GPS在工程测量中的应用研究

【摘要】随着工程建设的发展，GPS技术获得了广泛的应用。GPS技术的应用为我国工程测量的发展开辟了新的道路，提高了测量的精度和质量。本文结合GPS技术的介绍，以实际工程测量论述了该项技术的应用。

【关键词】GPS技术；工程测量；应用

每项工程都必须与社会的经济效益相挂钩，测量是工程项目中最基本的工作，在设计和施工中发挥着重要的作用，只有通过精确的工程测量，才能完成实际工程项目的设计和施工规划，为工作布置提供合理的依据。比如为取得一条最经济最合理的路线，必须先进行路线勘测，绘出路线图。工程测量在设计和施工过程中占据着重要位置，在日常生活中常用测距、测角和测水准等方式进行常规测试，随着时代的发展和科技的进步，GPS技术逐渐取代了传统的常规测量技术，并以全新的面貌迎接新的的挑战。

1、GPS概述

GPS的英文全称是Global Positioning System.即全球定位系统。GPS把高速运行的卫星的瞬间位置作为已知的数据，应用空间距离后方交会的方法确定待测点的位置。在GPS中一般采用空间固定的坐标系统和地固坐标系统，地固坐标系统常被应用于工程测量中，在实际使用中为了求出使用坐标系统的坐标常常需要变换坐标系统[1]。GPS测量系统主要包括控制部分和用户部分。

①控制部分

控制部分由建设于地面的5个跟踪站组成，5个跟踪站又分为主控站、监控站和注入站三种。监控站将采集的数据储存送入主控站，主控站将处理后的数据编制成导航电文送至注入站，注入站将数据注入到卫星的存储系统，并实时监控数据的正确性。

②用户部分

接收机硬件、数据处理软件、微处理器和终端设备组成了用户部分，用户部分主要用于接收卫星发出的信号，以此进行定位导航，只有通过用户设备，应用GPS的目的才能完全体现出来。

2、GPS技术在工程测量中的应用

2.1静态相对定位的应用

静态GPS测量技术主要用于建立大规模的公路勘测控制网，优点是精度高、作业速度快、经济效益可观[2]。用静态GPS测量技术建立勘测网的费用只有常规测量的四分之一，下面介绍静态GPS测量技术建立控制网的方法。

①初步勘察

调查当地的水文和交通情况后，可组织相关人员进行路线的初步勘察，选择合适的GPS点，并初步构思GPS点之间的联测。

②控制网设计

GPS控制网要进行多方面的综合考虑，实际工程中利用接收机同步观测以边连、点连和混合连的方式构成整体网，便于组成叫多点的异步环、同步环和复测基线，拥有较强的集合强度。

③选点

选点要根据设计图纸进行合理的选点，并且要保证所选点满足控制点之间的间距要求，便于安置接收设备，利于以后勘测工作的进行。

④架设GPS观测仪

架设GPS观测仪时，先安装天线，再操作接收机，最后处理观测记录。

⑤观测数据的处理

该工作分为基线解算和GPS平差计算两个步骤，在专业软件中调入GPS原始观测数据，对全部基线进行解算，确定基线解算的正确性，再对GPS网进行预处理，排除误差的基线向量，根据基线选择控制网的平差值。

⑥高程

以大地水平面为基准的正常高与测量中得到的大地高存在异常，要知道正常高就必须联测一定数量的水准点，再通过拟合计算，求出高程异常值，求出待定点的高程。由于测量高程过程中不存在累计误差，作业速度也较快，所以经常在平坦的小区域用静态定位技术。用静态定位技术拟合水准高程可以为其它高程测量提供依據，在实际中取得了广泛的应用。

2.2动态相对定位的应用

由于静态定位模式数据处理滞后，也存在较多的弊端，对观测数据的质量存在影响，降低了工作效率。RTK定位技术是基于载波相位观测值的动态观测技术，它能实时提供测站点在指定坐标中的三位定位结果，并且精读高。在RTK作业模式中，基准站将观测的数据传送给流动站，流动站在采集观测数据之后进行差值分析给出定位结果[3]。

3、实例应用

3.1布设GPS网

测区位于青海省切克里克区域，海拔高度2900-3100m，最高海拔达到3310m，面积约为40km2。本次测区没有已知控制成果，所以应覆盖全测区布设二等GPS网并加密三等GPS网作为整个测区的平面和高程控制网，测区内共架设15个观测点，按照边连式布设出大地四边形以提高控制网的精度。

