姜信東

（江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊，江西鷹潭335000）

GPS測量在第26屆大運會（體育中心）施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用

姜信東*

（江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊，江西鷹潭335000）

簡述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測量原理，GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測區(qū)，更顯得其優(yōu)越性，無誤差傳遞和誤差積累，定位精度高。在計算機上進行基線結(jié)算及平差計算，避免了人為誤差。總結(jié)了GPS用于工程測量所具有的特點，介紹了GPS在工程測量中的應(yīng)用實例。

GPS；GPS定位原理；應(yīng)用實例；選點；觀測；平差計算；中誤差

GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的功能，能提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時間參數(shù)。GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空測量、海洋測量、城市測量等領(lǐng)域，并在軍事、通訊、交通、管理及天文的眾多領(lǐng)域得到了極其廣泛的運用。本文介紹了GPS在工程測量中的應(yīng)用，并提出幾點體會。

1　GPS簡介

1.1GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要由GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)及用戶設(shè)備部分—GPS接收機組成。

（1）GPS衛(wèi)星：GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55°，平均高度為20200km，運行周期11h58min，位于地平線以上的衛(wèi)星則隨著時間和地點的不同而不同，最少可看見4顆，最多可看間11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時，為了解算測站的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。

（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)：GPS衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站、5個監(jiān)測站以及通訊與輔助系統(tǒng)組成。主控站的任務(wù)是收集處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預(yù)測的衛(wèi)星星歷鐘差狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正編制成導(dǎo)航電文送到注入站。再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器，并監(jiān)測注入信息的正確性。

（3）用戶部分：用戶部分是由用戶及GPS接收機等儀器組成。其任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，再通過計算機和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機中心（測站點）的三維坐標(biāo)。

1.2GPS的定位原理

GPS定位原理是根據(jù)測量學(xué)中測距交會法來實現(xiàn)的（圖1）。在測站點P設(shè)置GPS接收機，在t1時刻GPS接收機同時測得P點至3顆GPS衛(wèi)星s1、s2、s3的距離ρ1、ρ2、ρ3，通過GPS電文解譯出該時刻3顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)分別為（Xj,Yj,Zj）,j=1,2,3。用距離交會的方法求解P點的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）的觀測方程為：

1.3GPS測量的特點

相對于常規(guī)測量來講，GPS測量具有以下特點：

（1）定位精度高GPS的工程應(yīng)用表明，其相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測的解，其平均平面誤差小于1mm。

（2）觀測站之間無需通視。

圖1　GPS定位原理圖

（3）觀測時間短。

（4）提供三維坐標(biāo)，GPS測量在精確測定測站平面位置時，還可以精確測定測站的大地高程，其精度可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。

（5）操作簡便、全天候作業(yè)、功能多、應(yīng)用廣。

2　應(yīng)用實例

2.1工程概況

第26屆世界大學(xué)生運動會體育中心位于深圳市龍崗中心區(qū)，場地的北、東、南三面為市政道路，分別為如意路、黃閣路和龍翔大道，西面為正在建設(shè)的龍興路。場地占地面積約1km2，其中運動場館占地約0.6km2。為確保主體工程的控制精度和工程進度，大運中心施工控制網(wǎng)決定采用GPS測量。

2.2GPS測量的技術(shù)設(shè)計

（1）設(shè)計依據(jù)。

《城市測量規(guī)范》（CJJ8-99）；

《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T18314-2001）；

《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）；

本工程招標(biāo)文件。

（2）設(shè)計精度。根據(jù)工程需要選擇D級GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)，要求平均邊長小于2km,約束平差后最弱邊相對中誤差不大于1/40000，GPS接收機標(biāo)稱精度：±（5+1×10-6×D）mm，固定誤差a≤5，比例誤差b≤（1×10-6×D）。

（3）設(shè)計基準(zhǔn)和網(wǎng)形。本控制網(wǎng)共布設(shè)由9個待求的GPS D級點，編號分別為IVDY1、IVDY2…IVDY9，編號含義為：IV表示為四等精度（相當(dāng)與GPS的D級精度），DY為大運的拼音縮寫，1～9為順序號，3個國家四等GPS點GPS L050、GPS L096、GPS L028（又名求水嶺東）作為本控制網(wǎng)的起算點，高程控制點6個（IVDY2、IVDY3、IVDY4、IVDY5、IVDY7、IVDY8，其高程由二等水準(zhǔn)測得），高程控制采用水準(zhǔn)點Ⅲ公荷8作為高程控制起算點。采用4臺GPS接收機觀測，網(wǎng)形布設(shè)成多邊形（圖2）。

圖2　控制點布點圖

2.3GPS測量的外業(yè)實施

（1）選點。所選GPS點位能保證衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質(zhì)量，測站上空開闊，點周圍高度角15°以上無障礙物遮擋，避免大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線等強電磁波的干擾，點位至少與相鄰2個方向通視，并能比較方便下一級控制點的施測。

