GPS測量在第26屆大運會（體育中心）施工控制網中的應用

姜信東

（江西省煤田地質局223地質隊，江西鷹潭335000）

GPS測量在第26屆大運會（體育中心）施工控制網中的應用

姜信東*

（江西省煤田地質局223地質隊，江西鷹潭335000）

簡述了全球定位系統（GPS）的基本結構和測量原理，GPS控制網選點靈活，布網方便，不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯得其優越性，無誤差傳遞和誤差積累，定位精度高。在計算機上進行基線結算及平差計算，避免了人為誤差。總結了GPS用于工程測量所具有的特點，介紹了GPS在工程測量中的應用實例。

GPS；GPS定位原理；應用實例；選點；觀測；平差計算；中誤差

GPS是以衛星為基礎的無線電導航定位系統，具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的功能，能提供精密的三維坐標、速度和時間參數。GPS技術已廣泛應用于大地測量、工程測量、航空測量、海洋測量、城市測量等領域，并在軍事、通訊、交通、管理及天文的眾多領域得到了極其廣泛的運用。本文介紹了GPS在工程測量中的應用，并提出幾點體會。

1　GPS簡介

1.1GPS系統的組成

GPS系統主要由GPS衛星、地面監控系統及用戶設備部分—GPS接收機組成。

（1）GPS衛星：GPS衛星星座由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，軌道傾角為55°，平均高度為20200km，運行周期11h58min，位于地平線以上的衛星則隨著時間和地點的不同而不同，最少可看見4顆，最多可看間11顆。在用GPS信號導航定位時，為了解算測站的三維坐標，必須觀測4顆GPS衛星，稱為定位星座。

（2）地面監控系統：GPS衛星的地面監控系統由1個主控站、3個注入站、5個監測站以及通訊與輔助系統組成。主控站的任務是收集處理本站和監測站收到的全部資料，編算出每顆衛星的星歷和GPS時間系統，將預測的衛星星歷鐘差狀態數據以及大氣傳播改正編制成導航電文送到注入站。再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器，并監測注入信息的正確性。

（3）用戶部分：用戶部分是由用戶及GPS接收機等儀器組成。其任務是能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，再通過計算機和相應軟件，經基線解算、網平差，求出GPS接收機中心（測站點）的三維坐標。

1.2GPS的定位原理

GPS定位原理是根據測量學中測距交會法來實現的（圖1）。在測站點P設置GPS接收機，在t1時刻GPS接收機同時測得P點至3顆GPS衛星s1、s2、s3的距離ρ1、ρ2、ρ3，通過GPS電文解譯出該時刻3顆GPS衛星的三維坐標分別為（Xj,Yj,Zj）,j=1,2,3。用距離交會的方法求解P點的三維坐標（X,Y,Z）的觀測方程為：

1.3GPS測量的特點

相對于常規測量來講，GPS測量具有以下特點：

（1）定位精度高GPS的工程應用表明，其相對定位精度在50km以內可達10-6，在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測的解，其平均平面誤差小于1mm。

（2）觀測站之間無需通視。

圖1　GPS定位原理圖

（3）觀測時間短。

（4）提供三維坐標，GPS測量在精確測定測站平面位置時，還可以精確測定測站的大地高程，其精度可滿足四等水準測量的要求。

（5）操作簡便、全天候作業、功能多、應用廣。

2　應用實例

2.1工程概況

第26屆世界大學生運動會體育中心位于深圳市龍崗中心區，場地的北、東、南三面為市政道路，分別為如意路、黃閣路和龍翔大道，西面為正在建設的龍興路。場地占地面積約1km2，其中運動場館占地約0.6km2。為確保主體工程的控制精度和工程進度，大運中心施工控制網決定采用GPS測量。

2.2GPS測量的技術設計

（1）設計依據。

《城市測量規范》（CJJ8-99）；

《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T18314-2001）；

《工程測量規范》（GB50026-2007）；

本工程招標文件。

（2）設計精度。根據工程需要選擇D級GPS網作為測區首級控制網，要求平均邊長小于2km,約束平差后最弱邊相對中誤差不大于1/40000，GPS接收機標稱精度：±（5+1×10-6×D）mm，固定誤差a≤5，比例誤差b≤（1×10-6×D）。

