GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

1、GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用1概述    20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測(cè)繪定位技術(shù)發(fā)生了革命性的變革，為工程測(cè)量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。長(zhǎng)期以來(lái)用測(cè)角、測(cè)距、測(cè)水準(zhǔn)為主體的常規(guī)地面定位技術(shù)，正在逐步被以一次性確定三維坐標(biāo)的、高速度、高效率、高精度的CPS技術(shù)所代替，同時(shí)定位范圍己從陸地和近海擴(kuò)展到海洋和宇宙空間；定位方法己從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)；定位服務(wù)領(lǐng)域己從導(dǎo)航和測(cè)繪領(lǐng)域擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的廣闊領(lǐng)域。對(duì)經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了極其深刻的影響，它在大地測(cè)量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，如地球動(dòng)力學(xué)、海洋大地測(cè)量學(xué)、地球物理探測(cè)、資源

2、勘探、航空與衛(wèi)星遙感、地下工程變形監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)速以及精密時(shí)間傳遞等方面的廣泛應(yīng)用，充分顯示了衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。2 GPS測(cè)量的基本原理與方法21 GPS測(cè)量的基本原理    測(cè)量學(xué)中的交會(huì)法測(cè)量里有一種測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法。與其相似，GPS的定位原理就是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離交會(huì)得出地面點(diǎn)位置。簡(jiǎn)言之，GPS定位原理是一種空間的距離交會(huì)原理。設(shè)想在地面待定位置上安置GPS接收機(jī)，同一時(shí)刻接收4顆以上GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。通過(guò)一定的方法測(cè)定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機(jī)的距離，據(jù)此利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站P的

3、位置及接收機(jī)鐘差t。 圖3-1 GPS定位原理    如圖3-1，設(shè)時(shí)刻ti在測(cè)站點(diǎn)P用GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)得P點(diǎn)至四顆GPS衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離1、2、3、4，通過(guò)GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo) ，用距離交會(huì)的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)的觀測(cè)方程為： 式中的c為光速，t為接收機(jī)鐘差。22 GPS定位方法分類利用GPS進(jìn)行定位的方法有很多種。若按照參考點(diǎn)的位置不同，則定位方法可分為（1）絕對(duì)定位。即在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，利用一臺(tái)接收機(jī)來(lái)測(cè)定該點(diǎn)相對(duì)于協(xié)議地球質(zhì)心的位置，也叫單點(diǎn)定位。這里可認(rèn)為參考點(diǎn)與協(xié)議地球質(zhì)心相重

4、合。GPS定位所采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系。因此絕對(duì)定位的坐標(biāo)最初成果為WGS-84坐標(biāo)。（2）相對(duì)定位。即在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，利用兩臺(tái)以上的接收機(jī)測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)至某一地面參考點(diǎn)（已知點(diǎn)）之間的相對(duì)位置。也就是測(cè)定地面參考點(diǎn)到未知點(diǎn)的坐標(biāo)增量。由于星歷誤差和大氣折射誤差有相關(guān)性，所以通過(guò)觀測(cè)值求差可消除這些誤差，因此相對(duì)定位的精度遠(yuǎn)高于絕對(duì)定位的精度。按用戶接收機(jī)在作業(yè)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，則定位方法可分為（1）靜態(tài)定位。即在定位過(guò)程中，將接收機(jī)安置在測(cè)站點(diǎn)上并固定不動(dòng)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這種靜止?fàn)顟B(tài)只是相對(duì)的，通常指接收機(jī)相對(duì)與其周圍點(diǎn)位沒有發(fā)生變化。（2）動(dòng)態(tài)定位。即在定位過(guò)程中，接收機(jī)處于

5、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。GPS絕對(duì)定位和相對(duì)定位中，又都包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。即動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位、靜態(tài)絕對(duì)定位、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位和靜態(tài)相對(duì)定位。若依照測(cè)距的原理不同，又可分為測(cè)碼偽距法定位、測(cè)相偽距法定位、差分定位等。 3 GPS技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn) 31 用途廣泛     GPS技術(shù)可以應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)繪工作者而言，GPS定位系統(tǒng)己應(yīng)用：大地測(cè)量，地殼板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，建立各種工程監(jiān)測(cè)網(wǎng)和進(jìn)行各種工程測(cè)量等。GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用有著廣泛的前景，特別是自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工程施工的自動(dòng)控制系統(tǒng)是未來(lái)應(yīng)用研究的重要方。 32 自動(dòng)化程

