GPS測(cè)量技術(shù)在城市測(cè)量工程中的應(yīng)用

茂名市國(guó)土資源局勘探測(cè)繪院第一分院 525000

摘要：文章簡(jiǎn)述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，介紹了GPS測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用及比較，結(jié)合城市控制測(cè)量（或大地測(cè)量）的實(shí)際，采用GPS技術(shù)進(jìn)行城市控制網(wǎng)的建立、擴(kuò)建有著重要意義。

關(guān)鍵詞：GPS工程測(cè)量；技術(shù)原理；應(yīng)用；大地測(cè)量，比較

1 GPS 技術(shù)的定義

GPS 技術(shù)由于由高策低，測(cè)量范圍可以很大，測(cè)量精度高?？砂葱璨荚O(shè)控制網(wǎng)，簡(jiǎn)化加密級(jí)別，省去聯(lián)測(cè)過渡點(diǎn)。GPS 系統(tǒng)包括3 大部分：空間部分- GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分- 地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分- GPS 信號(hào)接收機(jī)?？臻g衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在地球6個(gè)軌道平面上的24 顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星每2小時(shí)沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘控制無線電發(fā)射機(jī)在“低噪聲窗口”四周發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS 導(dǎo)航信號(hào)。地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、1 個(gè)主控站和3 個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：監(jiān)控站用GPS 接收系統(tǒng)測(cè)量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給主控點(diǎn)。主控站接收各監(jiān)測(cè)站的GPS 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測(cè)站和注入自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站；控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)站間，注入時(shí)間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)；診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。注入站接受主控站送達(dá)的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星用戶接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS 數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

2GPS工程測(cè)量控制網(wǎng)的概述

一般將GPS工程測(cè)量網(wǎng)分為兩大類：1.全球或全國(guó)性高精度的GPS測(cè)量網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)的距離在數(shù)千公里左右，用于大范圍測(cè)量控制框架和科研；2.區(qū)域性的GPS測(cè)量網(wǎng)，它包括城市或施工區(qū)域控制、變形監(jiān)測(cè)等，網(wǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)距離很近，主要作用服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

3 工程測(cè)量平面坐標(biāo)系的建立原理

（1）高斯投影長(zhǎng)度變形公式

高斯投影長(zhǎng)度變形公式地面上的邊長(zhǎng)歸化至平均海水面上，再投影至高斯平面，變形公式如式（2）：

（2）

其中：△S為地面長(zhǎng)度歸化的高斯投影面的總改正值；S為地面兩點(diǎn)間距離；△S1為地面長(zhǎng)度歸化至海平面的改正，△S2為海平面距離投影到高斯平面的改正；V1為地面長(zhǎng)度歸化至海平面的改正系數(shù)，V2為海平面距離投影到高斯平面的改正系數(shù)；Hm為歸算邊高出海平面的平均高程，h為平均海水面與參考橢球體之問的高差；Rn為歸算邊方向平均海水面法截弧的曲率半徑，ym為歸算邊兩端點(diǎn)y坐標(biāo)的平均值：Rm為平均海水面的平均曲率半徑。

上面公式中的Rn和Rm相差很少，在計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)便，一般用地球平均半徑R代替，h一般也忽略不計(jì)，通常用下面的近似公式（3）：

（3）

人們無論從測(cè)圖、設(shè)計(jì)用圖到施工放樣，都希望邊長(zhǎng)改正△S改正值盡量的小，使實(shí)地實(shí)測(cè)距離與坐標(biāo)間反算距離、實(shí)測(cè)圖上的距離吻合。因此《城市測(cè)量規(guī)范》《公路勘測(cè)規(guī)范一JTGC10—2007》中，均明確規(guī)定，每公里的改正不大于2.5cm。

（2）工程測(cè)量平面坐標(biāo)系建立的方法

從上面的公式時(shí)，可以看出，當(dāng)測(cè)區(qū)平均高程Hm在1O0m以下，Y坐標(biāo)平均值在40km以下，高斯投影改正每公里小于2.5cm。能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

每公里距離改正2.5cm，即為：

（4）

從公式中的△S1、△S2兩項(xiàng)改正，符號(hào)相反，故對(duì)以上要求，還可適當(dāng)放寬。然而，有一些測(cè)區(qū)，往往難以使。

