工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析

王濤

摘 要：當(dāng)前GPS技術(shù)已經(jīng)在我國的工程測量中得到了普遍的應(yīng)用，也發(fā)揮了重要的作用，但是GPS技術(shù)在工程測量中往往也會(huì)出現(xiàn)一些誤差，主要表現(xiàn)為高程誤差。本文結(jié)合工程實(shí)例簡要介紹了GPS技術(shù)在我國工程測量中的應(yīng)用狀況，并探討了誤差產(chǎn)生的原因，以此為基礎(chǔ)提出了控制工程測量中高程精度的具體措施。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；工程測量；高程精度

1 GPS技術(shù)在我國工程測量中的應(yīng)用狀況

GPS技術(shù)的優(yōu)勢在于測量的準(zhǔn)確性較高、定位較快、測量時(shí)間較短，尤其適用于野外勘察測量，具有較強(qiáng)的便攜性。GPS控制測量技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)是遙感技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)。因此在開展測量時(shí)應(yīng)該對(duì)接收設(shè)施、大氣層、衛(wèi)星軌跡等因素進(jìn)行充分的考慮。

2 GPS測量出現(xiàn)高程精度誤差的具體原因

一般情況下，測量人員主要是運(yùn)用衛(wèi)星信號(hào)來進(jìn)行導(dǎo)航定位。此時(shí)應(yīng)該設(shè)置一個(gè)GPS接收機(jī)，接收3顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，然后再用一定的換算方法，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到這些衛(wèi)星與測量點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)的距離。在特定的時(shí)間段內(nèi)，GPS衛(wèi)星具有一定的空間坐標(biāo)，經(jīng)過換算之后，能夠?qū)⒃摃r(shí)間段內(nèi)該測量點(diǎn)相對(duì)地球的三維坐標(biāo)得出來。一般的測量步驟是接收衛(wèi)星信號(hào)、進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換、輸出坐標(biāo)值。然而如果遇到陰雨天等不理想的天氣狀況，或者大氣層中具有過多的干擾物質(zhì)，就可能對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳輸和接收造成干擾，導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)的接收出現(xiàn)失真或者偏差，這也是運(yùn)用GPS控制測量技術(shù)進(jìn)行工程測量時(shí)，出現(xiàn)精度誤差的主要原因。與此同時(shí)地質(zhì)條件也會(huì)對(duì)測量精度造成一定的影響，如果測量現(xiàn)場的地質(zhì)條件具有強(qiáng)磁場，也會(huì)干擾衛(wèi)星信號(hào)。在工程測量中，高程異常情況出現(xiàn)的比較頻繁。就是密度分布不均勻的地下物質(zhì)產(chǎn)生的異常重力影響了高程測量的結(jié)果。在工程測量中往往會(huì)進(jìn)行GPS高程擬合，就是用GPS對(duì)大地高進(jìn)行測量，再用水準(zhǔn)對(duì)正常高進(jìn)行測量，對(duì)二者差異進(jìn)行擬合，得出似大地水準(zhǔn)面，然后經(jīng)過一定的結(jié)算，能夠出高程異常。

圖1和圖2為某礦區(qū)使用不同已知點(diǎn)進(jìn)行測量的E級(jí)GPS網(wǎng)，C級(jí) GPS 點(diǎn)是C1-C4，屬于二等水準(zhǔn)高程，將其作為起算結(jié)果。E 級(jí) GPS 點(diǎn)為E1-E4，C2、C1高程為200多米，E2和E1共點(diǎn)，C4的高程是572米，C3的高程是441米，礦區(qū)高程為700-900米。對(duì)比圖1和圖2的測量結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差的情況下，平面位置受到的影響不大。該測量實(shí)例中平面坐標(biāo)的最大較差是31米，沒有超出精度允許范圍。但是E2的高程較差為0.601米，E1的高程較差為0.448米，具有較大的高程誤差。

3 控制工程測量中高程精度的具體途徑

在工程測量中，GPS技術(shù)仍然具有較大的優(yōu)勢，然而如何應(yīng)對(duì)GPS控制測量中的高程精度問題關(guān)系到工程測量的準(zhǔn)確性。在運(yùn)用GPS進(jìn)行工程測量時(shí)，應(yīng)該對(duì)其高程擬合要求和工作原理予以充分的考慮，采取有效的措施來控制高程精度。

