淺析GPS在工程勘測(cè)中的研究應(yīng)用

劉景維

（遼寧地礦測(cè)繪院，遼寧 沈陽(yáng) 110121）

引言

隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測(cè)繪定位技術(shù)發(fā)生了革命性的變革，為測(cè)繪工作提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。GPS控制網(wǎng)不僅具有很高的平面精度，同時(shí)也為用戶提供了比較準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。GPS測(cè)量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作，對(duì)這項(xiàng)工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、和人力的消耗。因此，對(duì)其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

1 GPS控制測(cè)量

GPS控制測(cè)量工作與經(jīng)典大地測(cè)量工作相類(lèi)似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)(即觀測(cè)站址的選擇)、建立觀測(cè)標(biāo)志、野外觀測(cè)作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測(cè)量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個(gè)階段：技術(shù)設(shè)計(jì)；選點(diǎn)與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測(cè)；成果檢核與處理。

1.1 作業(yè)方法：采用兩臺(tái)（或兩臺(tái)以上）接收機(jī)，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長(zhǎng)度和要求的精度，按GPS測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)量等級(jí)確定。

1.2 定位精度：基線測(cè)量的精度可達(dá)±（5mm＋1ppm×D），D為基線長(zhǎng)度，以公里計(jì)。

1.3 作業(yè)要求：采取這種作業(yè)模式所觀測(cè)的獨(dú)立基線邊，應(yīng)構(gòu)成閉合圖形（如三角形、多邊形），以利于觀測(cè)成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性。

1.4 適用范圍：建立國(guó)家大地控制網(wǎng)（二等或二等以下）；建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測(cè)量、隧道測(cè)量等；建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測(cè)量、工程點(diǎn)測(cè)量、道路測(cè)量、勘界測(cè)量等；觀測(cè)中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時(shí)基線邊一般不要超過(guò)15km。

1.5 注意事項(xiàng)：所有已觀測(cè)基線應(yīng)組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

2 控制測(cè)量布網(wǎng)方案

2.1 選點(diǎn)。由于GPS測(cè)量觀測(cè)站之間不一定要求相互通視，而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，所以選點(diǎn)工作比常規(guī)控制測(cè)量的選點(diǎn)簡(jiǎn)便。但由于點(diǎn)位的選擇對(duì)于保證觀測(cè)工作的順利進(jìn)行并保證測(cè)量結(jié)果的可靠性有著重要的意義，所以在選點(diǎn)工作開(kāi)始前，除收集和了解有關(guān)測(cè)區(qū)的地理情況和原有測(cè)量控制點(diǎn)分布及標(biāo)架、標(biāo)型、標(biāo)石完好情況，決定其適宜的點(diǎn)位外，選點(diǎn)工作還應(yīng)遵守以下原則：①點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開(kāi)闊的較高點(diǎn)上。②點(diǎn)位目標(biāo)要顯著，視場(chǎng)周?chē)?5以上不應(yīng)有障礙物，以減小GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收。③點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，其距離不小于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送綬道，其距離不得小于50m，以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。④點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。⑤點(diǎn)位交通方便有利于其他手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方。⑥地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。⑦當(dāng)所選點(diǎn)位需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)時(shí)，選點(diǎn)人員應(yīng)實(shí)地踏勘水準(zhǔn)路線。根據(jù)以上原則選擇了包括測(cè)區(qū)且分布較均勻的7個(gè)GPS點(diǎn)，之后埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點(diǎn)位，點(diǎn)的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定、堅(jiān)固以利長(zhǎng)久保存和利用。

2.2 觀測(cè)記錄。在外業(yè)觀測(cè)工作中，所有信息資料均須妥善記錄。記錄形式主要觀測(cè)記錄和測(cè)量手簿。測(cè)量手簿是在接收機(jī)啟動(dòng)前及觀測(cè)過(guò)程中，由觀測(cè)者隨時(shí)填寫(xiě)的。應(yīng)記載觀測(cè)過(guò)程中發(fā)生的重要問(wèn)題，問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)間及其處理方式等。必須認(rèn)真、及時(shí)填寫(xiě)，堅(jiān)決杜絕事后補(bǔ)記或追記。外業(yè)觀測(cè)中存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件應(yīng)及時(shí)拷貝一式兩份，分別保存在專(zhuān)人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲(chǔ)介質(zhì)的外面，適當(dāng)處應(yīng)貼制標(biāo)簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點(diǎn)名、時(shí)段名、采集日期、測(cè)量手簿編號(hào)等。接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉(zhuǎn)錄到外存介質(zhì)上時(shí)，不得進(jìn)行任何剔除或刪改，不得凋用任何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施重新加工組合的操作指令。具體要求如下：①衛(wèi)星截止高度角為15°；②有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)必須超過(guò)4個(gè)；③采樣間隔為5秒；④時(shí)段長(zhǎng)度必須大于45分鐘；⑤幾何精度因子（PDOP）必須小于10，（實(shí)際觀測(cè)數(shù)為 PDOP≤4）；(6) 儀器天線高從三個(gè)方位量測(cè)三次取平均值。

