GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用.docx
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GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用
GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用
一、GPS控制网的内业设计
1.GPS控制网设计
GPS控制网的技术设计是进行GPS测量的基础。
它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。
其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。
设计的技术依据是国家测绘局颁发的《全球定位系统（GPS）测量规范》及建设部颁发的《全球定位系统城市测量技术规程》。
（一）GPS网技术设计的一般原则
（1）、充分考虑GPS控制网的应用范围
对于工程建设的GPS网，应当既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑到施工放样等阶段的需要。
对于城市GPS控制网，既要考虑近期建设和规划的需要，又要考虑远期发展的需要，还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建成为廉有监测三维形变功能的控制网。
这样监测GPS网既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网在城市建设中的作用。
（2）、采用分级布网的方案
分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，由于GPS测量具有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设，但有计划地分级布设GPS网，有利于测区的近期需要和远期的发展。
例如，大城市的GPS控制网可以分为三级：
首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1km-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。
对于小城市，分两级布设GPS网即可。
为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成为由独立的GPS基线向量边（简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，但网中不允许存在支线。
（二）GPS测量的精度标准
GPS测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为
σ=a+bd
式中σ————距离中误差，mm
a————固定误差，mm
b————比例误差系数，10-6
d————相邻点的距离，km
国家测绘局1992年制订的我国第一部《GPS测量规范》，将GPS的测量精度分为A-E5级（见下表）。
其中A，B两级一般是国家GPS控制网，而C，D，E3级则是针对局部性GPS网规定的，在GPS网的技术设计中，应根据测区大小和GPS网的用途来设计网的等级和精度标准。
表GPS的测量精度
A
B
C
D
E
固定误差a/mm
5
8
10
10
10
比例误差系数b/10-6
0.1
1
5
10
20
相邻点最小距离/km
100
15
5
2
1
相邻点最大距离/km
2000
250
40
15
0
相邻点平均距离/km
300
70
15-10
10-5
5-2
（三）坐标系统和起算数据
GPS采用的1984年世界大地坐标系（worldgeodeticsystem，WGS84坐标系）是一个协议坐标系，其空间直角坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向国际时间局（BIH1984.0）定义的地极方向。
而实用上需要得到的是参心坐标系，在我国即1980年国家大地坐标系和1954年北京坐标系（或地方独立坐标系）的坐标，“参心” 意指参考椭球的中心。
为此，在GPS网的技术设计中，必须有GPS网的成果所采用的坐标系和起算数据，即GPS网所采用的基准，或称之为GPS网的设计基准。
GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。
GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定；方位基准可以通过给定起算方位角决定，也可以GPS基线向量的方位为方位基准；尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。
2.影响GPS测量技术设计的因素
GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑：
（1）、同测站有关的因素网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计。
（2）、同观测卫星有关的因素观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高度角；星历来源。
（3）、同仪器有关的因素接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。
（4）、后勤方面的因素动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。
3.GPS控制网的图形设计
对于常规方法布设的三角网、三边网或导线网，图形设计是非常重要的一项工作。
良好的图形设计可以减少野外选点的工作量，节省造标的经费，也为得到较高精度的成果打下基础。
由于GPS的同步观测不要求通视，因此，GPS网的图形设计也具有很大的灵活性。
（1）所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。
（2）GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。
