基于路橋工程測量中GPS的技術應用論文
摘 要：勘測是設計的基礎，目前我國線路勘側的水平并不高，集成化、系統化的程度很低，與世界先進水平相比還有一定的差距，不能適應公路建設對勘測設計的要求。而線路工程設計的瓶頸是數據采集。現在地面等原始數據的采集已開始采用GPS、航測、全站儀等多種現代化的高效的數據采集手段。本文結合數年來的數據處理經驗，探討了工程測量應用中各誤差源的特性及改善數據處理精度的經驗、方法。
關鍵詞：GPS；路橋工作；工程測量
一、路橋工程測量中GPS測量模式
由于測量地段的實地要求與用戶的個人需求的不同，所采用測量方式也是不同的。具體的講，GPS測量模式可以分為兩種：靜態測量和動態測量，在靜態測量模式中又按照監測方式可分為兩種：常規靜態測量模式和快速靜態測量模式，在動態測量模式又按照監測方式也可分為兩種：準動態測量模式和實時動態測量模式，其中的實時動態測量模式包括兩種方式：DGPS和RTK。
1 GPS中的靜態測量模式
(1)常規靜態測量模式
所謂的常規靜態測量模式中，所需要在一條或數條基線的兩端分別安置有GPS接收機，以為（應能）同時觀測4顆以上衛星，并且根據基線長度和測量等級，在每個時段觀測45分鐘以上。其相對定位精度一般可以達到5mm十1ppm。目前這種測量模式常用于建立地殼運動監測網，建立全球性或國家級大地控制網，進行島嶼與大陸聯測，建立長距離檢校基線，鉆井定位及精密工程控制網建立等。
(2)快速靜態測量模式
所謂的快速靜態測量模式中，只需采用單臺GPS接收機，安置已知測站作為基準站，對于所有可見衛星進行連續跟蹤。移動站接收機依次到各待測測站，每測站觀測數分鐘。目前來說，這種測量模式常用于控制網的建立及其加密、工程測量、地籍測量等。
需要注意的是這種方法要求在觀測時段內確保有5顆以上衛星可供觀測，流動點與基準點相距應不超過20km。
2 GPS中的動態測量模式
(1)準動態測量模式
所謂的準動態測量模式，安置GPS接收機的方式和快速靜態測量模式中一樣，也是為了連續跟蹤所有可見衛星。但是與快速靜態測量模式不同的是，觀測時間每測站觀測幾個歷元數據，它要求移動站在測站過程中不能失鎖，并且需要先在已知點或用其它方式進行初始化。這種方法常用于精密測定運動目標的軌跡、測定道路的中心線、剖面測量、航道測量等。
(2)實時動態測量模式
所謂的實時動態測量模式，顧名思義就是指實時得到高精度的測量結果。其具體操作如下：將GPS基準站接收機和數據鏈架設在已知測站上，連續跟蹤所有可見衛星，并通過數據鏈發送數據向移動站。而移動站接收機通過移動站數據鏈接收基準站發射來的數據，并在機進行處理，從而實時得到移動站的高精度位置。
二、路橋工程測量中GPS的靜態測量與處理
GPS控制測量一般采用靜態方式進行，其數據處理一般分為兩步：基線解算和網平差。下面結合這兩方面以及高程擬合的相關問題，討論其影響因素。
1 基線解算
GPS3：程測量或控制測量中，基線解算一般采用載波相位雙差固定解，其質量的優劣直接影響到基線網平差的結果。工程測量中，GPS靜態測量數據處理時，基線解算的質量檢核一般是在載波相位整周模糊度固定的條件下，考慮觀測量殘差分布的同時，由同步環、異步環的閉合差、重復基線的較差來檢核。為了進一步檢核GPS觀測網中基線之間的相容性，還需要進行同步環、異步環、重復基線的檢核。通常是按照行業標準或國標，對其在WGS-84直角坐標系下的三維分量的閉合差設定范圍，并以此來檢核。這種檢核的過程往往需要與上述的基線解算過程多次交叉進行。以得到自洽性較好的GPS基線網。
對于GPS工程測量中基線網自洽性檢核，平面閉合差，高程閉合差分別采用不同的標準是比較符合實際的；這有利于控制GPS測量誤差對平面控制測量的影響，避免GPSN的WGS-84坐標系空間分量檢核合格，而平面閉合差超限引起的不合理現象，也有利于將傳統的平面控制測量或導線測量與GPS測量更好的銜接起來。同時，也有利于GPS高程擬合中高程閉合差的控制，從而提高高程擬合的精度。
2 GPS網平差
GPS網平差分為WGS-84坐標系下三維(無約束和約束)平差和工程測量坐標系下的平面約束平差。平差過程表明，GPS獨立基線向量中粗差的剔除、基線轉換投影到工程測量坐標系的二維向量這兩步對于最后的二維平面平差的結果至為重要。
3 高程擬合
靜態GPS網的高程擬合一直以來是很多工程測量部門比較關心的問題，討論的比較多的常常是數學擬合或引入局部水準面的改正方法，如數值擬合法、整體平差法、綜合處理法、移動曲面法、線性擬合法、平面擬合法、斜面擬合法、引入EGM96重力場模型的高程擬合等。
高程擬合的過程一般為：在WGS-84坐標系下進行了最小約束或約束平差后，利用得到的WGS-84大地高、某些公共點上的正常高及其平面位置，進行數學擬合并內插出未知點上的正常高，必要時還需要進行相應的地形改正，以提高數學擬合的精度，削弱大地水準面不均勻性對擬合的影響。
三、路橋工程測量中GPS的動態測量與處理
