淺析GPS 測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

吳利榮

(山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院有限公司，山西 晉中 030600)

GPS 測(cè)量技術(shù)是新時(shí)代具有代表性的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍較廣泛、作業(yè)可行性強(qiáng)，適用于高精度要求的測(cè)量項(xiàng)目?；诖?，本文對(duì)工程測(cè)量中GPS 測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用形式進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 GPS 測(cè)量技術(shù)的原理分析

基于GPS 技術(shù)的定位測(cè)量系統(tǒng)原理為，借助于接收GPS信號(hào)的工具以及發(fā)射該信號(hào)的衛(wèi)星設(shè)備，確定衛(wèi)星與接收機(jī)之間的實(shí)際距離參數(shù)，然后測(cè)算衛(wèi)星發(fā)出一直到被反射回信號(hào)的整體時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)數(shù)據(jù)。GPS 的測(cè)量定位最原始是運(yùn)用了空間的后方距離交會(huì)測(cè)定指定點(diǎn)坐標(biāo)方法，具體來說，實(shí)際測(cè)量載波信號(hào)時(shí)，可能會(huì)同時(shí)選擇4 顆衛(wèi)星，也可能數(shù)量更多，其中將信號(hào)從發(fā)射到反射回衛(wèi)星裝置的時(shí)間設(shè)為t，而衛(wèi)星與實(shí)際測(cè)量位置兩點(diǎn)距離為S，那么其定位測(cè)量的公式可表示為S=c*t/2，其中，衛(wèi)星的三維坐標(biāo)位置參數(shù)是可以獲取的，再結(jié)合公式進(jìn)行計(jì)算，就可以得到更為測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)數(shù)據(jù)。GPS 測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐方法有許多種，在實(shí)際測(cè)量工作中具體采用哪種類型方法還需結(jié)合實(shí)際情況判斷。表1 為不同等級(jí)及不同接收機(jī)類型的GPS測(cè)量技術(shù)指標(biāo)。

表1 GPS 測(cè)量接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

2 GPS 測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 測(cè)量定位較迅速

在運(yùn)用GPS 測(cè)量技術(shù)時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)由測(cè)量衛(wèi)星發(fā)出，最終會(huì)被安裝的接收信號(hào)裝置所接收，然后再將信號(hào)數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換計(jì)算獲得測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)衛(wèi)星傳輸信號(hào)的特點(diǎn)可知，其速度可相當(dāng)于光速，因而接收機(jī)接收信號(hào)也是十分迅速，進(jìn)一步縮短了轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間，例如，采用靜態(tài)觀測(cè)方式測(cè)量定位時(shí)，GPS 技術(shù)設(shè)備對(duì)于平均邊長(zhǎng)約為9km的測(cè)量區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)30min 以內(nèi)的精準(zhǔn)定位，與普通測(cè)量定位方式相比速度是較快的。此外，工程測(cè)量中運(yùn)用GPS 測(cè)量技術(shù)，只要確保接收相應(yīng)GPS 信號(hào)的終端數(shù)量足夠，那么整個(gè)工程都可以被覆蓋，切實(shí)落實(shí)測(cè)量工作，提升工程實(shí)施效率，也能夠保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，因此，目前的工程測(cè)量中，這種新型測(cè)量技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了重要地位，甚至是一些工程中必不可少的測(cè)量手段。

2.2 實(shí)際操作較簡(jiǎn)便

當(dāng)前的GPS 測(cè)量技術(shù)還在不斷研發(fā)更新，其技術(shù)水平還有著很大提升空間，在需工程測(cè)量工作中，GPS 測(cè)量技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與智能化，減少了繁瑣的人工操作，使得便捷性變得更強(qiáng)，比如說靜態(tài)導(dǎo)線測(cè)量過程中，專業(yè)技術(shù)人員只需要對(duì)接收器進(jìn)行檢查并調(diào)整、監(jiān)督其運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，通過直接設(shè)置接收參數(shù)，對(duì)相應(yīng)控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備開機(jī)操作，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化接收信號(hào)的定位測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)的智能化還體現(xiàn)在自動(dòng)開展數(shù)據(jù)收集及處理工作，測(cè)量完成后只需關(guān)閉設(shè)備操作就能夠自動(dòng)保存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以便于計(jì)算位置坐標(biāo)并實(shí)現(xiàn)定位。GPS 測(cè)量技術(shù)的這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)也極大地提升了工程的工作效率。