6、度高     用GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，僅需一人將天線準(zhǔn)確地安置在測(cè)站上，量測(cè)天線高，接通電源，啟動(dòng)接收單元，儀器即自動(dòng)開始工作，在結(jié)束測(cè)量時(shí)只需關(guān)閉電源，接收機(jī)便完成野外數(shù)據(jù)采集，若在一個(gè)測(cè)站上需要作長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)量，還可實(shí)行無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的GPS測(cè)量和計(jì)算。 33 定位精度高     短距離(15公里以內(nèi))精度可達(dá)毫米級(jí)，中、長(zhǎng)距離(幾十公里甚至幾百公里)相對(duì)精度可達(dá)到10-7至10-8。差分導(dǎo)航的精度可達(dá)米級(jí)至厘米級(jí)。大型建筑物、構(gòu)

7、筑物變形監(jiān)測(cè)，在采用特殊的觀測(cè)措施、精密星歷和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后，平面精度可達(dá)亞毫米級(jí)，高程精度可穩(wěn)定在1mm左右。 34 全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)     應(yīng)用GPS定位、導(dǎo)航，不受天氣的影響，可以全天候地工作。這一特點(diǎn)保證了變形監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和自動(dòng)化。 35 可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響       在變形監(jiān)測(cè)中我們關(guān)注的是兩期的變形量，而不是變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的坐標(biāo)，兩期變形監(jiān)測(cè)中所含的共同的系統(tǒng)誤差雖然只會(huì)分別影響兩期的坐標(biāo)值，但卻不會(huì)影響所求得的變形量。即在變形監(jiān)測(cè)中，接收機(jī)天線的

8、對(duì)中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不會(huì)影響變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果，只要天線在監(jiān)測(cè)過(guò)程中能保持固定不動(dòng)即可。 4 GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用特點(diǎn) 41 建立工程控制網(wǎng)       工程控制網(wǎng)是工程建設(shè)、管理和維護(hù)的基礎(chǔ)，其網(wǎng)型和精度要求與工程項(xiàng)目的性質(zhì)、規(guī)模密切相關(guān)。一般地，工程控制網(wǎng)覆蓋面積小，點(diǎn)位密度大、精度要求高。用常規(guī)的方法多采用邊角網(wǎng)。       采用GPS定位的方法建立工程控制網(wǎng)，具有點(diǎn)位選擇限制少，作業(yè)時(shí)間短，成果精度高，工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于建立工程

9、首級(jí)控制網(wǎng)，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，工礦施工控制網(wǎng)，工程勘探、施工控制網(wǎng)，隧道等地下工程控制網(wǎng)，等等。     應(yīng)用GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)，通常采用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)，以保證達(dá)到毫米級(jí)精度。應(yīng)用GPS技術(shù)建立道路勘探、施工控制網(wǎng)和隧道工程控制網(wǎng)等具有顯著的優(yōu)勢(shì)，道路勘測(cè)、施工控制網(wǎng)，具有橫向很窄、縱向很長(zhǎng)的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的三角鎖、導(dǎo)線方案，多數(shù)需要分段實(shí)施，以避免誤差積累過(guò)大，采用GPS技術(shù)，由于點(diǎn)與點(diǎn)之間不需要通視，可以敷設(shè)很長(zhǎng)的GPS點(diǎn)構(gòu)成的三角鎖，以保持長(zhǎng)距離線路坐標(biāo)控制的一致性。     隧道、地鐵等地下工程，一般

10、采用對(duì)向施工，有時(shí)還需采用立井施工，以提高貫通速度。為了保證貫通精度，必須建立地面精密控制網(wǎng)。隧道縱向跨度大，其上方周圍多為崇山峻嶺，地鐵上方，高樓大廈林立。用GPS技術(shù)建立隧道、地鐵工程控制網(wǎng)解決了這類工程的一大難題。 4.2 RTK的碎部測(cè)量與放樣     RTK (Real Time Kinematic)技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。RTK系統(tǒng)由兩部分組成：基準(zhǔn)站（坐標(biāo)已知)和移動(dòng)站（用戶接收）。其本原理是：將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)基準(zhǔn)站的差分信息進(jìn)行求差解算用戶位置坐標(biāo)。RTK技

