探析GPS定位技術(shù)在精密工程測量中的運用

羅 罡

（長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410007）

在工程建設(shè)前，需要做好工程測量工作，同時隨著工程規(guī)模和技術(shù)等級的不斷提高，對測量的要求也越來越高，要求完成精密測量。在這一過程中，需要用到GPS定位技術(shù)，提高測量技術(shù)水平，保證測量結(jié)果的精度和可靠性。

1 GPS定位觀測結(jié)果誤差分析

觀測結(jié)果誤差主要來源包括以下三類：其一，與衛(wèi)星有一定關(guān)系的誤差；其二，與信號傳播有一定關(guān)系的誤差；其三，觀測與接收機的誤差。

1.1 星歷誤差

長距離定位過程中通常要用到精密星歷。此時應(yīng)注意，不同處理中心所給精密星歷雖然在數(shù)值方面十分接近，但因所用模型往往不同，所以會使極限解算出現(xiàn)差異。因此，解算過程中，應(yīng)采用SP3格式的精密星歷[1]。

1.2 信號傳播誤差

（1）電離層折射造成的影響。電磁波從電離層中穿過后，因折射率會發(fā)生變化，所以會產(chǎn)生傳播延遲。

（2）對流層折射造成的影響。在對流層中，其大氣折射率主要和大氣的壓力及溫濕度存在一定關(guān)聯(lián)，通常把大氣延遲分成兩個部分，即干項與濕項。因干大氣產(chǎn)生的傳播延遲，其量級在幾米左右，而改正模型精度能保持在1 cm。因濕大氣產(chǎn)生的傳播延遲，其量級在幾十厘米左右，所以沒有可用模型用于改正。

（3）觀測與接收機誤差。要注意，在水平控制網(wǎng)中，其基線都不超過500 m，屬于短基線，因其兩端所測信號經(jīng)過類似的環(huán)境與路徑，所以，可采用差分技術(shù)排除誤差造成的影響，無須對影響因素予以模型改正。

2 精密工程測量

2.1 定義與特點

所有運用常規(guī)和通用儀器及方法無法滿足工程建設(shè)對測量工作提出的要求而需要對測量儀器及方法進行改革的測量均為精密工程測量。從測量精度角度講，工業(yè)測量過程中的儀器安裝、檢測及質(zhì)量控制工作的測量中，測量精度可以達到微米級和納米級。工程變形監(jiān)測過程中，測量精度為亞毫米級；工程控制網(wǎng)的構(gòu)建過程中，測量精度為毫米級。對于精密工程測量，其主要特點為：對測量可靠性提出了極高的要求，如儀器鑒定與檢核、標(biāo)志達到穩(wěn)定可靠、所用測量方法達到嚴密、優(yōu)化選擇測量方案、對觀測量之間進行檢查控制、加大數(shù)據(jù)分析和處理力度。

2.2 水平控制網(wǎng)的建立

（1）借助邊角網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建精密測量工程水平控制網(wǎng)。對邊角網(wǎng)進行觀測時，應(yīng)配置一臺型號為TC2003的全站儀，這一全站儀的側(cè)邊標(biāo)稱精度可達到±（1 mm+2 ppm），而測角標(biāo)稱精度可達到±0.5′。采用全站儀得出的成果，其最弱點對應(yīng)的點位中誤差在±0.7 mm左右，而平均中誤差在±0.58 mm左右。上述測量精度均能達到現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范具體要求。

（2）借助測邊網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建精密測量工程的水平控制網(wǎng)。在測邊網(wǎng)觀測過程中使用的儀器，在測邊標(biāo)稱精度可以達到±（1 mm+2 ppm）。其所得成果最弱點對應(yīng)的點位中誤差與平均中誤差分別為±0.32、±0.28 mm。上述測量精度均能達到現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范具體要求。

（3）借助GPS定位技術(shù)構(gòu)建精密測量工程的水平控制網(wǎng)。借助GPS定位技術(shù)實現(xiàn)精密測量工程的水平控制網(wǎng)構(gòu)建，其主要目的在于對控制網(wǎng)成果實施對比與分析，使控制網(wǎng)的構(gòu)建切實滿足測量要求。

