GPS在工程勘测中的应用与探讨

　　0 引言
　　全球定位系统（Global Positioning System-GPS）卫星定位技术的发展，使测绘科学发生了巨大的变革，长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替。GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力使广大测量工作者产生了极大的兴趣。随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为测绘工作提供了崭新的技术手段和方法。GPS控制网不仅具有很高的平面精度，同时也为用户提供了比较准确的高程数据。GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，对这项工作总的原则是，在满足用户要求的情况下，尽可能地减少经费、时间、和人力的消耗。因此，对其各阶段的工作都要精心设计和实施。
　　1 GPS控制测量
　　GPS控制测量工作与经典大地测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。其中：外业工作主要包括选点(即观测站址的选择)、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：技术设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。
　　1.1 作业方法：采用两台（或两台以上）接收机，分别安置在一条（或数条）基线的端点，根据基线长度和要求的精度，按GPS测量系统外业的要求同步观测四颗以上的卫星数时段，时段长度根据测量等级确定。
　　1.2 定位精度：基线测量的精度可达±（5mm＋1ppm×D），D为基线长度，以公里计。
　　1.3 作业要求：采取这种作业模式所观测的独立基线边，应构成闭合图形（如三角形、多边形），以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性。
　　1.4 适用范围：建立国家大地控制网（二等或二等以下）；建立精密工程控制网，如桥梁测量、隧道测量等；建立各种加密控制网，如城市测量、工程点测量、道路测量、勘界测量等；观测中至少跟踪四颗卫星，同时基线边一般不要超过15km。
　　1.5 注意事项：所有已观测基线应组成一系列封闭图形，已利于外业检核，提高成果可靠度。
　　2 控制测量布网方案
　　2.1 选点。由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视，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简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行并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、标石完好情况，决定其适宜的点位外，选点工作还应遵守以下原则：①点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上。②点位目标要显着，视场周围15以上不应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收。③点位应远离大功率无线电发射源，其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送绶道，其距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。④点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。⑤点位交通方便有利于其他手段扩展与联测的地方。⑥地面基础稳定，易于点的保存。⑦当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线。根据以上原则选择了包括测区且分布较均匀的7个GPS点，之后埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。
　　2.2 观测记录。在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式主要观测记录和测量手簿。测量手簿是在接收机启动前及观测过程中，由观测者随时填写的。应记载观测过程中发生的重要问题，问题出现的时间及其处理方式等。必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手簿编号等。接收机内存数据文件在转录到外存介质上时，不得进行任何剔除或删改，不得凋用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。具体要求如下：①卫星截止高度角为15°；②有效观测卫星个数必须超过4个；③采样间隔为5秒；④时段长度必须大于45分钟；⑤几何精度因子（PDOP）必须小于10，（实际观测数为PDOP≤4）；(6)仪器天线高从三个方位量测三次取平均值。
　　3 GPS数据处理
　　GPS接收机采集记录的接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据必须通过GPS数据处理才能得到最终的测量定位成果。
　　3.1 数据传输。GPS接收机采集的数据记录在接收机的内存模块上。数据传输是用专用电缆将接收机与计算机连接，并在后处理软件的菜单中选择传输数据选项后，便将观测数据传输至计算机。数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。观测值文件是容量最大的文件。观测值记录中有对应的卫星号、卫星高度角和方位用，C/A码伪距，L1、L2的相位观测值，观测值对应的历元时间，积分多普勒记数，信噪比等。星历参数文件包含所有被测卫星的轨道位置信息，根据这些信息可以计算出任一时刻卫星的位置。电离层参数和UTC参数文件中，电离层参数用于改正观测值的电离层影响，UTC参数用于将GPS时间修正为UTC时间。测站信息文件包含测站名、测站号、测站的概略坐标、接收机号、天线号、天线高、观测的起止时间、记录的数据量、初步定位成果等。经数据分流后生成的四个数据文件中，除测站信息文件外，其余均为二进制数据文件。为下一步预处理的方便，必须将它们解译成直接识别的文件，将数据文件标准化。
　　3.2 数据预处理。对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件，找出整周跳变点并修复观测值；对观测值进行各种模型改正。数据处理中要多次进行卫星位置的计算，而GPS广播皇历每小时有一组独立的星历参数，使得计算工作十分繁杂，需要将卫星轨道方程标准化，以便计算简便，节省内存空间。GPS卫星轨道方程标准化一般采用以时间为变量的多项式进行拟合处理。来自广播星历的卫星钟差是多个数值，需要通过多项式拟合求得惟一的平滑的钟差改正多项式。用于确定真正的信号发射时刻并计算该时刻的卫星轨道位置，同时也用于将各站对各卫星的时间基准统一起来以估算它们之间的相对钟差。不同的接收机提供的数据记录有不同的格式。例如观测时刻这个记录，可能采用接收机参考历元，也可能是经过改正归算至GPS标准时间。在进行平差（基线向量的解算）之前，观测值文件必须规格化、标准化。具体项目包括：记录格式标准化；记录项目标准化；采样密度标准化；数据单位的标准化。
　　4 高程控制质量的可靠度分析
　　本区在进行控制测量时，由于没有收集到水准点高程，所以高程控制采用国家二等三角点高程为起算数据，与布设的GPS控制点进行高程拟合，求得控制点GPS高程。由于GPS高程没有与水准点高程进行联测、检核。所以其可靠程度是人们最关心的问题。实际上人们已经通过大量的试验证明：如果平差结果的各项精度和指标达到规范要求，GPS高程拟合的模型是全理的，拟合的结果能满足四等水准测量精度的要求。检验方案包括同步环检验，异步环检验和重复基线检验。
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