2.3 測(cè)量定位結(jié)果精度較高

GPS 測(cè)量技術(shù)是基于GPS 技術(shù)原理開展工程測(cè)量工作，及時(shí)只有一個(gè)衛(wèi)星將信號(hào)傳送給相應(yīng)的接收機(jī)，也能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位。在實(shí)際工程測(cè)量當(dāng)中，由于GPS 技術(shù)的衛(wèi)星覆蓋范圍較廣泛，也就是說GPS 接收機(jī)可以接收到許多衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)信號(hào)，這更加提高的定位數(shù)據(jù)精度。測(cè)量人員還需在大量數(shù)據(jù)信號(hào)中通過判定與篩選的方式提取可靠信號(hào)，同時(shí)對(duì)許多衛(wèi)星測(cè)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，也要將誤差控制在1mm 范圍內(nèi)，這對(duì)于一些定位精度要求頗高的工程來說較為適用。此外，運(yùn)用GPS 測(cè)量技術(shù)還可以不考慮觀測(cè)點(diǎn)之間的透視，這也會(huì)提升測(cè)量工作的可操作性及流暢性，因此，該項(xiàng)技術(shù)在工程測(cè)量中具有很高的推廣價(jià)值。

3 工程測(cè)量中GPS 測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)形式

3.1 測(cè)量控制網(wǎng)的建立技術(shù)

在工程施工期間開展工程測(cè)量工作，施工單位應(yīng)當(dāng)預(yù)先做好完善的準(zhǔn)備工作，委托專業(yè)的測(cè)量隊(duì)伍借助于GPS 測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開始進(jìn)行測(cè)量，然后再根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果來進(jìn)行施工方案的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提升建設(shè)工程的質(zhì)量。先是對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定，一般情況下，基于GPS 測(cè)量技術(shù)的觀測(cè)計(jì)劃中，關(guān)鍵性參數(shù)包含了整體基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)精度以及網(wǎng)形測(cè)量。在設(shè)計(jì)精度方面，結(jié)合實(shí)際情況與工程需求，在設(shè)計(jì)的測(cè)量區(qū)域內(nèi)構(gòu)建GPS 網(wǎng)作為首席控制網(wǎng)，該控制網(wǎng)中通常需要12 個(gè)精準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，其邊長(zhǎng)不能夠過長(zhǎng)，否則可能會(huì)影響到GPS 控制網(wǎng)實(shí)施控制，但邊長(zhǎng)也不能夠過長(zhǎng)，否則會(huì)將GPS 控制網(wǎng)的實(shí)際控制范圍縮小，那么后續(xù)的測(cè)量工作會(huì)更加困難。在整體控制網(wǎng)當(dāng)中，平面方向控制點(diǎn)數(shù)量為2 個(gè)，高程的控制點(diǎn)數(shù)量為5 個(gè)，觀測(cè)過程中的所有接收機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓控制網(wǎng)邊界呈現(xiàn)邊連式結(jié)構(gòu)，GPS 測(cè)量技術(shù)下具有的預(yù)報(bào)圖也可提升控制網(wǎng)的效果，還能夠判斷最適宜進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間，從而調(diào)整實(shí)際測(cè)量作業(yè)的安排。測(cè)量控制網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)的選擇是重中之重，其合理性會(huì)影響到整體測(cè)量控制的精準(zhǔn)度，為此需進(jìn)行科學(xué)選取，根據(jù)GPS 技術(shù)的特點(diǎn)可知，實(shí)施測(cè)量時(shí)的測(cè)站不需要實(shí)現(xiàn)透視形式，因而觀測(cè)點(diǎn)的選擇十分靈活，具體而言要遵循幾項(xiàng)基本原則：一是觀測(cè)點(diǎn)位置附近不可具有微波站或是處于電視臺(tái)所處區(qū)域，否則電磁波信號(hào)的傳輸會(huì)受到不良干擾，影響到測(cè)量準(zhǔn)確度，若是周圍存在超過20 千瓦的高壓電線，那么至少要保證距離超過50m，與此同時(shí)，還要保證不靠近公路，最少要在距離200米以上的位置，避免其無線發(fā)射電源的影響；二是避免靠近具有大面積水的區(qū)域，這樣的區(qū)域也會(huì)影響到電磁波信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定效果；三是保證觀測(cè)位置附近沒有遮擋物體，避免阻擋視線，進(jìn)而影響到測(cè)量工作開展。在選擇好觀測(cè)點(diǎn)后進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，這一過程要保持遵循方便測(cè)量的原則，同時(shí)合理按照情況來設(shè)計(jì)，在整體施工期間還要保證觀測(cè)點(diǎn)的完整性，避免人為干擾。

