浅析温州雁楠公路乐清段中GPS控制测量的应用

武晓龙 徐爱霞 薛敏霞

摘 要：当今社会，高等级公路建设迅猛发展，对勘测技术提出了越来越高的要求。由于线路长、已知点少，地面通视困难等，往往影响常规测量的实施。GPS的应用，使公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，在保证测量精度的同时，极大的提高了工作效率。该文基于作者多年从事工程测量的相关经验，以GPS在道路工程中的应用为研究对象，分析探讨了GPS控制测量的工作原理，简要阐述了GPS外业观测和内业数据处理方法，说明了GPS控制测量的高效率、高质量、低强度等特点，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借签意义。

关键词：GPS 控制测量 原理 闭合差 平差

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0047-02

测绘工作必须遵徇“由整体到局部，先控制后碎部，由低级到高级”的原则，先建立控制网，再根据控制网进行碎部测量。控制网布设的优劣和施测直接影响到整个项目的进度和质量，因此控制测量就成为测量工作的关键。温州雁楠公路乐清段线路长约25km，整个区段属于山岭重丘区，地形复杂，测量作业难度大；项目亦始，作业组就根据技术设计在整个区段布设一级GPS控制网，先后完成选点、埋石、外业观测、成果处理等各项工作，大大提高了工作效率，节省了人力和物力，保证了整个项目的作业进度。

1 GPS工作原理

全球卫星定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时多功能系统。它利用位于距地球2万多公里高的由24颗人造卫星组成的GPS空间卫星群，来向地球不断发射定位及时间信号。GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在地面需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻T同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列的数据处理和计算求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SBP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。计算P点三维坐标（XP、YP、ZP）的数学公式为：

SAP2=[（XP-XA）2+（YP-YA）2+（ZP-ZA）2]

SBP2=[（XP-XB）2+（YP-YB）2+（ZP-ZB）2]

SCP2=[（XP-XC）2+（YP-YC）2+（ZP-ZC）2]

式中（XA、YA、ZA），（XB、YB、ZB），（XC、YC、ZC），分別为卫星A、B、C在时刻T的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在工程控制测量中常用地固坐标系统。如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系以及1954北京坐标系。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。

2 GPS测量的特点

相对常规测量方法，GPS测量具有诸多优点：首先测站之间无需通视，测站上空只需开阔，选点灵活方便；其次定位精度高，观测时间短，同时提供三维坐标，其高程精度已可以满足四等水准要求；另外GPS操作简便，自动化程度高，可以全天候作业，可以在任何地点，任何时间连续进行，一般不受天气影响。

3 GPS选点和埋石

项目亦始，作业组在1：10 000线状地形图上预先标注预选的一级GPS点，然后到现场勘查，确定控制点满足条件后进行埋设，点间距离一般≤1.5km，≥0.5km，平均边长约1km为保证观测质量，作业组严格按以下标准选点埋石。

点位均选在土质坚实、稳固可靠，利于长期保存的地方，同时方便仪器安置和安全操作，利于加密和扩展，每个控制点至少有一个通视方向。

点位选在视野开阔的地方，视场内尽量避免高度角>15°的成片障碍物；点位附近避免有强烈干扰接收卫星信号的物体，距离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等）200m以上，距离高压输电线50m以上；

为方便线路勘测和施工放样，点位距离线路中心线一般≥50m，且≤300m，同时尽量选择在交通方便位置，利于点位寻找和后续使用。

点位选定后，按规格埋设标石，标石表面有点名和施测单位名称。所有GPS点在埋石时均设置明显的指向标志，并现场绘制交通路线略图，填写点之记。

4 GPS网形布设

GPS控制网对点位图形结构没有太多限制，对点位之间的通视条件也没有严格要求，控制点的位置是彼此独立直接测定的。

GPS网布设应由一个或若干个独立网构成，可采用点联式、边联式、网连式以及混连式布设，本网采用点联式。

布设网形时应考虑测区周边已有控制点的分布情况，原则上联测不少于4个高等级GPS控制点，并使其均匀分布。

5 GPS施测

此次施测范围为25km，共布设一级GPS点28个，联测测区周边的3个高等级GPS点作为本网起算点。

测量过程中使用3台双频GPS接收机（中海达HD6000）进行静态观测。3台仪器均按要求进行年检，且年检合格；同步观测平均时间均>45min，实际观测时有效观测卫星数大都保持6～8颗，卫星高度角>15°，数据采样间隔为15s。

观测人员严格按照GPS接收机操作手册的规定进行观测作业，在现场按规定作业顺序填写观测手簿，天线安置的对中误差≤2mm，每时段观测均在测前、测后分别量取天线高，天线高量取精确至1mm，两次天线高差值均≤3mm后，取平均值作为天线高；观测时严防人员和其它物体触动天线或遮挡信号；接收机开始记录数据后，随时注意卫星信号和信息存诸情况，一旦出现异常，随时进行调整，必要时及时通知其它接收机调整观测计划。所有迁站工作经检查所有规定作业项目全部完成，且记录完整无误后进行。

6 GPS数据处理

GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，最后得到GPS控制点的三维坐标。

6.1 剔除不合格的基线

通过设置卫星高度角，采样间隔、有效历元等参数对基线进行优化。GPS外业观测的全部数据均经过过同步环闭合差、异步环闭合差和复测基线检核，然后舍弃不合格基线。当观测数据不能满足检核要求时，对成果进行全分析，舍弃不合格基线。

同步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差应满足：

WX≤σ，WY≤σ，

WZ≤σ，W≤σ

异步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差应满足

WX≤2σ，WY≤2σ，

WZ≤2σ， W≤2σ

复测基线长度较差应满足：

△d≤2σ。

6.2 无约束平差

在有效基线中提取必要的基线组成异步环（边数不超过6条），运用随机软件进行异步环解算进一步剔除含有粗差的基线观测量。即在WGS84坐标系中进行无约束平差，平差时无任何已知点参与，其基线向量的改正数（VX，VY，VZ）绝对值应满足VX≤3σ，VY≤3σ，VZ≤3σ。

经过无约束平差解算，各个异步环的基线向量改正数均小于限差3σ，其中误差最大的基线，其改正数VX=0.019 3m，VY=-0.027 2m，VZ=0.0279m，均<3σ=0.067 1m。

6.3 约束平差

当确认三维约束平差有效时，最后在北京54坐标系中进行二维约束平差，输入已知点的平面直角坐标，在平差中首先将一个已知点作为待定点进行处理，平差后用该点已知坐标与平差后坐标进行对比，X方向最大差值为0.005m，Y方向最大差值为0.006m，说明已知点之间网形兼容性较好。在确认平差结果可靠后，将该点作为已知点参与二维约束平差。在处理结果中，最弱边相对中误差<1/20000。

7 结语

GPS技术以其独特的优势在控制测量方面得到越来越广泛的应用。由于山区控制网的特殊性，实际工作中应注意：GPS观测数据质量的好坏与观测条件有很大的关系，选点时应尽量选择开阔地段，避免遮挡；GPS控制网边长较短时基线相对精度较低，当精度要求较高时，应避免短边，同时为了确保控制成果的可靠性，要按一定的频率对控制网进行复测。

参考文献

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