王仲磊

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)廣東珠海519001）

GPS在工程施工控制測量中的應(yīng)用

王仲磊

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)廣東珠海519001）

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，對工程的施工質(zhì)量也提出了更高的要求，而工程測量是工程施工的前期基礎(chǔ)工作，它對工程施工的準(zhǔn)確定位起到關(guān)鍵性的作用。GPS測量技術(shù)以其全天候、實(shí)時(shí)性、高精度的優(yōu)勢在工程施工測量中得到了越來越多的應(yīng)用。本文主要以GPS測量技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用、以及測量工作的不足做簡要的闡述。

GPS測量誤差精度控制

0　引言

GPS（Global Positioning System）即全球自動(dòng)定位系統(tǒng)。在20世紀(jì)中后期，由美國國防部為了更好的軍民服務(wù)，經(jīng)過多年的努力而研發(fā)的新一代全球衛(wèi)星自動(dòng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其可以24小時(shí)自動(dòng)向全球范圍內(nèi)的用戶提供高精度的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。

在近十幾年，GPS全球定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測繪工程領(lǐng)域，它可以建立高精度的打底測量控制網(wǎng)，從而可以測量全球的動(dòng)態(tài)參數(shù)。同時(shí)，它還可以高精度的建立大地基準(zhǔn)，從而高精度的測量海洋、陸地?cái)?shù)據(jù)參數(shù)。

1　 GPS概述

研究發(fā)現(xiàn)，GPS主要由三大部分而組成：地面監(jiān)控部分、空間衛(wèi)星部分和用戶設(shè)備部分。

1.1空間的衛(wèi)星群

GPS空間衛(wèi)星群，它主要是由分布在6個(gè)傾角為60度衛(wèi)星軌道上的24顆衛(wèi)星組成，以組成幾乎圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，其高度約2.02萬千米，其衛(wèi)星群的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為11小時(shí)58分，從而實(shí)現(xiàn)了任何地點(diǎn)任何時(shí)間接受4顆以上衛(wèi)星所發(fā)射的衛(wèi)星信號。

1.2 GPS的地面控制部分

GPS地面控制部分。主要是由主控站、注入站、監(jiān)測站組成，而主控站作為GPS的核心部分，主要是根據(jù)各個(gè)衛(wèi)星所測量的數(shù)據(jù)分析衛(wèi)星中修正參數(shù)與衛(wèi)星星歷，同時(shí)并將這些參數(shù)傳遞到衛(wèi)星中；注入站是將主控站所分析的數(shù)據(jù)傳遞到衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心；監(jiān)測站是接收衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，并監(jiān)測各個(gè)衛(wèi)星的工作情況。

1.3 GPS用戶部分

GPS用戶部分主要是由數(shù)據(jù)分析軟件、接收機(jī)與計(jì)算機(jī)等組成，其主要作用是接收不同衛(wèi)星所發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，然后利用數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定位導(dǎo)航。

2　 GPS工程定位的原理

GPS定位系統(tǒng)主要原理是高軌測距，它是以觀測站到GPS衛(wèi)星兩者之間的距離作為測量的基本量。在GPS測量定位時(shí)，為了得到高精度的觀測量，可以采用以下兩種方式：第一，可以通過測量衛(wèi)星發(fā)射的信號傳輸?shù)降乇斫邮沼脩羲玫臅r(shí)間，再乘以信號傳輸速度則可得到偽測量距；第二，可以通過測量擁有多普勒頻移動(dòng)的GPS衛(wèi)星載波信號與用戶接收機(jī)產(chǎn)生的載波信號之間的相位差，計(jì)算出測量距。

研究發(fā)現(xiàn)，通過偽距觀測量定位速度較快，但是其精度與采用載波相位觀測量定位的精度低，在工程測量時(shí)采用4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距測量則可計(jì)算出地面用戶接收機(jī)的三維位置。

3　 GPS在工程施工控制測量的優(yōu)點(diǎn)

3.1衛(wèi)星精度控制

衛(wèi)星星歷的誤差控制主要根據(jù)區(qū)域性GPS跟蹤網(wǎng)鎖定衛(wèi)星運(yùn)行軌道。在地面的跟蹤站地心坐標(biāo)誤差會(huì)對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生較大的誤差（可達(dá)到10倍）。因此，這就需要衛(wèi)星軌道的精度達(dá)到2m，而跟蹤站的地心坐標(biāo)精度要達(dá)到0.1m，并采用約束全球基站松弛衛(wèi)星軌道的約束基準(zhǔn)法以達(dá)到優(yōu)于5cm的相對坐標(biāo)值，這就可以滿足我國定軌道的需求。

3.2信號傳播誤差低

電離層延遲控制主要通過以下三種方法：第一根據(jù)電離層模型加以修正；第二，根據(jù)接收機(jī)的雙頻特性降低電離層的延遲；第三，以同步測量來降低誤差延遲。

