论文部分内容阅读
一、GPS简介
全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用。
二、GPS测量的基本原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 l示：在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：
SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ZA) 2]
SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ZB) 2]
SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ZC) 2]
式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。
三、GPS在工程测量的应用实例
1、工程概况
本工程为某市新开发区,该区位于市南侧,占地面积约12km2,开发区用地均为小山包及一些旱园,区内未布设控制点,本次为加快开发区建设,计划建设道路5km。道路呈丁字型分布,考虑到开发区树木茂盛、地形复杂、通视困难,行走不便,该工程复杂工期较紧,通视困难决定采用GPS测量。
2、GPS测量的技术设计
设计依据 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、GB/T19314-2001标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的。设计精度根据工程需要和测区情况,选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1km,最弱边相对中误差小于1/10 000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm,比例误差系数b≤20×10-6。
设计基准和网形如下图所示,控制网共7个点,其中联测已知平面控制点3个, 采用3台GPS接收机观测,网形布设成边连式,利用静态观测,求出测区内待定点3个,作为本工程的首级点,在工程规划、设计、施工阶段,利用本次求出的首级点,用动态观测,对本工程进行测设。
观测计划 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度(空间位置因子PDOP),选择最佳观测时段(卫星多于4颗,且分布均匀,PDOP值小于6),并编排作业调度表。
3、GPS测量的外业实施
选点。GPS测量测站点之间不要求一定通视,图形结构也比较灵活,因此,点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑:①每点最好与某一点通视,以便后续测量工作的使用;②点周围高度为15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收;③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等,以免电磁场对信号的干扰;④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方,以便观测和日后使用;⑤选项点结束后,按要求埋设标石,并填写点之记。
观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测,采用静态相对定位,卫星高度角15°,时段长度45min,采样间隔10s。在3个点上同时安置3台接收机天线(对中、整平、定向),量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿。
4、GPS測量的数据数据处理
GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段,采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后,得到GPS控制点的三维坐标(见表1),其各项精度指标符合技术设计要求。
四、GPS中RTK技术在工程测量中的应用
实时动态差分技术在算法上以GPS动态后处理技术为基础，辅以数台电台将参考站的观测数据传至各流动站。可以通过数秒钟的初始化实时获得1~2cm士2PPm的相对坐标精度，该精度己能满足大多数工程测量的要求。如国产中翰公司的ZHZ80双频RTK机采用的是OTF决速动态初始化技术，大部分初始化时<=1 min，最快仅8s；美国天宝(Trimble) 4600LS接收机，使用的RTK初始化平均时间15s，法国达索公司的SCORRPIO -6001SK/MK和6002SK/MK接收机在RTK模式下12km范围内5颗卫星时，自动OTF初始化以及LRK(远程动态)模式时的初始化均只需几秒钟时间。可见，目前快速测定接收机至各卫星的初始整周数的技术已经达到了相当高的水平。因此，RTK在工程测量领域得到了广泛应用。
1、在城市基本控制中的应用
在城市高精度的控制网测量中，我们一般采用静态GPS观测的方法，布设成GPS控制网。SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统与所有的GPS一样可用于高精度静态测量，而且还可以与其它静态GPS联机观测，数据兼容，以获取高精度的首级控制点，这时具有和普通GPS一样的优越性。按《城市测量规范》1级导线以下精度的控制点点位中误差为 5cm，而RTK的精度为1 cm +2ppm。所以1级导线以下精度控制点完全可以采用动态PTK施测。
传统的静态方法为了利用相位观测值需要进行繁锁的计算和搜索过程，而SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统能够获得精确P码，因而采用双频P码扩频技术搜索整周模糊精度解，这种做法减少搜索空间，同时运用双频RTK系统的实时动态软件系统能够快速精确地解算出流动站的坐标。大大地提高了速度和减轻工作强度。
2、在大比例控制词根控制测量中的应用
