基于路橋工程測量中GPS的技術(shù)應(yīng)用論文

　　摘 要：勘測是設(shè)計的基礎(chǔ)，目前我國線路勘側(cè)的水平并不高，集成化、系統(tǒng)化的程度很低，與世界先進(jìn)水平相比還有一定的差距，不能適應(yīng)公路建設(shè)對勘測設(shè)計的要求。而線路工程設(shè)計的瓶頸是數(shù)據(jù)采集�，F(xiàn)在地面等原始數(shù)據(jù)的采集已開始采用GPS、航測、全站儀等多種現(xiàn)代化的高效的數(shù)據(jù)采集手段。本文結(jié)合數(shù)年來的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，探討了工程測量應(yīng)用中各誤差源的特性及改善數(shù)據(jù)處理精度的經(jīng)驗、方法。

　　關(guān)鍵詞：GPS；路橋工作；工程測量

　　一、路橋工程測量中GPS測量模式

　　由于測量地段的實地要求與用戶的個人需求的不同，所采用測量方式也是不同的。具體的講，GPS測量模式可以分為兩種：靜態(tài)測量和動態(tài)測量，在靜態(tài)測量模式中又按照監(jiān)測方式可分為兩種：常規(guī)靜態(tài)測量模式和快速靜態(tài)測量模式，在動態(tài)測量模式又按照監(jiān)測方式也可分為兩種：準(zhǔn)動態(tài)測量模式和實時動態(tài)測量模式，其中的實時動態(tài)測量模式包括兩種方式：DGPS和RTK。

　　1 GPS中的靜態(tài)測量模式

　　(1)常規(guī)靜態(tài)測量模式

　　所謂的常規(guī)靜態(tài)測量模式中，所需要在一條或數(shù)條基線的兩端分別安置有GPS接收機(jī)，以為（應(yīng)能）同時觀測4顆以上衛(wèi)星，并且根據(jù)基線長度和測量等級，在每個時段觀測45分鐘以上。其相對定位精度一般可以達(dá)到5mm十1ppm。目前這種測量模式常用于建立地殼運(yùn)動監(jiān)測網(wǎng)，建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)，進(jìn)行島嶼與大陸聯(lián)測，建立長距離檢校基線，鉆井定位及精密工程控制網(wǎng)建立等。

　　(2)快速靜態(tài)測量模式

　　所謂的快速靜態(tài)測量模式中，只需采用單臺GPS接收機(jī)，安置已知測站作為基準(zhǔn)站，對于所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤。移動站接收機(jī)依次到各待測測站，每測站觀測數(shù)分鐘。目前來說，這種測量模式常用于控制網(wǎng)的建立及其加密、工程測量、地籍測量等。

　　需要注意的是這種方法要求在觀測時段內(nèi)確保有5顆以上衛(wèi)星可供觀測，流動點與基準(zhǔn)點相距應(yīng)不超過20km。

　　2 GPS中的動態(tài)測量模式

　　(1)準(zhǔn)動態(tài)測量模式

　　所謂的準(zhǔn)動態(tài)測量模式，安置GPS接收機(jī)的方式和快速靜態(tài)測量模式中一樣，也是為了連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星。但是與快速靜態(tài)測量模式不同的是，觀測時間每測站觀測幾個歷元數(shù)據(jù)，它要求移動站在測站過程中不能失鎖，并且需要先在已知點或用其它方式進(jìn)行初始化。這種方法常用于精密測定運(yùn)動目標(biāo)的軌跡、測定道路的中心線、剖面測量、航道測量等。

　　(2)實時動態(tài)測量模式

　　所謂的實時動態(tài)測量模式，顧名思義就是指實時得到高精度的測量結(jié)果。其具體操作如下：將GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)和數(shù)據(jù)鏈架設(shè)在已知測站上，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送數(shù)據(jù)向移動站。而移動站接收機(jī)通過移動站數(shù)據(jù)鏈接收基準(zhǔn)站發(fā)射來的數(shù)據(jù)，并在機(jī)進(jìn)行處理，從而實時得到移動站的高精度位置。

　　二、路橋工程測量中GPS的靜態(tài)測量與處理

　　GPS控制測量一般采用靜態(tài)方式進(jìn)行，其數(shù)據(jù)處理一般分為兩步：基線解算和網(wǎng)平差。下面結(jié)合這兩方面以及高程擬合的相關(guān)問題，討論其影響因素。

