GPS技术在工程施工测量中的应用

(四川华泽建筑设计有限公司 四川 成都 610000)

一、工程测量中应用GPS定位技术的基本原理及特点

(一)GPS定位技术的基本原理

GPS定位的基本原理是根据几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置，从测量的角度来说，它与测距后方交会法相似。GPS定位系统主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

1.空间卫星星座由24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，GPS卫星用L波段的两个无线电载波向使用者连续不断地发送导航定位信号，信号中含有卫星的位置坐标信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

2.地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站收集各监测站的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航信息数据注人到相应卫星的存储器中。

3.用户设备由GPS接收机、数据处理软件及终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机接受待测卫星的信号，对信号进行一系列地处理，再通过相应软件计算待测点的三维坐标。GPS系统采用了距离交会法，根据已知的卫星瞬时坐标，确定用户天线所对应观测点的位置。

(二)GPS系统的主要特点

1.定位精度高。实践证明，用载波相位观测量进行静态相对定位在小于50km的基线上可达1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置误差小于1mm(1h以上观测)；实时动态定位(RTK)可达厘米级的精度。

2.观测时间短。目前，20km以内静态相对定位的时间仅需15～20min，快速静态定位只需2min左右，实时动态定位每站观测1～2s就可完成。

3.测站间无需通视。这是GPS技术区别于常规测量的最大优点，尤其是布设长大隧道施工控制网时，可省去大量的传算点、过渡点的测量，大大减少测量作业时间和费用，同时也使选点布网变得非常灵活。

二、GPS定位技术在工程施工测量中应用的具体方法

(一)准备工作

1.对待测区进行勘察，并收集相关资料。主要调查当地的控制点分布情况、交通情况、水文分布情况、植被情况、以及当地的风俗民情等。相关资料包括待测区的地形图，各类控制点成果以及与之有关的地质、交通、气象、通信等方面的资料。

2.拟定观测计划。观测计划的主要内容包括：(1)设计精度。要求平均边长小于1km，最弱边相对误差小于1/10000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm，比例误差系数b≤20×10-6。(2)编制GPS卫星的可见性预报图，选择卫星的几何图形强度。(3)选择最佳的观测时段。根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段，卫星的几何分布越好，定位精度就越高

3.选择接收机型号并检验。一般小于20公里点位情况良好，宜采用单频接收机，反之，选用双频接收机。接收机性能的检验主要有：一般检验，主要检查接收机各部件及其附件是否完好，使用手册等相关资料是否齐全等；通电检验，主要是检验接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况；实测检验，主要检验方法为标准基线检验、已知坐标边长检验、零基线检验、相位中心偏移量检验。

(二)外业测量工作

1.合理选点。GPS观测点的选取比较灵活，但也要遵循GPS测量的一些原则。

(1)每点最好能与其中某一点通视。(2)应选择在上空开阔、视场内周围障碍物的高度角小于15°，以免信号被遮挡或吸收，影响观测质量。(3)要远离大功率无线电发射源和高压电线等，其距离应大于200m，以免电磁场对信号的干扰。

2.埋设标志。GPS网点应埋设具有标志的标石，以精确标志点位，点的埋设必须坚固以利于长久保存与利用，并做好记录。

三、工程测量中应用GPS定位技术的优缺点及相关处理措施

(一)GPS定位技术应用于工程测量中的优点

相对于常规的测量方法来讲，GPS定位技术应用于工程测量有以下优点：(1)定位精度高，误差分布均匀。(2)观测时间短。(3)抗干扰能力强，保密性好，可以实现全天候连续测量定位。(4)自动化程度高，操作简便。(5)采用GPS-RTK测量法与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。

(二)GPS定位技术应用于工程测量中的缺点及相关处理措施

GPS定位技术应用于工程测量也存在不足之处，主要缺点和注意事项如下：(1)GPS测量系统中信号传播，受环境的影响，计算时引入一定的误差。因此，选待测点时一定要保证点位上空视角范围内应尽量避免有障碍物，向上角度≥15°；远离大功率无线电发射源和远离高压输电线路；避开大面积的水域。(2)在市政工程测量中，GPS测量常出现接收不到信号，或者一直处于浮动状态，出现假固定或者不能固定。因此，GPS在市政工程测量时，为保证工程测量控制点精度满足要求，应进一步使用常规仪器进行水准联测。(3)不同型号GPS工程测量成果之间存在差异。因此，GPS网在进行平差计算时应注意：归算至大地水准面上；归算到高斯投影面上。(4)GPS定位技术尚没有统一规范。因此相关部门应进一步完善规范标准，统一的地理信息标准。

四、GPS定位技术在工程施工测量中的误差分析及改进措施

(一)空间卫星误差

卫星误差主要有卫星星历误差、卫星钟的误差、卫星轨道误差和卫星设备延迟误差。其中卫星轨道误差主要误差来源之一。改进措施有：(1)忽略轨道误差。(2)模型改正法。(3)引进改正参数法。(4)同步求差法。(5)合理选择软硬件及测量地点和方法。

(二)空间传播误差

空间传播误差主要有电离层传播延迟、对流层折射误差、多路径效应误差等。其中多路径效应误差的影响可达到厘米级，是不容忽视的。改进措施有：(1)避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。(2)选择良好的接收机，减少干扰，提高精度。

五、问题与思考

(1)仪器选型问题。接收机型号、生产厂家众多，精度和基本功能相似，但稳定性、抗干扰能力、接收和处理信号能力、困难条件下跟踪能力、初始化速度相差很大，尤其是RTK作业。用于工程施工测量尤其是桥隧控制测量的仪器，稳定和可靠性压倒一切，因此，应多渠道、全方位调查、了解，并尽可能通过实测检验。(2)布网问题。控制网应采用边连式和网连式，长大隧道进、出口间控制点联接方式最好采用网连式，以增加检核条件，提高可靠性。(3)观测时段选择。实施外业观测前应收集最新的卫星星历，选择卫星数大于5，且PDOP值小于8(B级网应小于6)的时段安排观测。