3 GPS數(shù)據(jù)處理

GPS接收機(jī)采集記錄的接收機(jī)天線至衛(wèi)星偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)必須通過(guò)GPS數(shù)據(jù)處理才能得到最終的測(cè)量定位成果。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸。GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)記錄在接收機(jī)的內(nèi)存模塊上。數(shù)據(jù)傳輸是用專(zhuān)用電纜將接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，并在后處理軟件的菜單中選擇傳輸數(shù)據(jù)選項(xiàng)后，便將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，生成四個(gè)數(shù)據(jù)文件：載波相位和偽距觀測(cè)值文件、星歷參數(shù)文件、電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件、測(cè)站信息文件。觀測(cè)值文件是容量最大的文件。觀測(cè)值記錄中有對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星號(hào)、衛(wèi)星高度角和方位用，C/A碼偽距，L1、L2的相位觀測(cè)值，觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的歷元時(shí)間，積分多普勒記數(shù)，信噪比等。星歷參數(shù)文件包含所有被測(cè)衛(wèi)星的軌道位置信息，根據(jù)這些信息可以計(jì)算出任一時(shí)刻衛(wèi)星的位置。電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件中，電離層參數(shù)用于改正觀測(cè)值的電離層影響，UTC參數(shù)用于將GPS時(shí)間修正為UTC時(shí)間。測(cè)站信息文件包含測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、測(cè)站的概略坐標(biāo)、接收機(jī)號(hào)、天線號(hào)、天線高、觀測(cè)的起止時(shí)間、記錄的數(shù)據(jù)量、初步定位成果等。經(jīng)數(shù)據(jù)分流后生成的四個(gè)數(shù)據(jù)文件中，除測(cè)站信息文件外，其余均為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件。為下一步預(yù)處理的方便，必須將它們解譯成直接識(shí)別的文件，將數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn)，剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式并將各類(lèi)數(shù)據(jù)文件加工成標(biāo)準(zhǔn)化文件，找出整周跳變點(diǎn)并修復(fù)觀測(cè)值；對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行各種模型改正。數(shù)據(jù)處理中要多次進(jìn)行衛(wèi)星位置的計(jì)算，而GPS廣播皇歷每小時(shí)有一組獨(dú)立的星歷參數(shù)，使得計(jì)算工作十分繁雜，需要將衛(wèi)星軌道方程標(biāo)準(zhǔn)化，以便計(jì)算簡(jiǎn)便，節(jié)省內(nèi)存空間。GPS衛(wèi)星軌道方程標(biāo)準(zhǔn)化一般采用以時(shí)間為變量的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合處理。來(lái)自廣播星歷的衛(wèi)星鐘差是多個(gè)數(shù)值，需要通過(guò)多項(xiàng)式擬合求得惟一的平滑的鐘差改正多項(xiàng)式。用于確定真正的信號(hào)發(fā)射時(shí)刻并計(jì)算該時(shí)刻的衛(wèi)星軌道位置，同時(shí)也用于將各站對(duì)各衛(wèi)星的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)以估算它們之間的相對(duì)鐘差。不同的接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)記錄有不同的格式。例如觀測(cè)時(shí)刻這個(gè)記錄，可能采用接收機(jī)參考?xì)v元，也可能是經(jīng)過(guò)改正歸算至GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。在進(jìn)行平差（基線向量的解算）之前，觀測(cè)值文件必須規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化。具體項(xiàng)目包括：記錄格式標(biāo)準(zhǔn)化；記錄項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化；采樣密度標(biāo)準(zhǔn)化；數(shù)據(jù)單位的標(biāo)準(zhǔn)化。

4 高程控制質(zhì)量的可靠度分析

本區(qū)在進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)，由于沒(méi)有收集到水準(zhǔn)點(diǎn)高程，所以高程控制采用國(guó)家二等三角點(diǎn)高程為起算數(shù)據(jù)，與布設(shè)的GPS控制點(diǎn)進(jìn)行高程擬合，求得控制點(diǎn)GPS高程。由于GPS高程沒(méi)有與水準(zhǔn)點(diǎn)高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)、檢核。所以其可靠程度是人們最關(guān)心的問(wèn)題。實(shí)際上人們已經(jīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)證明：如果平差結(jié)果的各項(xiàng)精度和指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求，GPS高程擬合的模型是全理的，擬合的結(jié)果能滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量精度的要求。檢驗(yàn)方案包括同步環(huán)檢驗(yàn)，異步環(huán)檢驗(yàn)和重復(fù)基線檢驗(yàn)。

[1]喬仰文等.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測(cè)繪中的應(yīng)用.教育科學(xué)出版社.2002.5.

[2]高建新.高精度全球差分GPS的應(yīng)用.測(cè)繪信息與工程.2002.4.