為此，通過選擇某一獨(dú)立的平面坐標(biāo)系來解決，具體方法是：根據(jù)測(cè)區(qū)的具體情況，通過改變Hm和中央子午線的位置，進(jìn)而改變ym的值以抵消△S的影響。

4 GPS測(cè)量技術(shù)在外業(yè)中的施測(cè)

在GPS測(cè)量中，衛(wèi)星主要被作為位置已知的空間觀測(cè)目標(biāo)，從而形成了不需要地面點(diǎn)的后方交會(huì)，每臺(tái)接收機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的控制點(diǎn)，經(jīng)過接受到的數(shù)據(jù)解算出點(diǎn)的經(jīng)緯坐標(biāo)（WGS一84），在多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)便形成了很多三角網(wǎng)形參與平差解算，自由網(wǎng)無約束平差解算出WGS一84坐標(biāo)，然后把己知的控制點(diǎn)進(jìn)行約束平差得到BJ一54坐標(biāo)。

考慮到測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選多于4臺(tái)GPS接收機(jī)為一套設(shè)備，以兩臺(tái)儀器為一組，成對(duì)布設(shè)GPS點(diǎn)。在組成良好網(wǎng)形的前提下，每一對(duì)GPS點(diǎn)必須通視良好，其間距一般500米左右，以便于以后作為全站儀導(dǎo)線點(diǎn)的起始點(diǎn)。

GPS聯(lián)測(cè)和高等級(jí)導(dǎo)線在各個(gè)單位均有各自不同軟件和方法平差解算，在此不在贅述。在做較長(zhǎng)距離導(dǎo)線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生投影變形，投影變形處理與否將直接導(dǎo)致整個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)成敗。

5 GPS測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用及比較

某工程施工控制測(cè)量采用“分層布網(wǎng)·兩級(jí)控制”的原則即以該工程首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)為已知點(diǎn)對(duì)分層布設(shè)的加密控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法有常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)和GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)。對(duì)其中的兩次加密控制網(wǎng)（1、2）進(jìn)行了大地測(cè)量技術(shù)和GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)測(cè)量以比較測(cè)量結(jié)果的可靠性，為工程施工控制測(cè)量采用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)提供依據(jù)。

5.1網(wǎng)形介紹

施工加密控制網(wǎng)是以該工程首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)作為已知起算點(diǎn)，根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行加密以滿足施工測(cè)量放樣工作的需要。

5.2使用儀器、測(cè)量技術(shù)及結(jié)果

（1）應(yīng)用大地測(cè)量技術(shù)

大地測(cè)量技術(shù)主要采用大地測(cè)量?jī)x器如經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、干濕溫度計(jì)、氣壓計(jì)等對(duì)所布設(shè)的控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量。該工程控制網(wǎng)采用測(cè)邊網(wǎng)，高程采用測(cè)距三角高程，使用WILDT2經(jīng)緯儀+DI2002測(cè)距儀按照觀測(cè)技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行平差計(jì)算其結(jié)果見表1、表2。

表1 網(wǎng)l大地測(cè)量技術(shù)坐標(biāo)成果表（單位：m）

點(diǎn)名坐標(biāo)

XYH

EQ1319946.45149151.24368.O33

EQ1419989.41448863.69340.558

EQ1519991.96848594.68644.873

EQ162O162.29248733.O4627.259

EQ1720151.39148798.83037.687

EQ1820147.35048986.OOO49.456

EQ1920236.35449102.34076.484

EQ2020235.87449183.69O76.624

表2 網(wǎng)2大地測(cè)量技術(shù)坐標(biāo)成果表（單位：m）

點(diǎn)名坐標(biāo)

XYH

左導(dǎo)墻20545.489448684.O207O.854

煙雨樓19974.67348373.25776.269

EQ0719924.14448719.81343.520

EQ1920236.349491O2.33676.480

EQ2119943.13549061.00959.412

EQ2219875.90748975.99277.3O7

EQ232O248.74548648.12O32.178

EQ2420159.30248747.91231.797

（2）應(yīng)用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)

GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)就是根據(jù)制定的觀測(cè)方案，將幾臺(tái)GPS接收機(jī)安置在構(gòu)成同步環(huán)的待定點(diǎn)（未知點(diǎn)）上同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，直至將所有環(huán)路觀測(cè)完畢。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到某坐標(biāo)系的坐標(biāo)成果見表3。

表3 網(wǎng)1GPS測(cè)量坐標(biāo)成果表（單位：m）

點(diǎn)名GPS坐標(biāo)

XGPSYGPSHGPS

EQ1319946.45549151.24868.O34

EQ1419989.41248863.69640.562

EQ1519991.96548594.68944.873

EQ162O162.28848733.O5027.259

EQ1720151.38748798.84037.693

EQ1820147.34848986.OO149.455

EQ1920236.34849102.34076.477

EQ2020235.87649183.69276.627

為檢驗(yàn)大地測(cè)量技術(shù)與GPS測(cè)量技術(shù)其起算點(diǎn)不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)其部分點(diǎn)用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)并更換網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)組成網(wǎng)2′，見圖3。將54北京坐標(biāo)系的平差結(jié)果轉(zhuǎn)換為某坐標(biāo)系的結(jié)果見表4。

表4 網(wǎng)2′GPS測(cè)量坐標(biāo)成果表（單位：m）

點(diǎn)名GPS坐標(biāo)

XGPSYGPSHGPS

ZBDD19688.71449184.43789.O58

壩下20523.77748187.172113.999

EQ0719924.15348719.81943.52O

EQ1920236.355491O2.34076.480

EQ2119943.14349061.01459.422

EQ2219875.91248975.99777.3O5

EQ2320248.74848648.12432.187

圖3 GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)

（3）GPS測(cè)量技術(shù)與大地測(cè)量技術(shù)結(jié)果比較

兩種結(jié)果的比較如表5和表6所示。

表5 網(wǎng)1坐標(biāo)差值比較表（單位：mm）

點(diǎn)名X大地-XGPSY大地-YGPSH大地-HGPS

EQ13+6-5—1

EQ14+2-3—4

EQ15+3-3O

EQ16+4-4O

EQ17+4-10—6

EQ18+2-1+1

EQ19+6O+7

EQ20-2-2—3

表6 網(wǎng)2與網(wǎng)2′坐標(biāo)差值比較表（單位：mm）

點(diǎn)名X大地-XGPSY大地-YGPSH大地-HGPS

EQ07-9-60

EQ19-6-40

EQ21-8-5-10

EQ22-5-5-2

EQ23-3-4-9

EQ24-5-6-7

由表5、表6可知：兩種測(cè)量方法的結(jié)果存在差值是由于兩種測(cè)量方法本身的測(cè)量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計(jì)算中觀測(cè)量權(quán)配置不合理引起的，其三維坐標(biāo)差值均小于±1O唧，可以滿足工程砼澆筑對(duì)加密施工控制網(wǎng)的精度要求。

6 總結(jié)

（1）采用本方法建立的工程控制網(wǎng)，其長(zhǎng)度變形很小，可忽略不計(jì)。對(duì)于測(cè)圖、設(shè)計(jì)和施工放樣，都可以做到圖紙與實(shí)際對(duì)照，不必考慮投影改正。

（2）測(cè)區(qū)中心點(diǎn)A的坐標(biāo)與國(guó)家坐標(biāo)完全相同，其他各點(diǎn)由于旋轉(zhuǎn)和到中心A的距離差別，與國(guó)家坐標(biāo)有較小的差異。

（3）用該坐標(biāo)系統(tǒng)測(cè)出的大比例地形圖，可以通過相應(yīng)的數(shù)字化軟件縮小為1：1萬地形圖，插入國(guó)家l：l萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅中，這時(shí)在測(cè)區(qū)的周邊與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1：1萬圖紙會(huì)出現(xiàn)不完全銜接，但這種不銜接在誤差允許的范圍內(nèi)，可以利用軟件進(jìn)行必要的修飾。采用工程坐標(biāo)系所成地形圖插入l：1萬地形圖中，進(jìn)行同等使用，設(shè)計(jì)的工程在不同比例的地形圖中坐標(biāo)一致，位置相同。這將對(duì)工程的設(shè)計(jì)、施工放樣人員使用不同比例尺地形圖帶來許多方便。

參考文獻(xiàn)：

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