11、術(shù)可以應(yīng)用于測(cè)繪地形圖、地籍圖，測(cè)繪房地產(chǎn)的界址點(diǎn)，平面位置的施工放樣等。采用RTK技術(shù)測(cè)圖時(shí)僅需一人進(jìn)行。將GPS接收機(jī)放在待定的特征點(diǎn)上1-2 s,同時(shí)輸入該特征點(diǎn)的編碼即可。把一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的地形、地物特征點(diǎn)測(cè)定后傳入計(jì)算機(jī)，由專業(yè)成圖軟件、在人工適當(dāng)?shù)母深A(yù)下，形成所要的成果圖。采用RIK技術(shù)進(jìn)行放樣，標(biāo)定界標(biāo)點(diǎn)，是坐標(biāo)的直接標(biāo)定，不像常規(guī)放樣那樣，需要后視方向、用解析法標(biāo)定，因而簡(jiǎn)捷易行。 4.3 區(qū)域差分網(wǎng)下的碎部測(cè)量與放樣     區(qū)域性GPS差分系統(tǒng)下的碎部測(cè)量，放樣，是基于區(qū)域GPS差分網(wǎng)進(jìn)行的。區(qū)域差與RTK單基點(diǎn)載波相位差分的

12、原理相似，不同的是區(qū)域差分的基準(zhǔn)站往往多于1個(gè)，多基準(zhǔn)站組成基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)提供各個(gè)基準(zhǔn)站的差分信息，用戶接收機(jī)根據(jù)自己的位置確定各基準(zhǔn)站差分信息的權(quán)，按非等權(quán)平差后形成自己的差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)差分定位。 44 GPS變形監(jiān)測(cè)     變形監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)像大橋、水庫(kù)大壩、高層大樓等建筑物、構(gòu)筑物的地基沉降、位移以及整體的傾斜等狀況。常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法，監(jiān)測(cè)地基的沉降；應(yīng)用三角測(cè)量（或角度交會(huì))的方法監(jiān)測(cè)地基的位移和整體的傾斜，由于被監(jiān)測(cè)物體通常都是幾何尺寸巨人，監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)技術(shù)要求較高，因此應(yīng)用常規(guī)技術(shù)不僅觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度

13、大，而且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。而GPS定位技術(shù)由于定位精度高，不需要通視、可全天候工作等特點(diǎn)。研究表明，利用GPS進(jìn)行水平位移觀測(cè)可獲得小于士2mm精度的位移矢量，高程的測(cè)量也可獲得不大于士10mm的精度。因此，GPS在變形監(jiān)測(cè)中越來(lái)越受到廣泛的應(yīng)用，尤其是大型工程。此外，一種低費(fèi)用，多天線的GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在研制，其宗旨是采用一個(gè)特制天線轉(zhuǎn)制開關(guān)（GPS多天線轉(zhuǎn)制開關(guān)）來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)GPS天線與一臺(tái)接收機(jī)相連接，接收機(jī)按照預(yù)先設(shè)置的程序分時(shí)掃描每一臺(tái)天線并實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星的跟蹤，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件（包括多天線識(shí)別與分離模塊）來(lái)完成數(shù)據(jù)處理。無(wú)疑，這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將大大降低檢測(cè)的成本。 5 結(jié)論     GPS技術(shù)具有精度高、速度快、不受氣候條件及通視條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，另外，GPS接收機(jī)具有自動(dòng)觀測(cè)的特點(diǎn)，這為實(shí)現(xiàn)大型工程建筑物變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，GPS是一種值得選用的有效方法，三維坐標(biāo)的測(cè)定變得簡(jiǎn)單，因此，該技術(shù)除應(yīng)用于航天、航海等領(lǐng)域外，已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量的建立工程測(cè)量控制網(wǎng)、RTK下的碎部測(cè)量與放樣、區(qū)域差分系統(tǒng)下碎