　　1 基線解算

　　GPS3：程測量或控制測量中，基線解算一般采用載波相位雙差固定解，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到基線網(wǎng)平差的結(jié)果。工程測量中，GPS靜態(tài)測量數(shù)據(jù)處理時，基線解算的質(zhì)量檢核一般是在載波相位整周模糊度固定的條件下，考慮觀測量殘差分布的同時，由同步環(huán)、異步環(huán)的閉合差、重復(fù)基線的較差來檢核。為了進(jìn)一步檢核GPS觀測網(wǎng)中基線之間的相容性，還需要進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線的檢核。通常是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)，對其在WGS-84直角坐標(biāo)系下的三維分量的閉合差設(shè)定范圍，并以此來檢核。這種檢核的過程往往需要與上述的基線解算過程多次交叉進(jìn)行。以得到自洽性較好的GPS基線網(wǎng)。

　　對于GPS工程測量中基線網(wǎng)自洽性檢核，平面閉合差，高程閉合差分別采用不同的標(biāo)準(zhǔn)是比較符合實際的；這有利于控制GPS測量誤差對平面控制測量的影響，避免GPSN的WGS-84坐標(biāo)系空間分量檢核合格，而平面閉合差超限引起的不合理現(xiàn)象，也有利于將傳統(tǒng)的平面控制測量或?qū)Ь�測量與GPS測量更好的銜接起來。同時，也有利于GPS高程擬合中高程閉合差的控制，從而提高高程擬合的精度。

　　2 GPS網(wǎng)平差

　　GPS網(wǎng)平差分為WGS-84坐標(biāo)系下三維(無約束和約束)平差和工程測量坐標(biāo)系下的平面約束平差。平差過程表明，GPS獨立基線向量中粗差的剔除、基線轉(zhuǎn)換投影到工程測量坐標(biāo)系的二維向量這兩步對于最后的二維平面平差的結(jié)果至為重要。

　　3 高程擬合

　　靜態(tài)GPS網(wǎng)的高程擬合一直以來是很多工程測量部門比較關(guān)心的問題，討論的比較多的常常是數(shù)學(xué)擬合或引入局部水準(zhǔn)面的改正方法，如數(shù)值擬合法、整體平差法、綜合處理法、移動曲面法、線性擬合法、平面擬合法、斜面擬合法、引入EGM96重力場模型的高程擬合等。

　　高程擬合的過程一般為：在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行了最小約束或約束平差后，利用得到的WGS-84大地高、某些公共點上的正常高及其平面位置，進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合并內(nèi)插出未知點上的正常高，必要時還需要進(jìn)行相應(yīng)的地形改正，以提高數(shù)學(xué)擬合的精度，削弱大地水準(zhǔn)面不均勻性對擬合的影響。

　　三、路橋工程測量中GPS的動態(tài)測量與處理

　　RTK(Real Time Kinematic)是GPS實時動態(tài)測量方式的簡稱，也是工程測量中GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破，在這種的監(jiān)測模式中，其觀測值與測站坐標(biāo)信息通過基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈將一起被傳送給流動站；流動站不僅可以通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還同時采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后直接輸出觀測點的坐標(biāo)。在使用RTK測量模式中精度損失有：

　　1 轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的精度損失

　　在進(jìn)行RTK測量時，首先需要輸入控制點的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，以此來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，依據(jù)此得到轉(zhuǎn)換后的地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。這其間待測點坐標(biāo)的精度存在著坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的損失，經(jīng)驗表明，這種損失一般在1cm左右，但與控制點的精度和分布有關(guān)。因此需要合理的選擇WGS-84坐標(biāo)的獲取方式，而且，對于某一小測區(qū)范圍而言，輸入的控制點點位所組成的圖形盡量能夠涵蓋該測區(qū)，對于較大范圍的測區(qū)，建議進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的分區(qū)求解，而且區(qū)與區(qū)之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)闹睾宵c。

　　2 基準(zhǔn)站與流動站之間的距離

　　在RTK測量模式中，對其精度影響較大是基準(zhǔn)站與流動站之間的距離、軌道誤差和大氣延遲誤差。當(dāng)基準(zhǔn)站與流動站之間的距離較短時，其影響能夠模擬，其殘差能夠通過觀測值的差分處理得到削弱甚至基本消除，當(dāng)基準(zhǔn)站與流動站之間的距離較長時，它們的影響越大，得到固定解的時間一般也較長，對觀測結(jié)果的影響也會越大。而且，伴隨著基準(zhǔn)站與流動站間距離的增大，GPS誤差的空間相關(guān)性會逐漸失去線性，所以在二者較長距離下，即使流動站數(shù)據(jù)經(jīng)過差分處理后仍然含有較大的觀測誤差，從而容易導(dǎo)致定位精度的降低與無法解算載波相位的整周模糊度。

