GPS在高精度工程测量控制网中的应用研究

何光源

（郑州中核岩土工程有限公司，河南 郑州 450000）

1 前言

现阶段，一般通过布设三角网，利用高精度全站仪进行边角联测建立高精度测量控制网。 这种方法的内外业工作量较大，各方面要求较高。 同时，由于受到现场地形、通视等情况的影响，控制网的图形条件不容易满足，点位精度不均匀，整体精度不容易控制，测量工作劳动强度和难度相对较大。

GPS 全球定位系统， 是随着现代科学技术的迅速发展而出现的新一代精密卫星定位技术。 近年来GPS 接收机质量和精度不断提高， 用GPS 测量坐标的绝对和相对精度提高到厘米级甚至亚毫米级， 大大拓展了它的应用范围和在工程测量中的作用。 多年来在控制测量中应用GPS 的经验表明， 利用GPS 建立高精度工程测量平面控制网是可行的， 但GPS 建立的高程控制网在现阶段达不到工程施工的要求。 对于GPS 建立高精度工程测量平面控制网能达到怎样的精度， 如何进行内外业工作使GPS建立的平面控制网符合施工测量要求这些问题， 本项目在工程实践的GPS 测量数据中增加多个已知条件进行平差处理， 并将获得的结果和高精度全站仪测量结果进行比较来加以说明， 并进一步研究如何使GPS 在高精度工程测量平面控制网的测量中获得较高精度。

2 GPS 测量的基本原理

GPS 测量的基本原理就是将两台或两台以上的GPS接收机分别安置在测量基线的两端，同步观测相同的GPS卫星[1]。 以GPS 卫星和用户接收机天线之间距离（或距离差）的观测量为基础，确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。 通过GPS 平差软件对所获得的基线进行解算， 在WGS84 坐标系统下进行三维自由网平差，并利用已有控制点进行平差处理，获得控制点的坐标成果。 GPS 定位方法主要有伪距法和载波相位测量法。

3 GPS 测量的特点

GPS 测量主要有以下特点：

3.1 在大地控制测量中精度高。 GPS 控制测量的精度在大地控制测量中高于常规利用全站仪进行的三角测量。

3.2 测站之间不需通视。 GPS 测量可根据现场情况和测量的实际需要确定点位， 选点和测量工作更加灵活方便。

3.3 仪器操作简单、观测方便。 测量人员只需对中、整平、量取GPS 天线高及开机后设定参数，GPS 接收机即可进行自动观测和记录，操作已达智能化。

3.4 可进行全天候作业。GPS 接收的卫星数目较多，且分布均匀，可在任何时间进行观测。

3.5 在工程测量中应用广泛。GPS 可用于精密工程，如控制网测量、变形监测、隧道贯通测量，也可用于测绘各种比例尺地形图和施工放样。

3.6 GPS 测量的劳动强度优于其他测量方法。

4 工程实例

某电厂因工程施工需要建立高精度工程测量控制网，要求在现场布设12 个控制点，控制网的平面点位精度要求在2mm 以内。 其主要目的和作用是：为厂区内各级控制网的建立、 厂区形变监测提供基准， 为厂区内建（构）筑物施工定位、放样测量、设备安装测试及局部控制网加密提供依据。

控制网测量在施工初期通视性较好， 随着施工的进行， 控制点的通视性越来越差， 全站仪的测量也更加困难。 为了找到更加可行的测量方法，在本工程项目中利用全站仪进行三角测量的同时， 利用GPS 对部分控制点进行测量，对两种测量方法获得的成果进行比较，研究应用GPS 建立高精度工程测量控制网的可行性， 并为日后利用GPS 进行测量提供实践依据。

4.1 控制网观测方案的设计

控制网的观测方案按照规范要求[2]，依据现场具体情况和三角测量、GPS 测量的特点与具体要求进行设计。

4.1.1 三角测量方案

图1

三角测量利用TC2003 全站仪进行测量，水平角采用全圆观测法观测6 个测回， 垂直角采用对向观测中丝法观测3 个测回。 边长采用正倒镜往返观测3 测回测量斜边，最终结果取平均值。 同时，在测量边长时测线的两端测量温度和气压，在内业中进行边长气象改正。 控制网图如图1。

4.1.2 GPS 测量方案

为了使GPS 测量获得精度较高的数据，在12 个控制点中选择8 个测站进行测量，要求上空尽可能开阔，在15高度角以上没有成片的障碍物,周围约200m 的范围内没有强电磁波干扰源,并且测站要远离对电磁波信号反射强烈的地点[3]。

GPS 测量采用四台Leica 双频GPS 接收机进行，测量时GPS 接收机安置在观测墩强制归心基座上。 设置卫星截止高度角大于15，有效卫星总数不少于6 个，重复观测时段数不少于2 个时段，历元采样时间间隔为15s，GDOP值小于6，观测时段长度大于90min。 采用静态测量作业模式进行测量， 当GDOP 值大于6 时， 适当延长观测时间。 GPS 测量时确保一定的重复设站次数，并对异步环中相邻很近的两个点进行同步观测， 以提高整个网的相对精度。 控制网图如图2。