3.2 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)

工程測(cè)量中的GPS 測(cè)量技術(shù)廣泛運(yùn)用的形式之一就是靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，而該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施具體還分為兩種類型：其一是GPS1+N 相對(duì)定位模式，其二是常規(guī)靜態(tài)測(cè)量定位模式。對(duì)GPS1+N 相對(duì)定位模式進(jìn)行分析，先是要確定2 個(gè)或以上數(shù)量的已知點(diǎn)，然后開展定位處理，將其中一臺(tái)GPS 的接收機(jī)設(shè)備當(dāng)作是基準(zhǔn)站，其余的接收機(jī)設(shè)備則作為移動(dòng)站，控制好移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間的相對(duì)位置關(guān)系，并結(jié)合已經(jīng)獲得的兩個(gè)點(diǎn)位確定絕對(duì)位置。比如說GPS1+N 相對(duì)定位模式可以在一定的測(cè)繪范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速地形測(cè)量，方便于工程的放樣作業(yè)，相比于常規(guī)測(cè)量具有高精度、速度快、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而不足之處則在于可控制測(cè)量的范圍都是圍繞著已知點(diǎn)，具有一定局限。對(duì)常規(guī)靜態(tài)測(cè)量定位模式進(jìn)行分析，其是指基于3 臺(tái)或是以上數(shù)量GPS 接收機(jī)完成的測(cè)量作業(yè)，先是構(gòu)建已知點(diǎn)的坐標(biāo)，然后實(shí)現(xiàn)4 顆GPS 衛(wèi)星以上的 同步測(cè)量，基線端點(diǎn)的位置保持不動(dòng)，但需基于基線長(zhǎng)度參數(shù)以及實(shí)際觀測(cè)等級(jí)，一般可以保持的觀測(cè)時(shí)間超過45min，盡可能延長(zhǎng)了觀測(cè)時(shí)段，也提升了效率，這種形式需要GPS 接收機(jī)設(shè)備全部同步運(yùn)轉(zhuǎn)，還要保證接收機(jī)設(shè)備周圍環(huán)境符合要求。在一些變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域以及精密工程當(dāng)中，GPS 的靜態(tài)相對(duì)定位還需基于載波相位算法，同時(shí)可采用卡爾曼濾波算法來降低誤差，獲得精度較高的定位結(jié)果，GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)也可與BDS 技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，構(gòu)建出雙系統(tǒng)觀測(cè)模型，進(jìn)一步提升精度。圖1 為靜態(tài)相對(duì)定位的基本觀測(cè)量圖。