3 保證GPS網(wǎng)精度和可靠性的有效方法

3.1 可靠性

（1）增加觀測的期數(shù)。對GPS網(wǎng)進行布設(shè)時，應(yīng)對觀測期數(shù)予以適當(dāng)?shù)脑黾樱@對保證可靠性是十分有效的。這是因為伴隨期數(shù)不斷增加，實測基線數(shù)將明顯增加，使可靠性大幅提升。

（2）使重復(fù)設(shè)站次數(shù)達到要求。這樣能有效提高可靠性。首先，在同一測站進行多次觀測，能確定所有人為誤差；其次，增加次數(shù)后，觀測期數(shù)也將明顯增加。然而，應(yīng)注意，在同一接收機對同一測站對應(yīng)的多個時段實施連續(xù)觀測時，各時段之間應(yīng)重新進行設(shè)備安置，有效消除誤差及錯誤。

（3）使各測站有不少于6條獨立基線連接，以此提高測站準(zhǔn)確性與可靠性。對GPS網(wǎng)進行布設(shè)的過程中，點可靠性和點位沒有直接關(guān)系，受點上相連基線數(shù)影響，如果基線數(shù)相對較多，則可靠性將明顯提高。

（4）布網(wǎng)過程中，應(yīng)使各最小異步環(huán)實際邊數(shù)處在6條以內(nèi)。對GPS網(wǎng)進行布設(shè)的過程中，確定實測值質(zhì)量的有效方式為檢查異步環(huán)的閉合差，但伴隨基線向量數(shù)的不斷增加，質(zhì)量檢驗結(jié)果準(zhǔn)確性將明顯降低[2]。

3.2 精度

（1）為使GPS網(wǎng)中每個相鄰的點位都有符合要求的精度，針對網(wǎng)中距離很近的定位應(yīng)采用同步觀測方法，由此獲得直接觀測后得出的基線。

（2）為保證精度，需在全面網(wǎng)進行框架網(wǎng)設(shè)置，將其作為網(wǎng)絡(luò)骨架。

（3）布網(wǎng)過程中應(yīng)使最小異步環(huán)實際邊數(shù)在6條以內(nèi)。

（4）對精密工程實施測量的過程中，網(wǎng)中基線一般不會很長，通常都在5 km以內(nèi)，針對可在測量中使用的GPS定位技術(shù)，對衛(wèi)星信號進行接收的過程中，會因各種客觀因素的影響而產(chǎn)生誤差，包括衛(wèi)星鐘差和對流層的折射，然而可進行差分計算，把這些實際誤差都消除掉。精密工程測量過程中運用GPS定位技術(shù)時，應(yīng)擬定相應(yīng)的觀測防范，同時開展合理設(shè)計，只有這樣才能達到預(yù)期要求的精度。

為使GPS測量可以得到更高精度，應(yīng)以WGS-84坐標(biāo)為基礎(chǔ)。另外，在條件允許的情況下，還可引入先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并不斷總結(jié)觀測技巧，然后在網(wǎng)平差以后，獲得高精度。利用GPS定位技術(shù)，其精確度可以達到毫米級別，甚至達到亞毫米，已經(jīng)可以滿足精密工程測量提出的要求。

為有效保證精度和可靠性，用數(shù)量足夠的接收機實施觀測與解算，以此消除各方面誤差造成的影響，實現(xiàn)大幅提高精度和可靠性的根本目標(biāo)。

4 基于GPS的靜態(tài)定位觀測

對于規(guī)模較大的特種精密工程，其施工控制網(wǎng)實際布設(shè)在過去主要采用的是傳統(tǒng)測量方法，在實際工程中，需要以工程的實際情況為依據(jù)，采用一系列測量控制點構(gòu)成基本三角網(wǎng)，也可形成導(dǎo)線網(wǎng)，利用傳統(tǒng)測量裝置進行測角與測距，并借助內(nèi)業(yè)平差法對控制點的具體坐標(biāo)和誤差進行計算。該方法在應(yīng)用中存在一定缺陷，即圖形條件較難滿足，且外業(yè)工作量相對較大，很難對控制網(wǎng)精度進行有效控制，相鄰兩個控制點間存在較大的誤差等。因此，需要以GPS定位技術(shù)為基礎(chǔ)實施靜態(tài)定位觀測。

