精度是提高GPS網(wǎng)點(diǎn)精度的基礎(chǔ)。對于測繪界而言，GPS技術(shù)的日趨成熟，已導(dǎo)致測繪行業(yè)一場深刻的技術(shù)革命。GPS測量是一種定位技術(shù)，其中包括高精度、全天候的連續(xù)測算。其優(yōu)點(diǎn)有實(shí)用性強(qiáng)、偏于觀測、高精度、經(jīng)濟(jì)效益高等。尤其在測量工程中運(yùn)用，GPS技術(shù)的精度測算，已要求精確至厘米級，測量動態(tài)定位的效率也需要得到了相應(yīng)的提高。

1　GPS在工程測量中的應(yīng)用

1.1GPS技術(shù)概況

GPS即全球定位系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的三維導(dǎo)航功能和定位能力，在工程測量中應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，明顯地提高了工程測量的測量效率。GPS技術(shù)原理是通過衛(wèi)星技術(shù)對某個目標(biāo)進(jìn)行觀測測量，通過接收機(jī)對衛(wèi)星與地面的交匯數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯坐標(biāo)的計(jì)算。在具體實(shí)踐中，為了保證工程測量中測量布點(diǎn)的正確性，并對各個布點(diǎn)能夠做到有效的控制，在GPS測量網(wǎng)的架設(shè)中至少設(shè)置四臺接收機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交匯與控制。四臺接收機(jī)以分組的方式，每組兩臺，共分為兩組形成網(wǎng)形結(jié)構(gòu)來對GPS測量設(shè)備進(jìn)行組合，以保證平差解算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在布設(shè)GPS測量點(diǎn)時，采用網(wǎng)形結(jié)構(gòu)能夠有效的提高GPS的通視性。

1.2GPS測量的特點(diǎn)

以下是GPS測量的六個特點(diǎn)：①測量精度準(zhǔn)確，在50km以內(nèi)的基線上，其相對定位精度可達(dá)10-6，1000km以外的基線上實(shí)現(xiàn)10-8；②GPS在測量中，測站間在互無交流中，即可實(shí)現(xiàn)測量的準(zhǔn)確點(diǎn)位，從而保證選點(diǎn)工作的靈活性；③在GPS測量時，具有觀測時間短的特點(diǎn)。其在靜態(tài)和動態(tài)相對定位中，每站僅需的時間分別為20s和5s之內(nèi)；④GPS接收機(jī)自動化程度日漸提高，具有方便快捷操作的特點(diǎn)。觀測人員的工作只需按照對中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)的過程，完成接收機(jī)自動觀測和記錄的工作；⑤GPS測量技術(shù)具有隨時隨地性。其因衛(wèi)星數(shù)目分布均勻，總類豐富的特點(diǎn)，即可確保在任何時間段及任何地點(diǎn)，不受天氣的影響，進(jìn)而連續(xù)進(jìn)行觀測；⑥提供三維坐標(biāo)，GPS測量可同時精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。

2　GPS的選點(diǎn)精度要求

2.1GPS選點(diǎn)的重要性

高精度定位是GPS技術(shù)的典型特點(diǎn)。在測量布點(diǎn)網(wǎng)的構(gòu)設(shè)中，應(yīng)用GPS技術(shù)，各個點(diǎn)能夠直接接收到GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號并從中得到三維定位信息；同時，GPS系統(tǒng)可以根據(jù)不同的精度要求對作業(yè)方式和處理方法進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在工程測量布點(diǎn)的過程中，GPS技術(shù)只要滿足站點(diǎn)位置上空視野開闊即可，沒有太多的約束條件，因此布點(diǎn)靈活性更高。GPS技術(shù)在工程測量中布點(diǎn)更靈活的特點(diǎn)有利于控制網(wǎng)的選點(diǎn)和測量設(shè)計(jì)。