圖1 靜態(tài)相對(duì)定位的基本觀測(cè)量圖

3.3 RTK 測(cè)量技術(shù)

RTK 測(cè)量技術(shù)也是十分先進(jìn)的，其特點(diǎn)是結(jié)合了GPS 技術(shù)及數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，目前該項(xiàng)技術(shù)被廣泛運(yùn)用于建筑工程測(cè)量工作中。工程測(cè)量的RTK 測(cè)量系統(tǒng)通常是包括3項(xiàng)關(guān)鍵部分，即進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的裝置、綜合軟件系統(tǒng)以及接收GPS 信號(hào)的設(shè)施。數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)施還包括了流動(dòng)站與基準(zhǔn)站功能電臺(tái)，在該設(shè)施的作用下可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化實(shí)時(shí)測(cè)量，然后使用相應(yīng)軟件結(jié)合一定算法來計(jì)算流動(dòng)站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)參數(shù)。應(yīng)用RTK 技術(shù)也會(huì)體現(xiàn)出GPS 測(cè)量技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)，比如在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí)，可以借助于靜態(tài)型快速測(cè)量手段，則可以保證范圍為15km 情況時(shí)，定位精度誤差在1-2cm 范圍之內(nèi)，有效控制測(cè)量。例如，采用RTK 技術(shù)來進(jìn)行地形圖測(cè)繪工作，基于基準(zhǔn)框架網(wǎng)點(diǎn)的構(gòu)建，搭設(shè)各部分GPS 基準(zhǔn)站，然后采用1+2 的作業(yè)模式，流動(dòng)站取2 套GPSRTK 接收機(jī)設(shè)備，那么其系統(tǒng)在發(fā)射電臺(tái)時(shí)需要4w，若連續(xù)作業(yè)，能維持1 天的使用，首次進(jìn)行流動(dòng)站測(cè)量時(shí)，將已知點(diǎn)作為依據(jù)，然后將RTK 測(cè)量結(jié)果與已知點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，檢查坐標(biāo)結(jié)果的輸入是否準(zhǔn)確，最后將GPS 測(cè)量所獲取的數(shù)據(jù)處理完成后錄入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)信息開展地形圖繪制，精準(zhǔn)度較高?；赗TK 測(cè)量技術(shù)還可進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，這也是外業(yè)測(cè)量的主要工作，運(yùn)用傳統(tǒng)的方式通常需要布置大量導(dǎo)線，以此來獲得平高點(diǎn)信息，還需進(jìn)行加密處理，但RTK 測(cè)量技術(shù)只需要在一定的測(cè)區(qū)內(nèi)或是測(cè)區(qū)的周圍設(shè)置高等級(jí)控制點(diǎn)的基準(zhǔn)站，而流動(dòng)站也可直接對(duì)像控點(diǎn)的高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)開展測(cè)量，有效達(dá)到像控點(diǎn)測(cè)量的精度要求，相比于靜態(tài)的GPS 測(cè)量方式，這種作業(yè)方法功效大大提升，提升效果約為3-5 倍，促進(jìn)作業(yè)效率的提高。GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)的作業(yè)過程為，運(yùn)用海達(dá)5800 的GPS 測(cè)量設(shè)備，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇以精度高為標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)行試用試驗(yàn)，針對(duì)儀器特點(diǎn)，先確定流動(dòng)站功能覆蓋的范圍，通常不會(huì)超過4 千米，只要在該范圍區(qū)域內(nèi)，就能保證基準(zhǔn)站的信號(hào)數(shù)據(jù)被有效接收，然后再構(gòu)建GPS 技術(shù)的立體控制網(wǎng)，在該控制網(wǎng)內(nèi)選擇四個(gè)點(diǎn)，構(gòu)成基準(zhǔn)框架網(wǎng)，然后結(jié)合坐標(biāo)系參考資料來進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換。此外，GPS-RTK 測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用前，需對(duì)其定位的準(zhǔn)確性開展判斷試驗(yàn)，確保滿足實(shí)際需求，先是測(cè)量獲取5”級(jí)控制點(diǎn)，設(shè)置13 個(gè)左右的E級(jí)控制點(diǎn)，這樣就可以測(cè)量獲得5”級(jí)控制點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，最終獲得測(cè)量平差結(jié)果。圖2 表示的是RTK 測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取步驟。

圖2 RTK 測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取步驟

3.4 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)