4.1 觀測方程

假設(shè)T1和T2兩個接收機對sj和sk兩個衛(wèi)星進行觀測，觀測時刻為t1和t2。通過觀測得出的觀測量可用于不同形式的差分。相對定位過程中，有以下三種常用形式：

第一，單差，即不同測站對相同衛(wèi)星進行同步觀測得到的結(jié)果之差，這會是最簡單的組合方式，屬線性組合范疇。

第二，雙差，即不同測站對同組衛(wèi)星進行同步觀測得到的結(jié)果之差。現(xiàn)在絕大多數(shù)廠商的數(shù)據(jù)分析和處理軟件均采用這一形式。其主要原因為觀測方程當(dāng)中有很大參數(shù)量，若將每個歷元鐘差均作為獨立的參數(shù)，則未知數(shù)個數(shù)會超過千余個。在大量參數(shù)這一實際情況下，對設(shè)備提出了很高的要求。但是采用雙差觀測以后，可有效消除所有鐘差，使未知數(shù)的數(shù)目明顯減少，降低了對硬件設(shè)備提出的要求。

其三，三差，即在不同的時間對同組衛(wèi)星進行同步觀測，得出雙差的差值。

在三次差的求解中，消除所有整周未知數(shù)，方程中僅剩下坐標(biāo)差對應(yīng)的未知數(shù)。因整周未知數(shù)在此過程中被消除，所以對應(yīng)的未知數(shù)無法解出，因此，三差解本質(zhì)上屬于浮點解。但需要注意，雙差解能求出整周。在短基線中，通常要求確定雙差固定解，但三差解通常在中長基線中使用。以上線性組合均可作為觀測值，主要具有以下作用：第一，消除所有系統(tǒng)誤差，如大氣折射產(chǎn)生的誤差、衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的誤差及衛(wèi)星鐘差。第二，減少在平差計算過程中產(chǎn)生的未知數(shù)[3]。

4.2 觀測時間確定

控制網(wǎng)主要采用的是雙差法，為對結(jié)果精度進行綜合評價，需采用RDOP這一概念，精度因子和觀測過程中測出的衛(wèi)星實際分布與觀測時間有著十分密切的關(guān)系。這是圖形強度對應(yīng)的RDOP與觀測時間之間的數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系，可表示為：

式（1）中，A—系數(shù)陣；P—權(quán)矩陣。隨著RDOP的不斷減小，定位精度明顯升高。定位誤差和RDOP有以下相互關(guān)系：

式（2）中，σ—雙差觀測值對應(yīng)的單位權(quán)中誤差。

通過實踐可以看出，對基線精度而言，隨著觀測時間的不斷增加，精度并未顯著提高，因衛(wèi)星觀測實際條件相對較差，所以會抵消一部分由于觀測時間延長而增加的精度。即4 h觀測得出的成果，其精度并不高于8 h或者是24 h對應(yīng)的成果。這一點可在實踐過程中通過對不同時間觀測結(jié)果的對比來驗證[4]。觀測數(shù)據(jù)處理采用HGO軟件進行，HGO軟件處理流程如圖1所示。

圖1 HGO軟件處理流程

5 結(jié)語

綜上所述，伴隨GPS技術(shù)的快速發(fā)展，其接收機使用功能與數(shù)據(jù)處理方式及軟件均達到較高高度。另外，因GPS網(wǎng)自身就有很高的精度，且速度很快，所以，成為目前建立控制網(wǎng)常用方法。在今后的大型工程對應(yīng)的測量工作中，利用GPS這一方法構(gòu)建控制網(wǎng)是十分可行的，可廣泛推廣應(yīng)用。