GPS快速靜態(tài)在工程測量的應(yīng)用

馬永喜

（山東金鼎礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 淄博 255419）

1 GPS概述

就GPS系統(tǒng)來說，其主要空間部分（GPS衛(wèi)星星座）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）、用戶設(shè)備部分（GPS信號接收機(jī)）。具體來說，GPS衛(wèi)星星座共有21+3顆衛(wèi)星組成，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是在軌備用衛(wèi)星，這24衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，且衛(wèi)星間呈一定的角度，使得任何時(shí)間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，且可以進(jìn)行良好地定位，從而實(shí)現(xiàn)幾何圖像的精度解算；地面監(jiān)控系統(tǒng)，其組成部分包括1個主控站、5個全球監(jiān)測站、3個地面控制站；GPS信號接收機(jī)，其主要功能是捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并對這些衛(wèi)星的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤，其主要工作原理為，接收機(jī)捕獲跟蹤的衛(wèi)星信號，測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離，對衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，然后由接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)通過定位解算方法進(jìn)行相關(guān)的定位計(jì)算，獲取用戶的地理位置信息。

2 GPS快速靜態(tài)法的原理

就GPS快速靜態(tài)法來說，其是在GPS靜態(tài)測量法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，但兩者存在一定的差別。對比兩者發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行等級控制時(shí)，GPS靜態(tài)測量具有耗時(shí)長、效率低的特點(diǎn)，一般對每個測站點(diǎn)觀測時(shí)間都超過了60min；GPS快速靜態(tài)測量需要的時(shí)間比較短，一般在10min～20min，并且其測量成果能夠保障一定的精度，效率也有所提高。要想更好地利用該方法，使其發(fā)揮真正的作用，就要了解和熟悉其基本原理，該基本原理為：在相應(yīng)GPS接收設(shè)備的基礎(chǔ)上，對4顆以上通訊衛(wèi)星的信號進(jìn)行接收；計(jì)算GPS接收器與衛(wèi)星之間的距離，并基于衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系中的位置，確定GPS接收器在坐標(biāo)系中的位置；對接收器的相對位置進(jìn)行解算，從而達(dá)到精準(zhǔn)定位的目標(biāo)。

3 幾種常見的GPS快速靜態(tài)定位方法

（1）兩次設(shè)站法。就短基線靜態(tài)定位而言，傳統(tǒng)的測定方法需要具備較為充足的觀測時(shí)間，才能保障測量的準(zhǔn)確性。具體來說，在觀測過程中衛(wèi)星的幾何圖形會發(fā)生一些變化，如果觀測時(shí)間充足，可以獲取較好的狀態(tài)參數(shù)，以促進(jìn)相關(guān)的方程計(jì)算。而兩次設(shè)站法，是指相關(guān)工作人員只需在每個待定觀測點(diǎn)進(jìn)行相同時(shí)間（一般在10min以內(nèi)）的觀測；在2h～3h以后，對每個待定點(diǎn)進(jìn)行再次測量，觀測時(shí)長與上次一樣。應(yīng)用兩次設(shè)戰(zhàn)法的整個觀測過程中，工作人員不需要對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的跟蹤和觀測，只要整合前后兩次的觀測數(shù)據(jù)，便能確定出模糊度和基線向量。

（2）go and stop法。該方法是由20世紀(jì)80年代著名學(xué)者Renzondi提出的，該方法的主要思想包括以下幾方面：首先，通過衛(wèi)星的持續(xù)跟蹤確定載波相位觀測值，且其中包含一定的未知數(shù)，為了后續(xù)數(shù)據(jù)的有效處理，則需要將整個周期的未知數(shù)確定下來，之后對未知數(shù)進(jìn)行判斷和研究；當(dāng)接收機(jī)到達(dá)新的觀測點(diǎn)或者觀測站時(shí)，便不需要對整個周期未知數(shù)進(jìn)行確定。該方法具有明顯的優(yōu)勢，當(dāng)觀測員到達(dá)新的觀測點(diǎn)后，對整個點(diǎn)只要進(jìn)行2min～3min的觀測，便可以精準(zhǔn)地確定基線的向量[1]。需要注意的是，應(yīng)用go and stop法進(jìn)行觀測過程中，關(guān)鍵的內(nèi)容是遷站過程中對衛(wèi)星的實(shí)時(shí)觀測。為了保障這一關(guān)鍵工作的完成，在觀測時(shí)最好選擇比較開闊的地方，比如沙漠、草原等。