　　3 測站環(huán)境及天氣狀況

　　RTK測量結(jié)果的精度影響影響因素：基準(zhǔn)站、流動站上的環(huán)境及天氣狀況。當(dāng)基準(zhǔn)站周圍的干擾較多時，會減小電臺的控制范圍，影響作業(yè)效率。當(dāng)其周環(huán)境較差時，降低會接收信號的質(zhì)量，增大測量噪聲，最終使得RTK定位的結(jié)果收到很大影響。而且，基準(zhǔn)站與流動站、各流動站之間的氣象條件差異較大時，RTK測量結(jié)果會受到明顯的影響，最為明顯的就是高程測量的結(jié)果。

　　4 操作人員的誤差

　　在RTK測量模式中，與其它的測量模式一樣，一樣也要求整平儀器、對中及量取儀器的高度等等。但是RTK測量成果的精度還會受到操作人員使用方法及實際經(jīng)驗的不同的影響。在使用RTK測量模式進(jìn)行城市一級導(dǎo)線的測量時，必須采用三腳基座對流動站進(jìn)行對中整平，以盡量減小其對觀測值的影響。

　　5 基準(zhǔn)站的誤差

　　在RTK測量模式中，是利用基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和基線向量，得到的流動站的坐標(biāo)，因此，傳人到流動站的結(jié)果中會存在有基準(zhǔn)站的誤差會，致使流動站的坐標(biāo)受到影響。另一方面，在流動站的結(jié)果中還存在有基準(zhǔn)站的對中、整平等人員操作誤差，且流動站坐標(biāo)的解算也會受到基準(zhǔn)站周圍環(huán)境對GPS觀測量質(zhì)量的影響。因此，要盡盡量減少在RTK測量模式中的基準(zhǔn)站誤差的影響。

　　從測量技術(shù)來看，RTK技術(shù)替代一級導(dǎo)線測量的可行性問題，RTK高程測量的精度問題將成為未來所發(fā)展的方向。所以，本文主要根據(jù)上文中所提到的精度損失以及作者在工作中的經(jīng)驗認(rèn)為，在RTK測量轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理情況下，采用雙基準(zhǔn)站雙采樣(或多采樣)的方法，可以有效的消除基準(zhǔn)站誤差的影響，削弱對流層延遲的隨機(jī)性誤差對于RTK高程的影響，從而提高RTK平面測量和高程測量的精度。

　　四、觀測數(shù)據(jù)的評價標(biāo)準(zhǔn)：

　　在工程勘測施工GPS靜態(tài)相對定位中，觀測數(shù)據(jù)的評價一般分為四級：良好、合格、存疑和不合格。

　　4.1 良好

　　良好具有如下要求：①測量基準(zhǔn)點環(huán)境好，無施工震動，焊接作業(yè)及其他電磁波等干擾；②觀測過程中大氣狀況穩(wěn)定能觀測到所有的預(yù)報衛(wèi)星；③接收機(jī)運(yùn)行正常，沒有或偶爾發(fā)生短暫的失鎖或故障報警，但很快得以排除；④測點上全部操作過程都符合規(guī)定，資料齊全；⑤實時絕對定位解收斂平穩(wěn)。

　　4.2 合格

　　合格具有如下要求：①測點上有施工震動及其他電磁波等干擾；②觀測過程中大氣狀況有明顯的波動，如有暴風(fēng)雨過境和氣象突變等；③接收機(jī)運(yùn)行不大正常，多次出現(xiàn)報警或衛(wèi)星失鎖，且由于未能及時排除或多次積累致使約有10%的觀測數(shù)據(jù)無效；④測站上的操作過程基本符合要求；⑤實時單點定位解的收斂過程有波動。

　　4.3 存疑：

　　合格具有如下要求：①測站上信號干擾因素比較嚴(yán)重；②觀測過程中報警或信號失鎖頻繁，有約20%的觀測數(shù)據(jù)無效；③單點定位解收斂波動較大。

　　4.4 不合格：

　　合格具有如下要求：①由于多種因素，如氣象、儀器、高層建筑施工等影響，致使無效數(shù)據(jù)多于30%；②觀測衛(wèi)星數(shù)少于4顆；③單點定時定位解收斂很困難。

　　結(jié)語：GPS在工程測量領(lǐng)域，定位技術(shù)自身獨特而強(qiáng)大的功能，能進(jìn)一步提高測量作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度，節(jié)省測量費用。另一方面，GPS技術(shù)的強(qiáng)大功能與潛力尚未充分挖掘，如與GIS集成，實時控制，綜合自動化作業(yè)是以后的發(fā)展方向，隨著科技的不斷進(jìn)步，理論和實踐的結(jié)合，精度更高，速度更快，適應(yīng)環(huán)境更廣，抗干擾能力更強(qiáng)的系統(tǒng)將會逐步推出，GPS在工程測量中的應(yīng)用會更加廣泛。

　　參考文獻(xiàn)：

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