（3）GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。
一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。
（4）考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。
为精确求定转换参数，（GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。
4.技术指标
按照规范要求，其控制网的精度符合如下规定。
相临点间的最小距离保持为平均距离的1／2～1／3；相临点间的最大距离保持为平均距离的2～3倍。
其主要技术要求见下表：
表GPS网的主要技术要求
等级
平均距离（km）
边长中误差（m）
最弱边相对中误
二等
9
10
1／
三等
5
10
1／80000
四等
2
10
1／45000
一级
1
10
1／20000
二级
<1
15
1/10000
2、GPS控制网的外业设计
1.选点要求
由于GPS测量观测站之间不—定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。
但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，点位的选择应符合下列要求。
（1）.点位周围应视野较开阔，如公园、运动场、地面停车场内或建筑物楼顶，以利于安置接收设备和扩展、联测。
（2）.GPS网点视场内不应有大于仰角15°的成片障碍物，以免阻挡来自卫星的信号接收。
（3）.选定能便于长期保存，稳定坚固的地方设点，国家和地方基准点应埋设固定的标石或仪器墩用于安置接收机天线、墩标设于楼顶时，要对大楼的稳定性和形变定期监测。
（4）.GPS网点应避开高压输电线、变电站等设施，其最近处不得小于100m，同时距离省市级强辐射电台、电视台、微波中继站不得小于300m，需要在这些地点设站时，必须在停止播发的时间段上进行定位作业。
（5）.交通便利点位离开附近可通轻便车的道路不应超过500m，且在点位30m内有足够的空间安置接收机和方便操作进行。
（6）.GPS网点应避开对电磁波接收有强烈吸收和反射影响的金属和其他障碍物，侧面倾向测站的各种平面物体，大范围水面等等。
2.埋石
由于时间要求，埋石拟与选点同时进行。
根据现场具体情况，采用埋预制标石和现浇混凝土两种形式，不管采用哪种形式标石及标志规格应符合规范要求。
埋设时坑底填以沙石，捣固夯实，考虑到天气的因素，现浇混凝土应适当添加防冻剂并应做好防冻措施。
3.外业观测
外业观测采用四台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS~卫星接受机，GPS接收机标称精度的固定误差a≤5mm，比例误差系数b≤2*10—6。
进行同步观测。
观测前应对接受机进行各项相关检验，确认仪器性能良好。
根据GPS网形设计编制作业调度表，作好人员和交通工具的配备。
观测者应根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角150，时段长度45min，采样间隔10s。
在4个点上同时安置4台接收机天线（对中、整干、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和外业观测记录，并应随时监视仪器的状态，发现不良反应，及时报告或记录案。
观测要求按照下表进行测量。
表GPS测量作业基本技术要求
项目
观测方法
技术要求
卫星高度角
静态
＞15度
有效卫星数
静态
＞4颗
平均重复测站数
静态
＞1.6
时段长度
静态
＞45分钟
历元间隔
静态
10秒
图形强度因子
静态
＜6
三、GPS控制网的外业实施
1.仪器准备
此次C级控制网的建立所采用的仪器是南方NGS9600型GPS接收机，该接收机是以四台套进行工作。
所以作业以前准备四个三脚架，四台接收机，四个盒尺。
1GPS接收机的选用
对于不同的GPS网的类级和控制等级，精度要求不一，此处提出选用接收机的基本要求，见下表
表接收机的选用
级别
A
B
C
D、E
单频/
双频
双频
双频
双频
单频
双频
单频
标称
精度
a≤5mm，
b≤0.5
a≤5mm，
b≤1
a≤10mm，
b≤2
a≤10mm，
b≤3
观测量
载波相位或载波相位+P（Y）
码伪距
载波相位或载波相位+P（Y）
码伪距
载波相位或载波相位+P（Y）
码伪距
载波相位或载
波相位+P（Y）
码伪距
同步观测接收机数
≥4
≥3
≥2
≥2
南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图：
图
2.接收机及附属设备的检验与维护
（1）、接收机、天线及其他设备是否完整齐全，可随时出测。
（2）、各设备及电缆外部有无损伤、锈蚀，能否确保安全连接。
（3）、充电后信号灯、按键、显示系统以及仪表工作是否正常，可用自测试命令进行测试。
（4）、用于A、B级的接收机，每年出测前至少检定一次，按规范要求应在不同长度的标准基线或规定的比较基线或GPS测量检验场上进行测试。
（5）、新出厂的A、B级GPS观测的接收设备应进行天线相位中心稳定性检验，经检验或更换插板的接收机，有关检验和试测项目需要重新进行。
（6）、通风干湿表及空盒气压表，至少每三年送检一次，天线的圆水准气泡和光学对中器每年至少进行一次检校。
3.人员组织
每台接收机必须有一个人进行操作，为了全面加强控制测量工作的领导，测量队伍还成立了职员组和技术指导组。
职员组的主要任务是在进行测量时负责操作仪器及看管仪器。
技术指导组的任务是具体负责组织控制测量实施过程中的的重大技术性问题。
4.仪器安装
将准备好的三脚架架到已经选好的待测点上，将接收机安装到三脚架上对中、整平。
量取天线高，开机进入工作阶段。
注：
本次观测采用的作业模式是静态定位模式：
（1）．作业方法：
采用四台接收设备，分别安置在基线的两个端点同步观测颗以上卫星，每时段长45分钟。
（2）．精度：
基线的定位精度可达5mm+lppm。
D,D为基线长度（千米）。
（3）．注定事项：
所有已观测基线组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性。