（3）GPS快速靜態(tài)法。GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星覆蓋全區(qū)域，進(jìn)行全天不間斷的導(dǎo)航，從而保障目標(biāo)地區(qū)定位信息的實(shí)時(shí)性、有效性，并及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的同步性。一般情況下，常規(guī)的GPS定位信息技術(shù)需要較長時(shí)間的同步觀測，從而提高定位數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS快速靜態(tài)法也得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的工程測量中，在GPS技術(shù)不能到達(dá)的地區(qū)，相關(guān)工作人員均采用GPS靜態(tài)測量技術(shù)來完成相應(yīng)的測繪工作，在某種程度上來說，兩者存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，能夠滿足我國工程測繪的需求。

4 GPS快速靜態(tài)在地籍控制測量中的應(yīng)用

（1）項(xiàng)目概況。某縣農(nóng)村集體土地使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證項(xiàng)目中，需要進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)。由于該項(xiàng)目要求高、時(shí)間緊、任務(wù)重，如果使用全站儀導(dǎo)線法來測量，不僅工作量較大，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還可能會有誤差的積累，因此，該項(xiàng)目采用雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行測量。另外，本項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)中，流動站到基準(zhǔn)站的距離不超過10km，流動站的觀測時(shí)間為15min。

（2）點(diǎn)位選擇及測量要求。通常情況下，控制點(diǎn)所在區(qū)域應(yīng)具有良好的通視條件、穩(wěn)固可靠的土質(zhì)等。為了達(dá)到測量的效果，最少要有一個通視方向，且上空15°范圍內(nèi)無高大的建筑物，從而為控制點(diǎn)的加密和擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，點(diǎn)位附近不應(yīng)有干擾源，也不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號的物體，影響信號信息的接收和后期處理。要想保障整個觀測過程的有效性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一是觀測前，應(yīng)先預(yù)熱和靜置接收機(jī)，并對電池的容量、接收機(jī)的內(nèi)存和存儲空間進(jìn)行檢查，判斷其是否充足；二是加強(qiáng)天線的安置工作，保障天線安置的對中誤差應(yīng)在2mm以內(nèi)，天線高的量取應(yīng)精確到1mm；三是在觀測過程中，盡量不要將無線電通信工具放在接收機(jī)旁邊，避免影響接收機(jī)信號接收的質(zhì)量；四是做好測量工作的同時(shí)，還應(yīng)做好測站的記錄工作，其主要包括接收機(jī)序列號、控制點(diǎn)點(diǎn)名、開關(guān)機(jī)時(shí)間、儀器高等相關(guān)測站信息。

（3）數(shù)據(jù)處理及平差。該項(xiàng)目采用儀器自帶的軟件來解算基線向量，為了保障解算的質(zhì)量，剔除觀測質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)，在解算前應(yīng)先預(yù)處理原始數(shù)據(jù)。就解算成果來說，不理想的解算成果應(yīng)采取一定的措施對其進(jìn)行改善和優(yōu)化。通過對觀測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目的GPS觀測存在同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差，兩者的最大值的分別為1.9cm、2.9cm，兩者允許誤差分別為4.1cm、8.7cm。與允許誤差相比，兩者閉合差都在誤差允許范圍內(nèi)，因此，本次觀測GPS基線質(zhì)量可靠，相應(yīng)數(shù)據(jù)處理具有合理性，基線指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的限差要求。就平差來說，其處理應(yīng)包括以下幾個方面：一是三維無約束平差；二是約束平差，一般在上述要求滿足后，以雙基準(zhǔn)站為起算點(diǎn)，進(jìn)行約束平差。

（4）檢核精度分析。在進(jìn)行碎步測量時(shí)，應(yīng)通過全站儀來檢核導(dǎo)線的精度，并以全站儀測量的距離為真值，經(jīng)計(jì)算得知，邊長中誤差為1.45cm。本項(xiàng)目一級導(dǎo)線點(diǎn)在使用快速靜態(tài)方法測量時(shí)，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)誤差；控制點(diǎn)間的距離與全站儀測量距離相一致。可見，通過快速靜態(tài)方法進(jìn)行測量，相應(yīng)的測量結(jié)果能夠滿足一級導(dǎo)線的精度要求。

5 結(jié)語

綜上所述，GPS快速靜態(tài)法在工程測量中發(fā)揮著重要作用，在一定程度上保障了測量數(shù)據(jù)的有效性、可靠性，為后續(xù)的工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，選擇合適的GPS快速靜態(tài)定位方式，從而達(dá)到工程測量的高精度目的，進(jìn)而推動該行業(yè)的發(fā)展。