在工程測(cè)量中，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)往往應(yīng)用于具有移動(dòng)物體的系統(tǒng)中，該項(xiàng)技術(shù)的原理是，實(shí)施測(cè)量時(shí)將收發(fā)裝置安裝于移動(dòng)的物體上，然后借助于GPS 技術(shù)來進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)物體開始移動(dòng)時(shí)，就可獲得相應(yīng)的位移參數(shù)、速度參數(shù)以及加速度參數(shù)，而移動(dòng)站會(huì)接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的信號(hào)，從而進(jìn)行基站數(shù)據(jù)信息處理，獲得準(zhǔn)確的待測(cè)數(shù)據(jù)位置。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位借助于固定的觀測(cè)點(diǎn)來安裝GPS 接收機(jī)，對(duì)于觀測(cè)衛(wèi)星要進(jìn)行同步，其基準(zhǔn)接收機(jī)將會(huì)實(shí)施瞬時(shí)測(cè)量，而基準(zhǔn)站的終于坐標(biāo)是已知的，兩項(xiàng)結(jié)果可進(jìn)行對(duì)比，即可獲得瞬時(shí)校正值，該項(xiàng)校正值數(shù)據(jù)還會(huì)被用于對(duì)移動(dòng)接收機(jī)的瞬時(shí)測(cè)量值實(shí)施改正，獲得移動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的精準(zhǔn)瞬時(shí)位置，其基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間存在著良好的通訊鏈。圖3 為動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的基本觀測(cè)量圖。工程測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)主要是應(yīng)用在幾個(gè)方面：一是放樣階段，使用全站儀和棱鏡設(shè)施進(jìn)行配合，同時(shí)安排多名專業(yè)測(cè)量人員，而測(cè)量點(diǎn)與放樣點(diǎn)之間需保持通視狀態(tài)，若是測(cè)量控制點(diǎn)較缺乏，可進(jìn)行引導(dǎo)操作；二是在地籍測(cè)量階段應(yīng)用，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位可精準(zhǔn)獲得地籍圖的測(cè)點(diǎn)以及權(quán)屬界址點(diǎn)，通過GPS 技術(shù)獲取到信息后會(huì)直接錄入到相應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)而快速獲得精度較高的地籍圖。

圖3 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的基本測(cè)量圖

通過對(duì)圖3 的分析，若是基準(zhǔn)站位置接收到瞬時(shí)間的校正值，然后將該數(shù)據(jù)傳送到流動(dòng)站接收機(jī)上，主要是借助于通訊鏈R 來輸送，就可以校正流動(dòng)站上的瞬時(shí)參數(shù)，進(jìn)而獲得兩個(gè)位置Ti以及T1的坐標(biāo)參數(shù)，那么這種動(dòng)態(tài)相對(duì)定位也叫做實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位模式。還有另一種情況是，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間并不通過通訊鏈來傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而是待到相對(duì)定位觀測(cè)完成后，將流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的接收設(shè)備采集數(shù)據(jù)結(jié)合起來，統(tǒng)一進(jìn)行處理，也就是測(cè)后聯(lián)合處理定位，被稱為后處理差分動(dòng)態(tài)定位模式，也能夠?qū)σ苿?dòng)站的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行解算。根據(jù)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位測(cè)量的對(duì)象不同(主要是包括載波、偽隨機(jī)噪聲碼兩種信號(hào))，將該定位手段分為兩種形式：其一為測(cè)相偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位形式，其二則是測(cè)碼偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位形式。再結(jié)合動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的特點(diǎn)，實(shí)際接收信號(hào)時(shí)，對(duì)一些誤差可以有效降低，因此定位的準(zhǔn)確性是比較高的，像是采用測(cè)相偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位形式，若是實(shí)際測(cè)程不超過20km，那么其測(cè)量定位精度級(jí)別可達(dá)到厘米級(jí)，這里所提到的精度也是單個(gè)觀測(cè)歷元來說，由此可見其技術(shù)的作業(yè)效率頗高，因而也實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用。

4 結(jié)論

綜上所述，大部分工程建設(shè)過程中，測(cè)量工作都是重點(diǎn)，為了保證測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確，GPS 測(cè)量技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用。由本文分析可知，工程測(cè)量中GPS 測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)形式包括：測(cè)量控制網(wǎng)的建立技術(shù)、靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)、RTK測(cè)量技術(shù)、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)。