并通过平差，助于进一步提高定位精度。
5.野外观测
野外观测应严格按照技术设计要求进行。
（1）、安置天线:
天线安置是GPS精密测量的重要保证。
要仔细对中、整平、量取仪器高。
仪器高要用钢尺在互为120°方向量三次，互差小于3mm。
取平均值后输入GPS接收机。
（2）、安置GPS接收机:
GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。
（3）、操作：
按规定时间打开GPS接收机，输入测站名，卫星截止高度角，卫星信号采样间隔等。
GPS接收机记录的数据有：
GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻及伪距观测值和载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。
（4）、检查：
一个时段测量结束后要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误再关机、关电源、迁站。
四、数据传输与数据处理
1.数据传输
观测完毕即可进行数据传输，数据传输是内业工作的基础工作，在数据传输过程中必须严格按软件的操作程序进行操作，要认真的对待这一过程。
本次观测数据传输，是将NGS9600型GPS接收机与计算机连接，使用相应的软件进行数据传输和处理。
（一）连接计算机和GPS接收机前的准备
（1）、保证NGS9600型主机电源充足，打开电源
（2）、用通讯电缆连接好电脑的串口1（COMl）或串口2（COM2）。
（3）、要等待（约10秒钟）9600主机进入主界面后再进行连接和传输（初始界面不能传输）。
（4）、设置要存放野外观测数据的文件夹，可以在数据通讯软件中设置。
（二）进行通讯参数的设置
（1）、选择“通讯”菜单中的“通讯接口”功能，系统弹出图4-3所示的通讯参数设置对话框。
（2）、在通讯参数设置对话框中选择通讯接口COM1或COM2，鼠标单击“确定”
按钮。
图通讯参数设置对话框
（三）连接计算机和GPS接收机
图连接计算机和GPS接收机后的程序菜单
选择“通讯”菜单中的“开始连接”功能或直接在工具栏中选择“连接”。
如果在第二步中设置的通讯参数正确系统将连接计算机和GPS接收机，在程序视窗的下半部分显示GPS接收机内的野外观测数据。
见图4-3。
如果通讯参数设置不正确，请重复第二步的操作。
（四）数据传输
（1）、选择“通讯”菜单中的“传输数据”功能，系统弹出图4-4所示的对话框。
（2）、在GPS数据传输对话框中选择野外的观测数据文件，鼠标单击“开始”。
（五）断开连接
选择“通讯”菜单中的“断开连接”功能或直接在工具栏中选择“断开”，即
可断开计算机和GPS接收机的连接。
例如要将数据保存在E盘根目录下JT文件夹中，则可以进行如下操作：
（1）、打开E盘根目录下JT文件夹；
（2）、选定欲传输的数据（如2113点数据）如图。
（3）、在图的对话框中可更改点名、仪器天线高、时段号。
（4）、然后鼠标左键点击“开始”，该点上采集的数据“2113”将传输到你指定的E盘根目录下JT文件夹。
（5）、断开连接。
图GPS数据传输对话框
2.数据处理
GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用GPS数据处理软件。
经济基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的三维坐标。
（一）处理过程符合下列技术要求
同一时段观测值基线处理中，二、三等数据采用率都不宜低于80%，同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表规定：
表同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定（ppm）
等级
限差类型
二等
三等
四等
一级
二级
相对闭和差
2.0
3.0
6.0
9.0
9.0
全长相对闭合差
3.0
5.0
10.0
15.0
15.0
（二）观测成果检验
1、每个时段同步环检验:
同一时段多台仪器组成的闭合环，坐标增量闭合差应为零。
由于仪器开机时间不完全一致，会有误差。
在检核中应检查一切可能的环闭合差。
其闭合差分量要求不超过限差。
2、同步边检验：
一条基线在不同时段观测多次，有多个独立基线值，这些边称为重复边。
任意两个时段所得基线差应小于相应等级规定精度的2.2倍。
3、异步环检验
在构成多边形环路的基线向量中，只要有非同步观测基线，则该多边形环路称为异步环。
异步环检验应选择一组完全独立的基线构成环进行检验，应符合限差要求。
（三）补测与重测
为了满足成果的精度和统一年性当一个控制点不能与两条合格独立基线相连接时，则必须在该点上补测或重测不少于一条独立基线。
（四）GPS网平差处理
当各项质量检核符合要求时，应以所有独立基线组成闭合图形，进行控制网平差，平差时应遵循以下规定：
（1）、各观测时段均首先进行一个起算点的三维无约束平差，基线向量的改正数（VΔx、VΔy、VΔz）的绝对值均≤42mm。
（2）、在三维无约束平差确定的有效观测量基础上，应在阳泉市矿区独立坐标下进行约束平差。
在基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差（dVΔx、dΔy、dΔz）均≤28mm。
约束点的已知点坐标，已知距离，已知方位可作为强制约束的固定值，平差结果应输出阳泉市矿区独立坐标系中的三维坐标。
同时应输出基线向量改正数，基线边长，及成果的精度信息。
（五）GPS高程拟合方法
高程拟合采用附加地形改正的曲面拟合法。
本项目导线网联测四等精度以上水准点4座，且分布均匀，通过4个水准点正常高与三维平差得到的同名点大地高做比较，来检核高程异常值变化。
确保高程成果的精度满足项目设计的要求。
由于本测区地形多为山地，高程起伏大，又由于GPS高程拟合受地形变化的影响大，拟合精度存在不稳定因素，对全网的高程精度会有所影响，在时间和其它条件具备的情况下，可以考虑对部分控制点采用直接水准方法，以提高全网的高程成果精度，满足后期施工的要求。
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