GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在城市供水工程中的應(yīng)用

商博

（河南省水利勘測有限公司，河南　鄭州　450003）

GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在城市供水工程中的應(yīng)用

商博

（河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003）

本文主要介紹GPS靜態(tài)測量在施工控制測量中的應(yīng)用，在觀測過程中注意基線結(jié)算的影響，動態(tài)RTK技術(shù)在施工中的應(yīng)用計算及精度評定，同時闡明GPS在實際工作中的優(yōu)越性及發(fā)展方向。

GPS；靜態(tài)測量；動態(tài)RTK測量；衛(wèi)星定位

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測繪技術(shù)也在不斷的更新完善。由經(jīng)緯儀到全站儀器到GPS衛(wèi)星定位，測繪工作發(fā)生了根本性的變化。目前GPS衛(wèi)星定位已取代三角測量，成為建立控制網(wǎng)的重要方法，近幾年發(fā)展成雙星定位甚至多星定位，大大地提高了測量的水平精度及高程精度［1］。

1　傳統(tǒng)導(dǎo)線測量

圖1所示為傳統(tǒng)控制測量的網(wǎng)圖布置，從圖1可以看出，傳統(tǒng)控制測量圖形強(qiáng)度不高，而且對邊長要求比較高。兩次測量邊長操作起來更難控制。中間程序，人為操作有很大的不穩(wěn)定性，對操作人員有很高的要求。

2　靜態(tài)測量

2.1靜態(tài)測量在工程測量中的應(yīng)用——邊連式

某城市供水工程基礎(chǔ)控制網(wǎng)是邊連式（共計14個點），當(dāng)有n臺儀器共同作業(yè)時，每觀測一個時段就可以測得n-2個新點。其特點是觀測作業(yè)方式具有較好的圖形強(qiáng)度和較高的作業(yè)效率，點與點之間可以不通視。網(wǎng)圖布置如圖2所示。

圖1　傳統(tǒng)控制測量的網(wǎng)圖布置

圖2　靜態(tài)測量的網(wǎng)圖布置

出測前，作業(yè)員對GPS主機(jī)、電池、腳架和對講機(jī)等進(jìn)行認(rèn)真的檢查，了解GPS內(nèi)存數(shù)據(jù)容量、各GPS點所處的環(huán)境；作業(yè)前，對GPS的各項設(shè)置進(jìn)行檢查，包括靜態(tài)觀測模式、高度截止角、數(shù)據(jù)采樣率、天線類型等，認(rèn)真架好儀器，對中（天線對中誤差不得大于3mm）、整平（天線集成體上的圓水準(zhǔn)氣泡必須居中，沒有圓水準(zhǔn)氣泡的天線，調(diào)整天線基座腳螺旋，使在天線互為120°方向上量取的天線高，互差小于3mm）。GPS網(wǎng)平面觀測技術(shù)要求見表1，解算質(zhì)量如表2所示。

表1　GPS測量主要精度要求

表2　解算質(zhì)量

其中，環(huán)1，0214——0212——0211閉合差0.002 5m；環(huán)2，0214——0218——0216閉合差0.020 9m；環(huán)3，0214——0216——0217閉合差0.020 2m；環(huán)4，0209——0212——0211閉合差0.002 0m（以其中的部分環(huán)為例）。

2.2平面控制測量精度統(tǒng)計結(jié)果

從表3統(tǒng)計結(jié)果可看出，靜態(tài)測量主要是解決控制網(wǎng)問題，單點定位考慮的是整體的精度。當(dāng)個別點的平面高程精度較高時，需要考慮的是最弱邊、整體的網(wǎng)形。本組數(shù)據(jù)中需要代入已知點進(jìn)行平差計算。隨著CORSS的出現(xiàn)可以不帶入已知點進(jìn)行平差，根據(jù)84坐標(biāo)直接解算北京54坐標(biāo)或者西安80坐標(biāo)。表3中平面高程精度和環(huán)閉合差都滿足精度要求，經(jīng)過和傳統(tǒng)測量比較得出結(jié)論：靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)完全能滿足施工精度要求且是厘米級精度。

以上平面高程質(zhì)量解算精度很好，能滿足工程施工要求，但是在觀測過程中一定要注意GPS基線解算過程中對前提條件的判斷。

表3　平面控制測量精度統(tǒng)計表

2.3靜態(tài)測量存在問題與解決措施

2.3.1已知點坐標(biāo)使用錯誤。錯誤的引用會使整個坐標(biāo)系統(tǒng)大范圍的平移，從而導(dǎo)致解算結(jié)果嚴(yán)格的不匹配，即當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)和WGS-84不統(tǒng)一。解決辦法就是采用長時間的單點定位結(jié)合CORSS系統(tǒng)獲得該點的WGS-84坐標(biāo)，從而計算出北京54坐標(biāo)和西安80坐標(biāo)；也可用于基線解算的整個控制網(wǎng)，對所有基線起點坐標(biāo)的點的坐標(biāo)和衍生，使基線結(jié)果有系統(tǒng)性偏差，然后再進(jìn)行嚴(yán)格的GPS網(wǎng)平差。