GPS技術(shù)在選點(diǎn)要求對環(huán)境要求很低，在氣候惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)、地勢地形更為復(fù)雜的山區(qū)甚至潮濕的孤島上，GPS技術(shù)都不受外部條件的約束，依然保持較高的觀測率，適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)械化程度高是GPS技術(shù)能夠?yàn)楣こ虦y量服務(wù)的優(yōu)勢所在。GPS技術(shù)在選點(diǎn)確定后，其操作非常簡單方便。工作人員在進(jìn)行測量工作時將機(jī)器安裝好開機(jī)啟動，在測量出儀器的高度之后就只需要在一旁監(jiān)視儀器的工作即可。剩下的測繪工作，儀器將會自動準(zhǔn)確的完成，而且其結(jié)構(gòu)簡單，攜帶起來也非常方便。

2.2影響選點(diǎn)精度的因素

GPS選點(diǎn)精度會受到信號傳播誤差、軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及多路徑效應(yīng)的影響，此外，還受到定位參考框架的選擇、參考站坐標(biāo)解算過程中GPS跟蹤站的選取，以及流動站在參考站網(wǎng)中的位置、觀測時段及衛(wèi)星分布情況、系統(tǒng)定位算法的優(yōu)劣等影響。定位在解算過程中，常使用地方坐標(biāo)系，這就要求一定的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到所需的地方坐標(biāo)系下。其中，轉(zhuǎn)換參數(shù)受到參考站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法和點(diǎn)位誤差的影響。

3　GPS網(wǎng)形及平差分析

3.1不同網(wǎng)形對平差成果精度的影響分析

IGS（International GNSS Service）即國際GNSS服務(wù)，是由國際測量協(xié)會協(xié)調(diào)的一個永久性GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)，IGS無償?shù)叵蛉蛴脩籼峁└鞣NGPS信息服務(wù)，如GPS精密星歷、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、跟蹤站坐標(biāo)和運(yùn)動速率、GPS跟蹤站的時鐘信息、電離層和對流層數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星的高質(zhì)量軌道和預(yù)測軌道以及每日所有跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)信息等。結(jié)合實(shí)際情況，將篩選了三種不同起算點(diǎn)組成的常用圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

在控制網(wǎng)在IGS站控制范圍邊緣外側(cè)中，IGS跟蹤站不能控制測區(qū)，且離測區(qū)較遠(yuǎn)時，平差得到的成果精度最低；控制網(wǎng)遠(yuǎn)離IGS站控制范圍，IGS跟蹤站不能控制測區(qū)，但有一個跟蹤站離測區(qū)較近，平差得到的成果精度稍微有所提高，但不顯著，且最弱點(diǎn)和次弱點(diǎn)發(fā)生了變化；控制網(wǎng)完全在IGS站控制范圍內(nèi)中，測區(qū)在IGS跟蹤站控制范圍內(nèi)且有比較好的圖形結(jié)構(gòu)，平差得到的成果精度最好。可見，測區(qū)在IGS跟蹤站控制范圍內(nèi)，并能在控制網(wǎng)網(wǎng)形中進(jìn)行平差計(jì)算（如圖1），一般就可以獲得較控制網(wǎng)在IGS站控制范圍邊緣外側(cè)，和控制網(wǎng)完全在IGS站控制范圍內(nèi)中結(jié)構(gòu)精度更好的成果。

圖1　控制網(wǎng)平差數(shù)據(jù)分析

3.2不同網(wǎng)形平差成果比較

各種成果的較差可知，各種成果之間由于采用了不同跟蹤站作為起算點(diǎn)平差，得到的成果存在一定的系統(tǒng)差，雖說最大較差只有12.1mm，對于普通測量來講影響不大，但對于高精度的控制網(wǎng)測量來講已經(jīng)是不容忽視的問題。

所以，其中需要采用不同的IGS跟蹤站作為起算點(diǎn)，平差成果將產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。另外，作為高精度GPS控制網(wǎng)平差起算點(diǎn)的IGS跟蹤站應(yīng)控制整個測區(qū)，那么IGS跟蹤站離開測區(qū)的距離越短，精度將越高。

