顧怡明

【摘 要】在工程測(cè)量中，要求施工部門必須要有全站儀，并用于施工控制測(cè)量和檢測(cè)，以保證控制測(cè)量和施工放樣的精度，滿足工程質(zhì)量要求。而GPS定位系統(tǒng)因其所具有的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、地籍測(cè)量、物探測(cè)量及各種類型的變形監(jiān)測(cè)等。本文分析了GPS定位原理及其在工程測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS定位技術(shù)；工程測(cè)量；應(yīng)用

1.GPS定位原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其是以GPS衛(wèi)星和用戶接收天線之間的幾何距離觀測(cè)量為ρ基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)（XS、YS、ZS），確定用戶天線所對(duì)應(yīng)的位置，即觀測(cè)站的位置。設(shè)接收機(jī)天線的相位中心坐標(biāo)為（X、Y、Z），則衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（XS、YS、ZS）可根據(jù)導(dǎo)航電文獲得，所以式中只有X、Y、Z三個(gè)未知量，只要同時(shí)接收3顆GPS衛(wèi)星，就能解出測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y、Z）?？梢钥闯?，GPS單點(diǎn)定位的實(shí)質(zhì)就是空間距離的后方交會(huì)。

2.GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來(lái)講，GPS測(cè)量有以下特點(diǎn)：

（1）測(cè)站之間無(wú)需通視，使得測(cè)量時(shí)選點(diǎn)非常靈活，不需建造覘標(biāo)，作業(yè)成本低，大大降低了費(fèi)用。但測(cè)站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。

（2）GPS定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5 mm+1ppm，紅外儀標(biāo)稱精度為5 mm+5ppm，GPS定位精度與紅外儀的精度相當(dāng)。且GPS作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。實(shí)踐證明，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500 km的基線上可達(dá)10-6～10-7。

（3）觀測(cè)時(shí)間短。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在1～2 h左右。為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)速度，采用快速靜態(tài)定位法，其觀測(cè)時(shí)間只需1～2min。

（4）GPS定位技術(shù)可實(shí)時(shí)提供所在位置的三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量中，在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測(cè)量、點(diǎn)位測(cè)量等。

（5）GPS接收機(jī)性能穩(wěn)定，可在任何地點(diǎn)進(jìn)行全天候工作，一般不受天氣狀況的影響，大大方便了測(cè)量作業(yè)，有利于按時(shí)、高效地完成控制網(wǎng)的布設(shè)。

（6）GPS定位測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)平差計(jì)算、跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成，操作簡(jiǎn)單，可大大提高工作及成果質(zhì)量。

3.GPS定位系統(tǒng)在橋梁工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1設(shè)計(jì)精度

根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于1km，最弱邊相對(duì)誤差小于1/10000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數(shù)b≤20×10-6。

3.2設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形

控制網(wǎng)共12個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)2個(gè)，高程控制點(diǎn)5個(gè)。采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

3.3選擇最佳觀測(cè)時(shí)段

根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（最佳衛(wèi)星圖形）和大于15°的衛(wèi)星仰角。衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高。衛(wèi)星的分布情況可用GPS平差軟件查看多項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)，當(dāng)衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值<6的情況下，合理編排作業(yè)調(diào)度表，以達(dá)到特殊工作的要求和目的。對(duì)于個(gè)別有較多或較大障礙物的測(cè)站，需評(píng)估障礙物對(duì)GPS觀測(cè)可能產(chǎn)生的不良影響。

3.4選點(diǎn)

GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間無(wú)需通視，使得測(cè)量選點(diǎn)較為靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，在選點(diǎn)時(shí)還應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

（1）每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視。

（2）點(diǎn)應(yīng)選擇在上空開闊、有利擴(kuò)展、易于保存、視場(chǎng)內(nèi)周圍障礙物的高度角小于15°、無(wú)樹木遮擋、無(wú)強(qiáng)電磁干擾、多路徑誤差影響小的點(diǎn)位上，以免信號(hào)被遮擋或吸收，從而影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量。

（3）點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，其距離應(yīng)大于200m，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾。

（4）點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或?qū)﹄姶挪ǚ瓷洌ɑ蛭眨?qiáng)烈的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。當(dāng)選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點(diǎn)之記。

3.5觀測(cè)

根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表安排進(jìn)行觀測(cè)，采取靜態(tài)相對(duì)定位，衛(wèi)星高度角15°，時(shí)段長(zhǎng)度45min，采樣間隔10s。在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平、定向），量取天線高，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，開機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫測(cè)量手簿。然后根據(jù)所得的外業(yè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理，解算出基線向量，并對(duì)由合格的基線向量所構(gòu)建成的GPS基線向量網(wǎng)進(jìn)行平差解算，從而得出網(wǎng)中各點(diǎn)的坐標(biāo)成果。在測(cè)量的過(guò)程中，為避免出現(xiàn)測(cè)量誤差，應(yīng)嚴(yán)格限制高頻及對(duì)講機(jī)等無(wú)線電波的使用，避免環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，從而提高GPS本身的定位精度。

4.GPS定位的誤差分析

4.1空間衛(wèi)星的誤差

主要有衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星設(shè)備延遲誤差。其中，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前GPS定位測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。

在具體的測(cè)量中，減小衛(wèi)星軌道誤差的方法有：①忽略軌道誤差：該法是以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中；②采用軌道改進(jìn)法處理觀測(cè)數(shù)據(jù)：該法是在數(shù)據(jù)處理中引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其他未知數(shù)一并求解；③同步觀測(cè)值求差：該法是利用在2個(gè)或多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，適用于高精度的相對(duì)定位。

4.2衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差

主要有電離層傳播延遲、對(duì)流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差等。其中，由于多路徑效應(yīng)誤差對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)，常導(dǎo)致所接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳，因此，多路徑效應(yīng)誤差是不容忽視的。在具體的測(cè)量中，減小多路徑效應(yīng)誤差的方法有：①選擇合適的基線范圍（小于7km）、衛(wèi)星高度角，避開較強(qiáng)的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等；②在測(cè)量的過(guò)程中選擇適宜且屏蔽良好的天線，避免環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，從而提高GPS本身的定位精度；③適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間；④在接收機(jī)天線下配置抑徑板，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。

4.3接收機(jī)誤差

主要有觀測(cè)誤差（觀測(cè)分辨誤差、接收機(jī)天線相對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的安置誤差）、接收機(jī)鐘差、天線的相位中心位置誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性誤差。

4.4施工本身所導(dǎo)致的誤差

在施工中，電腦操作人員與前方的作業(yè)人員配合不默契，以及測(cè)量時(shí)操作程序不規(guī)范，致使出現(xiàn)天線對(duì)中誤差、天線相位中心偏差、定位精度指標(biāo)CQ值等誤差。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，GPS定位系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁工程測(cè)量中，具有無(wú)需通視、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、可全天候工作、可提供三維坐標(biāo)及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了工作效率，保證了橋梁工程測(cè)量的精度。目前，隨著衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS軟硬件的不斷更新，GPS定位系統(tǒng)在橋梁工程測(cè)量中有著廣闊的應(yīng)用前景，為橋梁工程測(cè)量質(zhì)量提供了有利的保障，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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