传统方法是用全站仪布导线。这种方法在测区较平坦、无太多建筑物和林区时也很快，可遇到测区有很多建筑物和林区等困难的情况下拉导线就比较麻烦，而用RTK GPS既快又精确。虽然经过密集林区或高层建筑物时会失锁，但OTF快速初速化使你走过它们就可测量，使我们实现了测量就象走路那么简单。应注意的是在建筑物和树木多的地方，流动站与参考站应保持在5km以内，否则流动站接收电台的信号会比较弱且容易失锁，而且高程的精度比较差，但这根本不影响我们作业，超出一定距离时，我们可以移动参考站，使其在精度范围内工作。
应用RTK GPS作图根控制可以缩短我们的作图工期，提高经济效益。
3、在地籍测量中的应用
RTK技术与传统地籍测绘方法相比，具有明显的优势。GPS观察不受天气、时间影响，不需通视。GPS测绘的各点之间不存在误差累积，避免了传统地籍测绘中由于边长过长等
原因带来的误差累积，提高了精度。利用RTK技术能够成功地在现场就发现不合格的测绘成果，提高了效率。传统地籍测绘的数据坐标转化，必须等到事后处理，而RTK技术具有实时将一个坐标系统精确地转换到一个特殊坐标系统的能力。
在地籍测量中，进行RTK定位时，基准站把观测值及测站已知坐标通过数据链发送到移动站，移动站不仅采集GPS观测数据，而且通过数据链接收到基准站数据，并在移动站上形成差分观测值后，实时求出移动站厘米级精度坐标。移动站可处于静态，也可处于动态，可以在一个固定点上进行初始化后进人动态工作，也可以在动态条件下进行初始化。
在具体工程中，可以根据测区的实际情况，灵活地布点，得到高精度的图根地籍控制网，这样就能够保证界址点坐标的精度。界址点精度有了保证，地籍图的精度也就有了保证。同时，利用RTK技术还能够在交通或者地形条件不好等测量有困难的地方进行GPS联测。若测区为相互独立的A,B两测区，A测区已测,B测区未测。应用RTK技术，就可以在A测区内一点上建立基准点，不必在两测区中间设计连接点，通过A测区上的己测点直接传递到B测区。
4、在施工放样中的运用
应用RTK技术进行一般的工程施工放样又快又精确。只需把设计好的坐标传输(手输或计算机上设计好输人)到Hasky手持机内，手持机会显示当地与设计点的距离，东西偏量及南北偏量，同时根据对中杆上的指南针能很快放样到正确位置。
放样是RTK突破传统GPS定位技术的一項重要应用，但是因其不具各常规测量的检核条件。应用时必须进行检核，也因为这一特点，有关RTK的具体技术规程仍未出台。但GPS RTK技术精度高，各种放点的误差影响也是独立的，因此已经被很多测绘单位所应用，因此准确评价RTK的放样精度，指导在工程中的应用以及质量控制至关重要。
应用RTK GPS进行施工放样不但快而且精确,也大大减少测量人员的体力劳动(流动站采用背负式总重量不超过5kg)。
三、结语
全球定位系统(GPS)试验阶段至今，已经发展几十年了，无论从其定位理论还是其
定位精度，都发展到一个比较系统、完善的阶段，具有其它传统勘测手段所不能比拟的特性，其用户也逐渐从开始以军用为主过渡到民用为主。全球定位系统观测简便、定位精度高等特性，决定其在工程勘测领域方面有着广泛的应用前景。我国引进GPS定位技术时间比较短，掌握的定位技术还不是很成熟，尤其在工程勘测方面更是如此。随着美国政府SA政策的取消，我们可以预料到GPS定位系统在工程测量中将会有更加广泛的应用，将会为工程测量工作带来再一次的腾飞。
全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用。
二、GPS测量的基本原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 l示：在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：
SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ZA) 2]
SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ZB) 2]
SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ZC) 2]
式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。
三、GPS在工程测量的应用实例
1、工程概况
本工程为某市新开发区,该区位于市南侧,占地面积约12km2,开发区用地均为小山包及一些旱园,区内未布设控制点,本次为加快开发区建设,计划建设道路5km。道路呈丁字型分布,考虑到开发区树木茂盛、地形复杂、通视困难,行走不便,该工程复杂工期较紧,通视困难决定采用GPS测量。
2、GPS测量的技术设计
设计依据 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、GB/T19314-2001标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的。设计精度根据工程需要和测区情况,选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1km,最弱边相对中误差小于1/10 000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm,比例误差系数b≤20×10-6。
设计基准和网形如下图所示,控制网共7个点,其中联测已知平面控制点3个, 采用3台GPS接收机观测,网形布设成边连式,利用静态观测,求出测区内待定点3个,作为本工程的首级点,在工程规划、设计、施工阶段,利用本次求出的首级点,用动态观测,对本工程进行测设。
观测计划 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度(空间位置因子PDOP),选择最佳观测时段(卫星多于4颗,且分布均匀,PDOP值小于6),并编排作业调度表。
3、GPS测量的外业实施
选点。GPS测量测站点之间不要求一定通视,图形结构也比较灵活,因此,点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑:①每点最好与某一点通视,以便后续测量工作的使用;②点周围高度为15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收;③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等,以免电磁场对信号的干扰;④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方,以便观测和日后使用;⑤选项点结束后,按要求埋设标石,并填写点之记。