2.3.2同步衛(wèi)星觀測，個別航道上的衛(wèi)星觀測時間太短。可以通過LOGO軟件人為的刪除某個時間段的衛(wèi)星或者屏蔽該航道上的衛(wèi)星，通過反復(fù)的調(diào)節(jié)可以提高整個網(wǎng)平差的精度。特別是F檢驗不合格時可以著重從這個角度去檢查，如表4所示。當(dāng)F檢驗超過1時不合格，通過刪除衛(wèi)星重新進(jìn)行結(jié)算。

表4　網(wǎng)平差分析表（測試）

表5　GPS基線向量殘差

2.3.3衛(wèi)星周跳嚴(yán)重的解決辦法?？梢詮幕€解算后所獲得的觀測值殘差上來分析個別衛(wèi)星經(jīng)常發(fā)生周跳，可以通過LOGO軟件人為刪除某個時間段的衛(wèi)星或者屏蔽該航道上的衛(wèi)星，如表5所示。從表5可以明顯看到，JP3-JP5殘差較大，可以重點看JP3和JP5同步衛(wèi)星的觀測時間出現(xiàn)跳動幅度較大的時間段，進(jìn)行屏蔽或凍結(jié)。還可以通過LOGO軟件中的基線總覽中的PDOP值的大小來確定周跳嚴(yán)重的時間段及在哪個點上，如表6所示。表6中的PDOP值很好，當(dāng)大于10時可以作為重點分析對象。

表6　基線總覽表

3　動態(tài)測量

GPS RTK測量是依據(jù)后方交會原理實時給出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，就必須實時進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。以某一城市供水工程為例，轉(zhuǎn)換參數(shù)精度如表7所示，殘差統(tǒng)計結(jié)果見表8，檢驗結(jié)果見表9。

表8　殘差統(tǒng)計表

表9　檢驗表

從表8可以看出殘差計算很好，最大值為2mm；當(dāng)超過5cm時認(rèn)為不合格，殘差大的點不能參與計算，同時說明該點出現(xiàn)位移或沉降。從表9比較數(shù)據(jù)可以看出，平面坐標(biāo)的結(jié)果互差最大22mm，高程互差最大值15mm，可以作出結(jié)論GPS RTK測量結(jié)果的精度均達(dá)到厘米級，完全能滿足在工程施工精度要求。而在計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時，要注意參與計算的點要平均分布在測區(qū)周圍及中心，盡量避免幾個點在一條直線上。如果在一條直線上會出現(xiàn)距離已知點越遠(yuǎn)其誤差越大。此外，為了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最好選5個以上的點利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過動態(tài)測量校核已知點，檢驗是否能達(dá)到精度要求，經(jīng)過校驗滿足要求的轉(zhuǎn)換參數(shù)認(rèn)為是可靠的。

4　GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測量中的優(yōu)越性

從工程測量實施應(yīng)用中可充分看到GPS測量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。對于常規(guī)測量，所需人員包括一個選點人員、一個后視棱鏡和一個前視棱鏡、一個觀測者和記錄人員，所需人員多；不同等級的路線測量對幾何圖形和前后視距有嚴(yán)格要求；在測量過程中會受到通視條件、天氣因素的限制；程序操作比較復(fù)雜，需要開展計算方位角、水平距離等一系列的工作。

相比常規(guī)測量，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用體現(xiàn)出如下優(yōu)越性。①需要人員少，操作簡便，GPS測量的自動化程度很高。采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)測方格網(wǎng)，比常規(guī)方法有更強(qiáng)的適用性。網(wǎng)形簡單，點的疏密和邊的長短可靈活選取，即使離控制點較遠(yuǎn)也可以連接起來，不存必須通視的情況，并有效控地制網(wǎng)的方向，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)測量隨著邊長增加而出現(xiàn)累積誤差。②GPS間不要求相互通視，點位的選擇更為靈活，可以自由布設(shè)。③衛(wèi)星定位網(wǎng)大大淡化了“分級布網(wǎng)，逐級控制”的布設(shè)原則。不同等級之間的依存關(guān)系并不明顯，高級網(wǎng)對低級網(wǎng)只起定位和定向的作用，不發(fā)揮整體控制作用。④控制點位置是彼此獨立直接測定的。傳統(tǒng)控制網(wǎng)中各元素之間的依賴關(guān)系和推算公式不再適用，有關(guān)誤差的傳播和累計關(guān)系發(fā)生了變化，最弱邊、最弱點的概念已不重要。

5　結(jié)語

GPS測量技術(shù)的應(yīng)用，將極大地推進(jìn)工程測量技術(shù)的發(fā)展，使城市大地測量和工程測量手段實現(xiàn)全自動化，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

［1］陳傳勝，李嵐發(fā).控制測量學(xué)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

Application of GPS Satellite Positioning Technology in Urban Water Supply Project

Shang Bo
（Henan Province Water Conservancy Survey Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

This paper mainly introduced the GPS static measurement in construction control measurement in the application，the influence of the baseline settlement in the course of observation，application calculation and accuracy evaluation of dynamic RTK technology in construction.Meanwhile，this paper discussed the GPS in the actual work of superiority and development direction.

GPS；static measurement；dynamic RTK measurement；satellite positioning

TU991

A

1003-5168（2016）06-0028-03

2016-05-28

商博（1980-），男，項目經(jīng)理，研究方向：GPS衛(wèi)星定位技術(shù)。