3.3觀測誤差精度控制

利用標(biāo)準(zhǔn)光壓模型、ROCK4光壓攝動(dòng)模型與多項(xiàng)式光壓模型可以實(shí)現(xiàn)1m定軌的基本需求。此外，可用附加隨機(jī)的過程參數(shù)或是對較長軌道運(yùn)用一階三角多項(xiàng)式逼近非模型化的長期項(xiàng)影響,可以得到更為理想的結(jié)果,甚至是可以滿足到0.1～0.2m精度定軌的要求。

4　GPS測量在南水北調(diào)穿黃工程中的應(yīng)用

南水北調(diào)穿黃工程施工控制測量是以已知首級控制網(wǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)對布設(shè)的加密控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行測量。在測量過程中采用GPS靜態(tài)測量法與大地測量法，并對這兩種測量方法的測量精度進(jìn)行對比分析。

4.1控制網(wǎng)形

施工加密控制網(wǎng)采用首級控制網(wǎng)點(diǎn)（G08、王鋪、G07、劉莊）作為已知的控制基準(zhǔn)點(diǎn)，然后根據(jù)南水北調(diào)穿黃工程的施工進(jìn)度對首級控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行加密，以滿足施工測量放樣的基本要求，如圖1所示，圖中的E01、E02、E03、E04為加密控制點(diǎn)。

圖1　施工加密控制網(wǎng)

4.2使用儀器、測量方法及結(jié)果

4.2.1大地測量法

使用儀器：2”型電子全站儀TopconGTS-602、干濕溫度計(jì)、氣壓計(jì)等。

測量方法：采用側(cè)邊網(wǎng)測量工程控制網(wǎng)，采用測距三角高程測量高程，而利用2”型電子全站儀TopconGTS-602按照測量規(guī)范的要求進(jìn)行施工測量。在外業(yè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)測量結(jié)束后進(jìn)行修正各數(shù)據(jù)，再進(jìn)行平差計(jì)算。

4.2.2GPS靜態(tài)測量

GPS靜態(tài)測量主要根據(jù)測量方案，將三臺(tái)Topcon Hiper GPS雙頻接收機(jī)對中調(diào)平，誤差不大于3mm，放置在設(shè)定的同步環(huán)上以進(jìn)行同時(shí)接收衛(wèi)星群發(fā)送的信號，以接收機(jī)靜態(tài)快速觀測，且以邊連接方式，同時(shí)進(jìn)行大于4個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測，有效觀測衛(wèi)星傾角為大于15度，觀測時(shí)間段數(shù)大于1.6，且每段時(shí)間長度為45min，直到將所有數(shù)據(jù)測量完畢。

表1　大地測量法與GPS測量法精度比較

5　 GPS工程測量的不足之處

5.1衛(wèi)星星歷誤差

研究發(fā)現(xiàn)，星歷誤差是GPS測量過程中產(chǎn)生誤差的主要原因，若在測量前的定位精度小于1ppm時(shí)可以不考慮衛(wèi)星星歷產(chǎn)生的誤差。在GPS實(shí)際應(yīng)用過程中，由于監(jiān)測站所監(jiān)測過程中的誤差以及衛(wèi)星受到其他外力的作用而導(dǎo)致所測量的衛(wèi)星軌道出現(xiàn)一定程度的偏差，這就導(dǎo)致衛(wèi)星的星歷出現(xiàn)誤差，其與實(shí)際位置之間存在一定的誤差。

5.2信號傳播誤差

5.2.1對流層與電離層折射的影響

對于電離層的影響主要是因?yàn)樵陔婋x層中，由于在太陽作用下分子之間發(fā)生了電離作用，這將導(dǎo)致衛(wèi)星所發(fā)射的數(shù)據(jù)信號在空中傳輸途中出現(xiàn)一定程度的滯后，并引起GPS所測量的結(jié)果出現(xiàn)一些誤差.

5.2.2觀測誤差

GPS觀測的誤差還與天線的安置位置、精度有很大的關(guān)系，即天線的整平誤差、對中誤差以及測量天線高度誤差等，其誤差具體如表1所示。因此，在精密的定位當(dāng)中，要應(yīng)注意整平天線、仔細(xì)對中等基本操作。

5.2.3天線中心位置偏差

在GPS測量技術(shù)中，其測量值是由太空中的衛(wèi)星與地面上接收機(jī)天線之間的距離，且天線的對中就是根據(jù)天線的幾何中心為標(biāo)準(zhǔn)的。這就需要天線的幾何中心與天線的相位中心相重合，可是，在天線的相位中心瞬時(shí)位置是根據(jù)數(shù)據(jù)信息的方向與強(qiáng)弱而發(fā)生改變，這就出現(xiàn)了在相位觀測時(shí)其中心位置會(huì)與理論上相位中心出現(xiàn)偏差。

6　結(jié)束語

綜上所述，GPS以其實(shí)時(shí)性、全天候、高精度的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在工程測量中，提高了工程測量定位的精度，同時(shí)也確保了工程的順利施工。

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P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-195-2