3.1 提高GPS接收儀的精度 控制測量精度的要點(diǎn)在于控制衛(wèi)星信號(hào)的接收質(zhì)量。如果GPS接收儀的精度較低，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)不敏感，容易出現(xiàn)測量偏差。特別是野外工程測量往往會(huì)遇到比較復(fù)雜的地質(zhì)條件或氣象條件，信號(hào)干擾較多。由于測量周圍的地形復(fù)雜，容易構(gòu)成磁場，干擾信號(hào)。因此應(yīng)該進(jìn)一步提高GPS接收儀的精度，選擇精度更高的GPS接收儀。高精度的GPS接收儀對(duì)信號(hào)變化的參數(shù)偏差更為敏感，能夠更加準(zhǔn)確地分辨正常工作信號(hào)和干擾信號(hào)，保障計(jì)算選擇的合理性和科學(xué)性。

3.2 盡量避免不良天氣的干擾 在野外測量中如果遇到不良天氣，大氣對(duì)流層中的信號(hào)干擾物質(zhì)較多，對(duì)流較為強(qiáng)烈，很容易對(duì)GPS接收儀的信號(hào)接收工作造成影響，影響高程計(jì)算的準(zhǔn)確性。在開展工程測量時(shí)盡量避開不良天氣，選擇天氣狀況較好的時(shí)間來開展工程測量工作，以免高程計(jì)算出現(xiàn)誤差。

3.3 進(jìn)一步修正電離層誤差 衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到大氣電離層的折射、反射和干擾作用，導(dǎo)致GPS接收到的衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)較大的偏差，因此應(yīng)該采取適當(dāng)技術(shù)措施進(jìn)行修正，主要的修正方式包括同步觀測、電離層模型、多頻觀測。①同步觀測。兩個(gè)觀測站的距離在20千米之內(nèi)，進(jìn)行同步觀測，以二者機(jī)械兩端的觀測差值為依據(jù)，計(jì)算電離層測量精度，對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。②電離層模型。使用電離層模型來對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，將得出的參數(shù)放置在電離層模型之中進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，修正參數(shù)精度。③多頻觀測。在一個(gè)測量點(diǎn)上測量多個(gè)偽距，然后對(duì)不同頻率測量得到的偽距測量值的折射率差異進(jìn)行計(jì)算，得出折射改正數(shù)值，對(duì)GPS測量精度進(jìn)行提高。

3.4 選擇測量點(diǎn)和測量基站 測量點(diǎn)測量基站的選擇也會(huì)對(duì)測量的精度造成影響。在選擇測量點(diǎn)時(shí)要盡量避開比較復(fù)雜的地質(zhì)情況，避免分布不均勻的地下介質(zhì)密度造成測量現(xiàn)場周圍的較強(qiáng)磁場，影響和干擾衛(wèi)星信號(hào)的接收。

3.5 提高對(duì)天線測量精度的重視 天線測量精度往往沒有得到測量人員的足夠重視，事實(shí)上如果將野外作業(yè)天線設(shè)置成斜向上的發(fā)散狀，由于天線高程出現(xiàn)誤差，測量基站在測量該點(diǎn)的高程時(shí)也會(huì)出現(xiàn)誤差。因此應(yīng)該提高天線測量的精度，避免較大的高程測量誤差。

3.6 選擇科學(xué)的高程擬合數(shù)學(xué)模型 高程擬合必須在數(shù)學(xué)曲面模擬大地水準(zhǔn)面模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)換算，數(shù)學(xué)計(jì)算的精度也會(huì)影響高程精度，造成待測點(diǎn)高程和正常點(diǎn)高程具有較大的差值誤差。因此應(yīng)該選擇科學(xué)的高程擬合數(shù)學(xué)模型，可以使用多面函數(shù)法、樣條函數(shù)法、二次曲面擬合法、平面擬合法，特別是二次曲面擬合法能夠有效地降低數(shù)據(jù)參數(shù)誤差，具有較高的計(jì)算精度。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)GPS測量技術(shù)在工程測量中的測量精度問題進(jìn)行了簡要的分析。當(dāng)前我國的工程測量中廣泛地應(yīng)用到了GPS測量技術(shù)，GPS測量技術(shù)也在不斷完善和改進(jìn)。從基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、測量方式、測量技術(shù)層面來控制測量高程精度，使GPS技術(shù)能夠在工程測量中發(fā)揮更大的作用。