RTK(Real Time Kinematic)是GPS實時動態測量方式的簡稱，也是工程測量中GPS測量技術發展的一個新突破，在這種的監測模式中，其觀測值與測站坐標信息通過基準站數據鏈將一起被傳送給流動站；流動站不僅可以通過數據鏈接收來自基準站的數據，還同時采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，經過坐標轉換后直接輸出觀測點的坐標。在使用RTK測量模式中精度損失有：
1 轉換參數引起的精度損失
在進行RTK測量時，首先需要輸入控制點的WGS-84坐標和地方坐標系坐標，以此來求解轉換參數，依據此得到轉換后的地方坐標系下的坐標。這其間待測點坐標的精度存在著坐標轉換的損失，經驗表明，這種損失一般在1cm左右，但與控制點的精度和分布有關。因此需要合理的選擇WGS-84坐標的獲取方式，而且，對于某一小測區范圍而言，輸入的控制點點位所組成的圖形盡量能夠涵蓋該測區，對于較大范圍的測區，建議進行轉換參數的分區求解，而且區與區之間應當有適當的重合點。
2 基準站與流動站之間的距離
在RTK測量模式中，對其精度影響較大是基準站與流動站之間的距離、軌道誤差和大氣延遲誤差。當基準站與流動站之間的距離較短時，其影響能夠模擬，其殘差能夠通過觀測值的差分處理得到削弱甚至基本消除，當基準站與流動站之間的距離較長時，它們的影響越大，得到固定解的時間一般也較長，對觀測結果的影響也會越大。而且，伴隨著基準站與流動站間距離的增大，GPS誤差的空間相關性會逐漸失去線性，所以在二者較長距離下，即使流動站數據經過差分處理后仍然含有較大的觀測誤差，從而容易導致定位精度的降低與無法解算載波相位的整周模糊度。
3 測站環境及天氣狀況
RTK測量結果的精度影響影響因素：基準站、流動站上的環境及天氣狀況。當基準站周圍的干擾較多時，會減小電臺的控制范圍，影響作業效率。當其周環境較差時，降低會接收信號的質量，增大測量噪聲，最終使得RTK定位的結果收到很大影響。而且，基準站與流動站、各流動站之間的氣象條件差異較大時，RTK測量結果會受到明顯的影響，最為明顯的就是高程測量的結果。
4 操作人員的誤差
在RTK測量模式中，與其它的測量模式一樣，一樣也要求整平儀器、對中及量取儀器的高度等等。但是RTK測量成果的精度還會受到操作人員使用方法及實際經驗的不同的影響。在使用RTK測量模式進行城市一級導線的測量時，必須采用三腳基座對流動站進行對中整平，以盡量減小其對觀測值的影響。
5 基準站的誤差
在RTK測量模式中，是利用基準站的坐標和基線向量，得到的流動站的坐標，因此，傳人到流動站的結果中會存在有基準站的誤差會，致使流動站的坐標受到影響。另一方面，在流動站的結果中還存在有基準站的對中、整平等人員操作誤差，且流動站坐標的解算也會受到基準站周圍環境對GPS觀測量質量的影響。因此，要盡盡量減少在RTK測量模式中的基準站誤差的影響。
從測量技術來看，RTK技術替代一級導線測量的可行性問題，RTK高程測量的精度問題將成為未來所發展的方向。所以，本文主要根據上文中所提到的精度損失以及作者在工作中的經驗認為，在RTK測量轉換參數的合理情況下，采用雙基準站雙采樣(或多采樣)的方法，可以有效的消除基準站誤差的影響，削弱對流層延遲的隨機性誤差對于RTK高程的影響，從而提高RTK平面測量和高程測量的精度。
四、觀測數據的評價標準：
在工程勘測施工GPS靜態相對定位中，觀測數據的評價一般分為四級：良好、合格、存疑和不合格。
4.1 良好
良好具有如下要求：①測量基準點環境好，無施工震動，焊接作業及其他電磁波等干擾；②觀測過程中大氣狀況穩定能觀測到所有的預報衛星；③接收機運行正常，沒有或偶爾發生短暫的失鎖或故障報警，但很快得以排除；④測點上全部操作過程都符合規定，資料齊全；⑤實時絕對定位解收斂平穩。
4.2 合格
合格具有如下要求：①測點上有施工震動及其他電磁波等干擾；②觀測過程中大氣狀況有明顯的波動，如有暴風雨過境和氣象突變等；③接收機運行不大正常，多次出現報警或衛星失鎖，且由于未能及時排除或多次積累致使約有10%的觀測數據無效；④測站上的操作過程基本符合要求；⑤實時單點定位解的收斂過程有波動。
4.3 存疑：
合格具有如下要求：①測站上信號干擾因素比較嚴重；②觀測過程中報警或信號失鎖頻繁，有約20%的觀測數據無效；③單點定位解收斂波動較大。
4.4 不合格：
合格具有如下要求：①由于多種因素，如氣象、儀器、高層建筑施工等影響，致使無效數據多于30%；②觀測衛星數少于4顆；③單點定時定位解收斂很困難。
結語：GPS在工程測量領域，定位技術自身獨特而強大的功能，能進一步提高測量作業效率，降低勞動強度，節省測量費用。另一方面，GPS技術的強大功能與潛力尚未充分挖掘，如與GIS集成，實時控制，綜合自動化作業是以后的發展方向，隨著科技的不斷進步，理論和實踐的結合，精度更高，速度更快，適應環境更廣，抗干擾能力更強的系統將會逐步推出，GPS在工程測量中的應用會更加廣泛。
參考文獻：
[1]居向明，GPS在工程控制測量中應注意的幾個問題，測繪學院學報，2003
[2]趙俊生、徐衛民，GPS在城市控制測量應用中的研究，測繪通報，2007
[3]閏志剛等，GPS作業模式原理及實用技術.四川測繪，2005
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