3.2观测方法

观测过程中应用6台双频接收机，其中3台为莱卡1230，3台为莱卡GS15，观测工作开始前，结合当天的工作内容制定工作计划和GPS卫星的可见性预报表，便于在规定的时间内实现同步观测。不同的同步环观测一个时间段，观测时间超过60min，卫星截止高度角在15°以上，有效观测卫星数量在6个以上，任意一个观测卫星的观测时间必须在15min以上，采样间隔15s[4]。

在观测过程中，如果GPS网为B级以下，则在测量过程中，同一条边任意时刻边长之差 需满足以下关系：

其中σ是在仪器标称精度情况下得出的基线距离中误差，在成果检验不合格时，必须重测一条基线边或者基线网。

本次测区没有控制成果，所以应覆盖全测区布设GPS点及五等导线点。首先布设二等GPS网，再布设三等GPS网，然后布设五等附和导线，并联测三等三角高程，这样形成全测区的控制网。

二等GPS网形组成：全测区布设二等GPS控制网作为测区首级平面控制测网，考虑到高山区地形的特点，GPS点成对埋设，共埋设8对，每对抽选一个点作为二等GPS点，其余为三等GPS点。GPS网按二等精度要求，每组点对同步观测时间按8小时进行，PDOP值应不大于8，数据采样间隔15～30s，卫星高度截止角150，同时观测有效卫星数不少于4，有效卫星数总数不少于6。重复基线测量的差值，应小于2σ。

同步环各坐标分量闭合差应符合：

Wx≤1.5σ、Wy≤1.5σ、Wz≤1.5σ，W≤1.5σ

异步环各坐标分量闭合差应符合：

Wx≤3σ、Wy≤3σ、Wz≤3σ，W≤3σ

其中n为闭合环中的边数，σ为相应级别规定的GPS网相邻点间的弦长精度（按平均边长计算） ，σ=，其中a=10mm、b=5mm/km，d为闭合环中的平均边长，单位为km。

全网最弱相邻点边长相对中误差应小于1/150000。

三等GPS观测中按三等精度要求，每组点对同步观测时间按1.5小时进行，PDOP值应不大于10，数据采样间隔15～30s，卫星高度截止角150，同时观测有效卫星数不少于4，有效卫星数总数不少于6。

重复基线测量的差值，应小于2σ。

同步环各坐标分量闭合差应符合：

Wx≤1.5σ、Wy≤1.5σ、Wz≤1.5σ，W≤1.5σ

异步环各坐标分量闭合差应符合：

Wx≤3σ、Wy≤3σ、Wz≤3σ，W≤3σ

其中n为闭合环中的边数，σ为相应级别规定的GPS网相邻点间的弦长精度（按平均边长计算） ，σ=，其中a=10mm、b=10mm/km，d为闭合环中的平均边长，单位为km。全网最弱相邻点边长相对中误差应小于1/80000。

3.3 GPS数据处理

基线解算通过Pinnacle GPS软件得出基线解，此时数据的平均比率为40.4，检验合格。按照GPS测量规范对各项限差进行处理，结合GPS网精度要求，检验同步环、异步环和复测基线的结果。

在该测量项目中，GPS网最大边长、最短边长、平均边长分别为23.1km、2.1km、9.4km，同步环和异步环的最大闭合差分别为20.9mm、46.4mm，均满足GPS测量规范的精度要求。异步环闭合差统计如表1所示。

在计算GPS网平差的过程中，采用南方GPS数据处理软件，确定出外业測量的结果，在WGS84坐标系下计算出网平差。同时保证不同方向的基线分量满足以下关系：

Vx=Vy=Vz<3Mo=144mm

其中Mo表示基线长度中误差，平差后基线分量改正数的绝对值的最大Vx、Vy、Vz分别为8.478mm、13.849mm、16.580mm，满足约束要求。

4、结束语

GPS技术已广泛应用于工程测量领域，与传统的勘测方法相比，使用GPS技术不但节约工作周期、提高了工作效率而且精度也比以往提高了许多，利用GPS技术还可以较大测量工程的控制网，将为未来工程测量行业的发展提供新的动力。

参考文献

[1]公路勘测规范（JTG C10—2007）北京.人民交通出版社，2010，36（4）：69.

[2]冯晓，周平，范洪成等.基于RTK功能的GPS道路中线测设原理与试验[J].重庆交通学院学报，2012，21（4）：75-78.

[3]土家贵，土佩贤，裴亮等，测绘学基础[M].北京：教育科学出版社，2013，25（7）：125.

作者简介

张贤勇（1973.10），性别：男，贵州省毕节市（籍贯），现职称：中级，学历：本科，研究方向：工程测绘技术。