（3）設計基準和網形。本控制網共布設由9個待求的GPS D級點，編號分別為IVDY1、IVDY2…IVDY9，編號含義為：IV表示為四等精度（相當與GPS的D級精度），DY為大運的拼音縮寫，1～9為順序號，3個國家四等GPS點GPS L050、GPS L096、GPS L028（又名求水嶺東）作為本控制網的起算點，高程控制點6個（IVDY2、IVDY3、IVDY4、IVDY5、IVDY7、IVDY8，其高程由二等水準測得），高程控制采用水準點Ⅲ公荷8作為高程控制起算點。采用4臺GPS接收機觀測，網形布設成多邊形（圖2）。

圖2　控制點布點圖

2.3GPS測量的外業實施

（1）選點。所選GPS點位能保證衛星的連續跟蹤觀測和衛星信號的質量，測站上空開闊，點周圍高度角15°以上無障礙物遮擋，避免大功率無線電發射設施、高壓輸電線等強電磁波的干擾，點位至少與相鄰2個方向通視，并能比較方便下一級控制點的施測。

（2）基巖標和墩標的埋石。本控制網埋設3個墩標和4個基巖標，墩標和基巖標的規格按《城市測量規范》要求執行。

選點埋石工作于2008年5月10日完成，埋石完成后標石穩定3周時間，之后再進行GPS觀測和平差計算。

（3）觀測。采用4臺華測X90和X20雙、單頻GPS接收機，進行GPS靜態相對定位方法進行觀測，觀測前編制了GPS衛星可見性預報表和詳細的觀測計劃表，按計劃表確定的觀測時段進行觀測。

控制網的觀測技術指標：

①作業技術指標：采用靜態相對定位方法施測，同步作業圖形之間采用點、邊連接的方式；

②同時觀測有效衛星數不小于4顆；

③觀測時段長度不小于45min；

④平均重復設站次數不小于1.6（觀測時段數）；

⑤數據采樣間隔15s；

⑥天線高在觀測前、后各量測1次，每次在3個互成120°的方向上量測3個讀數，讀數至1mm，互差不大于3mm，GPS觀測按規定都填寫了測站手簿。

2.4控制網平差計算

GPS靜態定位測量采用WGS-84參考橢球，使用華測專用GPS處理軟件《Compass標準版》對采集的數據進行處理和平差計算，平差后將成果直接歸算至深圳獨立坐標系（成果見表1）。

表1　GPS坐標及高程成果表

邊長精度和點位精度的分析和統計：最弱邊邊長相對中誤差為（IVDY5～IVDY6）：1/75928，小于規范規定的1/40000，該邊邊長為295.839。

根據規范，GPS D級網相鄰點間基線長度精度按下式表示：

式中：σ——中誤差；

A——固定誤差，A≤5mm；

B——比例誤差，B≤1mm；

d——相鄰點間平均邊長。

按上式計算本控制網最弱邊中誤差不大于：

σ≤±5.01(mm)

實際平差后統計的該邊長中誤差為：

σ=±3.9(mm)

本控制網最弱點（IVDY6）點位中誤差為：

σ=±5.2(mm)

其各項精度符合技術設計要求。

3　結論與分析

（1）根據GPS網三維無約束平差和二維約束平差的結果可見，本次GPS測量成果的精度達到了原設計要求，成果質量是可靠的。

（2）GPS控制網選點靈活，布網方便，不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯得其優越性。但由于本測區條件限制，有較短邊（邊長295.839）出現，基線相對精度較低，因此當測區有短邊出現時，要謹慎觀測，可優先選用單頻GPS接收機，有效地消除電離層影響。

（3）GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業強度，觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受到地形條件限制，造成樹木遮擋、測站上空高度角達不到要求，影響衛星信號的接收，因此應嚴格按規范要求選點，選擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等無線信號對GPS接收機的影響。

（4）GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，但其基線向量的解算是一個復雜的平差過程。實際處理時要顧及觀測時段中信號間斷引起的數據剔除、劣質觀測數據的發現及剔除、星座變化引起的整周未知參數的增加，進一步消除傳播延遲改正以及對接收機鐘差重新評估等問題。因此GPS定位基線處理后應對其結果作觀測值殘差、基線長度的精度、雙差固定解與雙差實數解的分析。

[1]劉大杰，施一民，過靜君.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.

[2]張希黔，黃聲享，姚剛.GPS在建筑施工中的應用[M].中國建筑工業出版社，2003.

[3]GB/T18314-2001全球定位系統（GPS）測量規范[S].中國標準出版社，2001.

[4]GB 50026-2007工程測量規范[S].中國計劃出版社，2008.

[5]CJJ8-99城市測量規范[S].中國建筑工業出版社，1995.

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1004-5716(2015)07-0103-03

2014-07-10

2014-07-14

姜信東（1966-），男（漢族），江西鷹潭人，助理工程師，現從事工程測量技術工作。