4　GPS在工程測量精度保證的具體措施

4.1GPS高程法

綜合利用GPS測量資料和地面資料，確定觀測點(diǎn)高程的方法，稱為GPS高程法（如圖2）。用此方法計(jì)算的正常高精度，主要取決于GPS工程測量精度和高程異常精度。我國地域廣闊，地勢復(fù)雜，天文重力資料分布不均勻，采用上述方法，特別是在山區(qū)要達(dá)到一定的精度，目前還是困難的。

圖2　GPS高程法

4.2GPS水準(zhǔn)法

從利用GPS測量資料在水準(zhǔn)資料的綜合分析中，并確定高程異常的方法，稱為GPS水準(zhǔn)法。在區(qū)域性的異常及變化規(guī)律描述方面，用戶為了方便使用，常常采用等值線圖法和解析法。等值線圖法是指根據(jù)已知點(diǎn)的高程異常值，繪出高程異常的等值線圖，利用內(nèi)插方法確定未知點(diǎn)的高程異常值。解析法是采用某種規(guī)律的數(shù)學(xué)面，來擬和測區(qū)的似水準(zhǔn)面其精度主要取決于所采用的數(shù)學(xué)面與測區(qū)似大地水準(zhǔn)面的擬和程度。

4.3選擇合適的已知點(diǎn)

水準(zhǔn)測量測定決定了已知點(diǎn)的異常值情況，GPS測量測定工程需要正常高通過測量之后獲得。在具體操作過程中，水準(zhǔn)點(diǎn)一般布設(shè)在GPS點(diǎn)上，或者在GPS點(diǎn)上進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測的方法來實(shí)現(xiàn)。盡量多的已知點(diǎn)可以保證數(shù)據(jù)的精確，以及獲得更好的擬合結(jié)果，已知點(diǎn)的分布必須均勻，且最好將整個GPS網(wǎng)整體包圍起來。

4.4分區(qū)擬合法

若擬合的區(qū)域較廣，可以運(yùn)用分區(qū)擬合法，就是將GPS的整體網(wǎng)劃分為若干區(qū)域。各個區(qū)域中的已知點(diǎn)將充分利用至擬合出該區(qū)域中，并在各點(diǎn)的高程異常值中，確定出它們的正常高。

若要用零次多項(xiàng)式進(jìn)行高程擬合時，需要確定1個以上的已知點(diǎn)和1個參數(shù)；倘若，進(jìn)行高程擬合是采用一次多項(xiàng)式，那么需要確定3個以上的已知點(diǎn)，和3個參數(shù)；若要進(jìn)行二次多項(xiàng)式高程擬合，則需要6個以上的已知點(diǎn)和確定6個參數(shù)。

5　結(jié)語

實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)工程測量的精度，首先利用GPS技術(shù)補(bǔ)充測量網(wǎng)絡(luò)，主要針對重要控制點(diǎn)進(jìn)行測量補(bǔ)充，形成完整的地區(qū)測量網(wǎng)，為整個工程測量工作的開展打下最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時對測量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密，使工程測量的更加準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)。其次，利用GPS技術(shù)檢測測量網(wǎng)絡(luò)是否處于有效狀態(tài)，并對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改革升級，設(shè)置科學(xué)有效的GPS測量網(wǎng)點(diǎn)，以保證GPS網(wǎng)絡(luò)能夠與原有網(wǎng)絡(luò)相互融合，進(jìn)而為GPS數(shù)據(jù)處理提供良好的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和平差。

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P228.4

A

1673-0038（2015）23-0233-02

2015-5-10

肖向軍（1970-），男，工程師，本科，主要從事礦山、煤田地質(zhì)、公路橋梁、地鐵、高鐵等工程測量和技術(shù)管理工作。

鄢加俊（1976-），男，工程師，本科，主要從事采礦、地質(zhì)、測量方面的工作。