（2）基巖標(biāo)和墩標(biāo)的埋石。本控制網(wǎng)埋設(shè)3個墩標(biāo)和4個基巖標(biāo)，墩標(biāo)和基巖標(biāo)的規(guī)格按《城市測量規(guī)范》要求執(zhí)行。

選點埋石工作于2008年5月10日完成，埋石完成后標(biāo)石穩(wěn)定3周時間，之后再進行GPS觀測和平差計算。

（3）觀測。采用4臺華測X90和X20雙、單頻GPS接收機，進行GPS靜態(tài)相對定位方法進行觀測，觀測前編制了GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報表和詳細(xì)的觀測計劃表，按計劃表確定的觀測時段進行觀測。

控制網(wǎng)的觀測技術(shù)指標(biāo)：

①作業(yè)技術(shù)指標(biāo)：采用靜態(tài)相對定位方法施測，同步作業(yè)圖形之間采用點、邊連接的方式；

②同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)不小于4顆；

③觀測時段長度不小于45min；

④平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)不小于1.6（觀測時段數(shù)）；

⑤數(shù)據(jù)采樣間隔15s；

⑥天線高在觀測前、后各量測1次，每次在3個互成120°的方向上量測3個讀數(shù)，讀數(shù)至1mm，互差不大于3mm，GPS觀測按規(guī)定都填寫了測站手簿。

2.4控制網(wǎng)平差計算

GPS靜態(tài)定位測量采用WGS-84參考橢球，使用華測專用GPS處理軟件《Compass標(biāo)準(zhǔn)版》對采集的數(shù)據(jù)進行處理和平差計算，平差后將成果直接歸算至深圳獨立坐標(biāo)系（成果見表1）。

表1　GPS坐標(biāo)及高程成果表

邊長精度和點位精度的分析和統(tǒng)計：最弱邊邊長相對中誤差為（IVDY5～IVDY6）：1/75928，小于規(guī)范規(guī)定的1/40000，該邊邊長為295.839。

根據(jù)規(guī)范，GPS D級網(wǎng)相鄰點間基線長度精度按下式表示：

式中：σ——中誤差；

A——固定誤差，A≤5mm；

B——比例誤差，B≤1mm；

d——相鄰點間平均邊長。

按上式計算本控制網(wǎng)最弱邊中誤差不大于：

σ≤±5.01(mm)

實際平差后統(tǒng)計的該邊長中誤差為：

σ=±3.9(mm)

本控制網(wǎng)最弱點（IVDY6）點位中誤差為：

σ=±5.2(mm)

其各項精度符合技術(shù)設(shè)計要求。

3　結(jié)論與分析

（1）根據(jù)GPS網(wǎng)三維無約束平差和二維約束平差的結(jié)果可見，本次GPS測量成果的精度達(dá)到了原設(shè)計要求，成果質(zhì)量是可靠的。

（2）GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測區(qū)，更顯得其優(yōu)越性。但由于本測區(qū)條件限制，有較短邊（邊長295.839）出現(xiàn)，基線相對精度較低，因此當(dāng)測區(qū)有短邊出現(xiàn)時，要謹(jǐn)慎觀測，可優(yōu)先選用單頻GPS接收機，有效地消除電離層影響。

（3）GPS接收機觀測基本實現(xiàn)了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強度，觀測質(zhì)量主要受觀測時衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點的選定受到地形條件限制，造成樹木遮擋、測站上空高度角達(dá)不到要求，影響衛(wèi)星信號的接收，因此應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求選點，選擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等無線信號對GPS接收機的影響。

（4）GPS測量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機軟件完成，但其基線向量的解算是一個復(fù)雜的平差過程。實際處理時要顧及觀測時段中信號間斷引起的數(shù)據(jù)剔除、劣質(zhì)觀測數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)及剔除、星座變化引起的整周未知參數(shù)的增加，進一步消除傳播延遲改正以及對接收機鐘差重新評估等問題。因此GPS定位基線處理后應(yīng)對其結(jié)果作觀測值殘差、基線長度的精度、雙差固定解與雙差實數(shù)解的分析。

[1]劉大杰，施一民，過靜君.全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996.

[2]張希黔，黃聲享，姚剛.GPS在建筑施工中的應(yīng)用[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]GB/T18314-2001全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4]GB 50026-2007工程測量規(guī)范[S].中國計劃出版社，2008.

[5]CJJ8-99城市測量規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，1995.

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1004-5716(2015)07-0103-03

2014-07-10

2014-07-14

姜信東（1966-），男（漢族），江西鷹潭人，助理工程師，現(xiàn)從事工程測量技術(shù)工作。