图2

4.2 数据处理

本次三角网测量， 共组成16 个三角形， 总边长13260.1410m,平均边长378.8610m，最小边长88.3790m，最大边长835.313m， 三角形最大内角闭合差为3.45″，最小为0.01″。

三角测量数据经外业数据计算各项限差符合规范要求后, 使用南方公司的南方平差易2005 平差软件以A01为起算点，以A01-A04 为起算方向进行平差处理。平差前方向中误差0.54″，经平差后，最大点位误差[A14]=1.4mm，最小点位误差[A12]=1.0mm，平均点位误差=1.2mm，最大点间误差=2.7mm，最大边长比例误差1/161685，平面网验后单位权中误差=0.70s。 平差结果表明，三角测量方法在本次测量中取得较高的精度。

GPS 测量数据处理先利用天宝GPS 测量平差软件进行基线解算，解算出的基线比率和参考变量均符合要求。最后导出基线解算成果，利用CosaGPS 平差软件，增加已知边长与方位角的多种方法进行平差计算， 平差结果如下：

4.2.1 利用两个已知坐标进行二维约束平差， 最弱点A14 的点位中误差为1.7mm， 最弱边SA02-A10 的边长比例误差为1/189000。

4.2.2 利用两个已知坐标与两个已知边长进行二维约束平差， 最弱点A14 的点位中误差为1.5mm， 最弱边SA10-A02 的边长比例误差为1/177000。

4.2.3 利用两个已知坐标与三个已知边长进行二维约束平差， 最弱点A14 的点位中误差为1.4mm， 最弱边SA02-A10 的边长比例误差为1/184000。

4.2.4 利用两个已知坐标、 三个已知边长和一个已知的方位角进行二维约束平差， 最弱点A14 的点位中误差为1.2mm， 最弱边SA10-A02 的边长比例误差为1/174000。

4.3 成果比较

4.3.1 边长成果比较[4]

为了检验GPS 测量的边长成果可靠性，利用TC2003全站仪观测经气象改正后的边长， 与GPS 二维约束平差后的边长进行比较。

通过表1 的多种GPS 平差结果的边长与TC2003 全站仪测量的边长的比较可以看出， 随着GPS 平差已知条件增加，GPS 二维约束平差后的边长与TC2003 全站仪观测经气象改正后的边长整体上越来越接近， 说明增加GPS 平差中已知条件，可以提高GPS 测量边长的精度。因而，在进行GPS 测量时，只要统筹考虑观测时间和测量中影响到GPS 测量精度的因素，选择质量较好、精度较高的仪器，设计合适的网形，避开不利因素进行测量，充分利用高精度的已知数据参与GPS 二维平差，GPS 测量边长就可以达到精密工程测量的要求。

4.3.2 坐标成果比较

为了检查GPS 平差坐标精度的可靠性， 对三角测量平差获得的坐标与GPS 二维约束平差后获得的坐标进行比较[5]。

通过表2 多种GPS 二维约束平差后获得的坐标与三角测量平差获得的坐标的比较可以看出：GPS 二维约束平差后的坐标与三角测量平差获得的坐标有差别， 但随着GPS 平差已知条件的增加，GPS 二维约束平差后获得的坐标接近三角测量平差获得的坐标。 因而在GPS 的数据平差处理中，增加高精度的已知数据参与约束平差，可以获得较高的GPS 测量坐标精度。

表1 全站仪测量的边长与GPS 二维约束平差的边长比较

表2 三角测量平差坐标与GPS 二维约束平差的坐标比较

5 结论

分析工程实例中的数据，我们可看出：

5.1 在GPS 测量中参与二维平差的已知数据越多，最弱点的点位中误差越小。

5.2 随着已知数据的增加，GPS 测量二维平差数据越接近高精度的三角测量平差数据。

5.3 GPS 测量中只要观测方法采用得当， 有适当高精度已知数据参与平差，GPS 测量的坐标就可以达到2mm 的点位精度。

由此可见，当观测现场的通视条件较差，控制网图形条件达不到要求，利用全站仪测量难以达到精度要求时，利用GPS 进行测量，并在GPS 平差中加入全站仪测量的高精度边和方位角作为已知数据， 在GPS 的平差软件中进行二维约束平差，可以提高控制网测量精度。 但需要有适当高精度已知数据才能达到工程施工测量的要求，这就需要配合使用高精度的全站仪。 同时，GPS 测量精度还受到作业的环境、仪器性能和软件功能的影响，如何降低甚至消除这些影响，GPS 测量如何进行才能独立地完成高精度工程测量控制网的建立， 还需要较长时间的探索和进一步研究。 随着科学技术的发展，GPS 测量的精度会越来越高，其将在高精度工程测量中得到广泛应用。

［1］中华人民共和国国家标准.GB/T 18314-2001.全球定位系统（GPS）测量规范［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［2］中华人民共和国国家标准.GB50026-2007.工程测量规范［S］.北京：中国计划出版社，2007.

［3］王增学. 如何提高GPS 在工程测量应用中的精度［J］.科技创新导报，2009（1）：62-66.

［4］苏永年.GPS 网与测边网在施工控制网中的应用研究［J］.四川测绘，2001，24（4）：7-101.

［5］张小望，杨锦.GPS 在大型电厂高精度厂区控制网测量中的应用［J］.电力勘测与设计，2005（2）：43-48.