浅谈GPS定位技术在工程施工测量中的应用

浅谈GPS定位技术在工程施工测量中的应用谷青（周口市规划建筑勘测设计院）摘要：本文简要论述了GPS定位技术在工程施工测量中应用的基本原理，应用于工程测量的优缺点及相关处理措施，在工程测量中的具体操作方法，在实践中误差来源分析及改进措施，为今后GPS定位技术应用与工程测量提供了一定的参考。关键词：GPS定位技术；工程施工测量；基本原理；优缺点；操作方法；误差分析1引言GPS英文全名是“GlobalPositionSystem”，意为“全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。GPS全球卫星定位导航系统，开始时只用于军事目的，，后转为民用被广泛应用于商业和科学研究上。GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。目前，在工程测量中，为了保证控制测量和施工放样的精度，满足工程质量要求，GPS定位技术被广泛应用于工程施工测量中。GPS测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，从而求定测量点的空间位置，它具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能，能提供精密的三维坐标、速度和时间，而且具有良好的抗干扰性和保密性。现已成功应用于工程测量、大地测量、地籍测量、物探测量、航空摄影测量及各种类型的变形监测等诸多领域。本文主要对GPS定位技术在工程施工测量中的应用做简要论述。2工程测量中应用GPS定位技术的基本原理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。⑴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。⑵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。⑶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（0x、0y、0z），确定用户天线所对应观测点的位置。设接收机天线的相位中心坐标为（x、y、z），则GPS卫星和用户接收天线之间的几何距离ρ=222000x-x+y-y+z-z（）（）（），式中有X、Y、Z三个未知量，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测站点坐标（X、Y、Z），在以上叙述中我们可以看到，用户可以平均同时观测到6颗卫星，所以我们可以经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。3工程测量中应用GPS定位技术的优缺点及相关处理措施3.1GPS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：⑴观测不需要通视，测量时选点灵活。不需要建立瞻标，这样可以大大减少测量观测时间和经费。GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强，并且且作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。⑵定位精度高，误差分布均匀。GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。一般双频接收机基线解精度为5mm＋1ppm，红外仪标称精度为5mm＋5ppm，实践证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达-61210，而在100～500km的基线上可达-6-710~10，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。⑶观测时间短。GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。采用布设控制网时每个测站上的观测时间一般在1～2h左右，其观测时间只需1～2min。⑷抗干扰能力强，保密性好，可以实现全天候连续测量定位。GPS定位技术性能稳定，可在任何地点进行全天候工作，一般不受天气状况的影响，大大方便了测量作业。⑸自动化程度高，操作简便。定位系统可具有自动记录数据、自动平差计算、跟踪观测等功能，操作简单，提高了工作效率。⑹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。3.2GPS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：⑴GPS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。⑵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。⑶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。⑷GPS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。4GPS定位技术在工程施工测量中应用的具体方法4.1准备工作4.1.1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。4.1.2拟定观测计划观测计划的主要内容包括：⑴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-6b2010。⑵编制GPS卫星的可见性预报图，选择卫星的几何图形强度。⑶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⑷观测区域的设计与划分。设计基准和控制网，一般采用3台GPS接收机进行观测，网形布设成边连式。⑸设计GPS网与地面的联测方案。尤其对信号接受不好的待测区，应做好联测方案的设计，以保证其精度。⑹编排作业调度表，以保证测量任务按时完成。4.1.3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。4.2外业测量工作4.2.1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。⑴每点最好能与其中某一点通视。⑵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。⑶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。⑷避免大面积水域对电磁波反射和吸收。⑸选择交通方便的地方，以有利与其它观测手段联测。4.2.2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。4.2.3外业观测外业观测工作主要包括：安装天线、观测作业和观测记录等。天线利用三脚架安置，天线底板上的圆水准器气泡必须居中，天线的定向标志应指北，三次测量互差小于3mm取平均值。观测作业就是获取所需要的定位信息和观测数据。观测记录由GPS接收机自动进行，观测者应做好记录。在测量的过程中，应严格限制高频及对讲机等无线电波的使用，避免环境对信号的干扰，从而提高GPS本身的定位精度。5GPS定位技术在工程施工测量中的误差分析及改进措施5.1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：⑴忽略轨道误差。此方法不考虑卫星轨道实际存在的误差，用于精度较低工程测量中。⑵模型改正法。利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。适用于对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。⑶引进改正参数法。此方法是在处理数据时引进轨道改进参数，采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。一般情况都适用。⑷同步求差法。通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用于误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。⑸合理选择软硬件及测量地点和方法。5.2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：⑴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。⑵选择良好的接收机，减少干扰，提高精度。5.3施工操作误差在施工中，存在作业人员配合不默契及测量时操作程序不规范等人为因素，对工程测量产生一定误差。改进措施主要有：⑴加强操作人员的技术培养。⑵规范相应的管理制度。6小结通过以上论述我们可以看到，GPS定位技术在工程施工测量中有其独特的优越性和适应性，为工程测量质量提供了有利的保障，具有明显的经济和社会效益。随着相关技术软件的不断发展改进，GPS定位系统在工程测量中有着更加广阔的应用前景。参考文献[1]张春雨.GPS定位原理及其在工程测量中的应用[J].中小企业管理与科技，2007(10).[2]汪灯林.GPS定位技术在工程测量中的应用[J].中国高新技术企业，2009(22).[3]刘成，毕爱增.GPSRTK技术在工程测量中的应用[J].铁路航测，2000(3):31-32.[4]高尚.GPS定位技术的应用分析[J].天中学刊，1997，12(5):120-121.[5]刑忠堂，张丽.GPS定位技术及其在公路勘测中的应用探讨[J].科技信息，2009，(27):30.[6]李雷.GPS定位技术在工程测量中的应用[J].金属矿山，2003，(8):31-32.[7]陶家科.GPS定位技术在工程测量中的应用[J].科学之友，2010:16-17.[8]赵崇广.GPS定位技术在勘界测绘中的应用[J].福建地质，2001(1):57-60.[9]肖祥明.GPS定位技术在桥梁施工测量中的应用[J].山西建筑，2007，33(29):359-360.[10]张延安，段常在.GPS定位原理及误差分析概述[J].内蒙古水利，2006(2).[11]高海清.定位技术在土木工程测量中的应用[J].西北电力技术，2004：93.[12]郝福恒.浅谈测量工程中GPS定位技术的推广与应用[J].科技与经济，2006，(19):136.[13]郭春武.GPS技术定位原理及在公路测量中应用研究[J].中国水运（理论版），2006，4（9）.[14]梁明亮，宋宪华.GPS电子地图的建立及GPS定位技术的应用[J].郑州铁路职业技术学院学报，2010，22(2):22-23.[15]汪灯林.GPS定位技术在工程测量中的应用[J].中国高新技术企业，2009，(22):33-34.[16]徐绍铨，张华海，杨志强等.GPS测量原理及应用[M].武：武汉大学出版社，2003.[17]周建郑.GPS测量定位技术[M].北京：化学工业出版社，2004．[18]潘文琴，周德标.GPS技术在工程测量中的作用[J].中国新技术新产品，2010，(11):10.[19]汪灯林，杨殷.GPS定位技术在工程测量中一点探讨[J].江西测绘，2010，(1):16-17.