观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测,采用静态相对定位,卫星高度角15°,时段长度45min,采样间隔10s。在3个点上同时安置3台接收机天线(对中、整平、定向),量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿。
4、GPS測量的数据数据处理
GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段,采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后,得到GPS控制点的三维坐标(见表1),其各项精度指标符合技术设计要求。
四、GPS中RTK技术在工程测量中的应用
实时动态差分技术在算法上以GPS动态后处理技术为基础，辅以数台电台将参考站的观测数据传至各流动站。可以通过数秒钟的初始化实时获得1~2cm士2PPm的相对坐标精度，该精度己能满足大多数工程测量的要求。如国产中翰公司的ZHZ80双频RTK机采用的是OTF决速动态初始化技术，大部分初始化时<=1 min，最快仅8s；美国天宝(Trimble) 4600LS接收机，使用的RTK初始化平均时间15s，法国达索公司的SCORRPIO -6001SK/MK和6002SK/MK接收机在RTK模式下12km范围内5颗卫星时，自动OTF初始化以及LRK(远程动态)模式时的初始化均只需几秒钟时间。可见，目前快速测定接收机至各卫星的初始整周数的技术已经达到了相当高的水平。因此，RTK在工程测量领域得到了广泛应用。
1、在城市基本控制中的应用
在城市高精度的控制网测量中，我们一般采用静态GPS观测的方法，布设成GPS控制网。SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统与所有的GPS一样可用于高精度静态测量，而且还可以与其它静态GPS联机观测，数据兼容，以获取高精度的首级控制点，这时具有和普通GPS一样的优越性。按《城市测量规范》1级导线以下精度的控制点点位中误差为 5cm，而RTK的精度为1 cm +2ppm。所以1级导线以下精度控制点完全可以采用动态PTK施测。
传统的静态方法为了利用相位观测值需要进行繁锁的计算和搜索过程，而SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统能够获得精确P码，因而采用双频P码扩频技术搜索整周模糊精度解，这种做法减少搜索空间，同时运用双频RTK系统的实时动态软件系统能够快速精确地解算出流动站的坐标。大大地提高了速度和减轻工作强度。
2、在大比例控制词根控制测量中的应用
传统方法是用全站仪布导线。这种方法在测区较平坦、无太多建筑物和林区时也很快，可遇到测区有很多建筑物和林区等困难的情况下拉导线就比较麻烦，而用RTK GPS既快又精确。虽然经过密集林区或高层建筑物时会失锁，但OTF快速初速化使你走过它们就可测量，使我们实现了测量就象走路那么简单。应注意的是在建筑物和树木多的地方，流动站与参考站应保持在5km以内，否则流动站接收电台的信号会比较弱且容易失锁，而且高程的精度比较差，但这根本不影响我们作业，超出一定距离时，我们可以移动参考站，使其在精度范围内工作。
应用RTK GPS作图根控制可以缩短我们的作图工期，提高经济效益。
3、在地籍测量中的应用
RTK技术与传统地籍测绘方法相比，具有明显的优势。GPS观察不受天气、时间影响，不需通视。GPS测绘的各点之间不存在误差累积，避免了传统地籍测绘中由于边长过长等
原因带来的误差累积，提高了精度。利用RTK技术能够成功地在现场就发现不合格的测绘成果，提高了效率。传统地籍测绘的数据坐标转化，必须等到事后处理，而RTK技术具有实时将一个坐标系统精确地转换到一个特殊坐标系统的能力。
在地籍测量中，进行RTK定位时，基准站把观测值及测站已知坐标通过数据链发送到移动站，移动站不仅采集GPS观测数据，而且通过数据链接收到基准站数据，并在移动站上形成差分观测值后，实时求出移动站厘米级精度坐标。移动站可处于静态，也可处于动态，可以在一个固定点上进行初始化后进人动态工作，也可以在动态条件下进行初始化。
在具体工程中，可以根据测区的实际情况，灵活地布点，得到高精度的图根地籍控制网，这样就能够保证界址点坐标的精度。界址点精度有了保证，地籍图的精度也就有了保证。同时，利用RTK技术还能够在交通或者地形条件不好等测量有困难的地方进行GPS联测。若测区为相互独立的A,B两测区，A测区已测,B测区未测。应用RTK技术，就可以在A测区内一点上建立基准点，不必在两测区中间设计连接点，通过A测区上的己测点直接传递到B测区。
4、在施工放样中的运用
应用RTK技术进行一般的工程施工放样又快又精确。只需把设计好的坐标传输(手输或计算机上设计好输人)到Hasky手持机内，手持机会显示当地与设计点的距离，东西偏量及南北偏量，同时根据对中杆上的指南针能很快放样到正确位置。
放样是RTK突破传统GPS定位技术的一項重要应用，但是因其不具各常规测量的检核条件。应用时必须进行检核，也因为这一特点，有关RTK的具体技术规程仍未出台。但GPS RTK技术精度高，各种放点的误差影响也是独立的，因此已经被很多测绘单位所应用，因此准确评价RTK的放样精度，指导在工程中的应用以及质量控制至关重要。
应用RTK GPS进行施工放样不但快而且精确,也大大减少测量人员的体力劳动(流动站采用背负式总重量不超过5kg)。
三、结语
全球定位系统(GPS)试验阶段至今，已经发展几十年了，无论从其定位理论还是其
定位精度，都发展到一个比较系统、完善的阶段，具有其它传统勘测手段所不能比拟的特性，其用户也逐渐从开始以军用为主过渡到民用为主。全球定位系统观测简便、定位精度高等特性，决定其在工程勘测领域方面有着广泛的应用前景。我国引进GPS定位技术时间比较短，掌握的定位技术还不是很成熟，尤其在工程勘测方面更是如此。随着美国政府SA政策的取消，我们可以预料到GPS定位系统在工程测量中将会有更加广泛的应用，将会为工程测量工作带来再一次的腾飞。