衛(wèi)星定位系統(tǒng)在公路工程控制測量中的應(yīng)用

PAGE5衛(wèi)星定位系統(tǒng)在公路工程控制測量中的應(yīng)用一、GPS控制網(wǎng)的內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)1.GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)是進(jìn)行GPS測量的基礎(chǔ)。它應(yīng)根據(jù)用戶提交的任務(wù)書或測量合同所規(guī)定的測量任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其內(nèi)容包括測區(qū)范圍、測量精度、提交成果方式、完成時間等。設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)是國家測繪局頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》及建設(shè)部頒發(fā)的《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》。（一）GPS網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的一般原則(1)、充分考慮GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍對于工程建設(shè)的GPS網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)既考慮勘測設(shè)計(jì)階段的需要，又要考慮到施工放樣等階段的需要。對于城市GPS控制網(wǎng)，既要考慮近期建設(shè)和規(guī)劃的需要，又要考慮遠(yuǎn)期發(fā)展的需要，還可以根據(jù)具體情況擴(kuò)展GPS控制網(wǎng)的功能，例如，因?yàn)镚PS測量具有高精度和不要求通視的優(yōu)點(diǎn)，有的城市已經(jīng)考慮將城市GPS網(wǎng)建成為廉有監(jiān)測三維形變功能的控制網(wǎng)。這樣監(jiān)測GPS網(wǎng)既可以為城市建設(shè)提供發(fā)現(xiàn)隱患、預(yù)防災(zāi)害的極有價值的信息，也有利于充分發(fā)揮GPS網(wǎng)在城市建設(shè)中的作用。(2)、采用分級布網(wǎng)的方案分級布網(wǎng)是建立常規(guī)測量控制網(wǎng)的基本方法，由于GPS測量具有許多優(yōu)越性，所以并不要求GPS網(wǎng)按常規(guī)控制網(wǎng)分很多等級布設(shè)，但有計(jì)劃地分級布設(shè)GPS網(wǎng)，有利于測區(qū)的近期需要和遠(yuǎn)期的發(fā)展。例如，大城市的GPS控制網(wǎng)可以分為三級：首級網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的平均距離大于5km；次級網(wǎng)中相鄰點(diǎn)平均距離為1km-5km；三級網(wǎng)相鄰點(diǎn)平均距離可小于1km，且可采用GPS與全站儀相結(jié)合的方法布設(shè)。對于小城市，分兩級布設(shè)GPS網(wǎng)即可。為提高GPS網(wǎng)的可靠性，各級GPS網(wǎng)必須布設(shè)成為由獨(dú)立的GPS基線向量邊（簡稱為GPS邊）構(gòu)成的閉合圖形網(wǎng)，閉合圖形可以是三邊形、四邊形或多邊形，也可以包含一些附和路線，但網(wǎng)中不允許存在支線。（二）GPS測量的精度標(biāo)準(zhǔn)GPS測量的精度標(biāo)準(zhǔn)常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離中誤差表示，其形式為σ=a+bd式中σ————距離中誤差，mma————固定誤差，mmb————比例誤差系數(shù)，10-6d————相鄰點(diǎn)的距離，km國家測繪局1992年制訂的我國第一部《GPS測量規(guī)范》，將GPS的測量精度分為A-E5級（見下表）。其中A，B兩級一般是國家GPS控制網(wǎng)，而C，D，E3級則是針對局部性GPS網(wǎng)規(guī)定的，在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)測區(qū)大小和GPS網(wǎng)的用途來設(shè)計(jì)網(wǎng)的等級和精度標(biāo)準(zhǔn)。表GPS的測量精度ABCDE固定誤差a/mm58101010比例誤差系數(shù)b/10-60.1151020相鄰點(diǎn)最小距離/km10015521相鄰點(diǎn)最大距離/km200025040150相鄰點(diǎn)平均距離/km3007015-1010-55-2（三）坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)GPS采用的1984年世界大地坐標(biāo)系（worldgeodeticsystem，WGS84坐標(biāo)系）是一個協(xié)議坐標(biāo)系，其空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，Z軸指向國際時間局（BIH1984.0）定義的地極方向。而實(shí)用上需要得到的是參心坐標(biāo)系，在我國即1980年國家大地坐標(biāo)系和1954年北京坐標(biāo)系（或地方獨(dú)立坐標(biāo)系）的坐標(biāo)，“參心”

意指參考橢球的中心。為此，在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，必須有GPS網(wǎng)的成果所采用的坐標(biāo)系和起算數(shù)據(jù)，即GPS網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)，或稱之為GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)與常規(guī)控制網(wǎng)的基準(zhǔn)類似，包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通常都是由給定的起算點(diǎn)坐標(biāo)確定；方位基準(zhǔn)可以通過給定起算方位角決定，也可以GPS基線向量的方位為方位基準(zhǔn)；尺度基準(zhǔn)可以由地面的電磁波測距邊確定，或由兩個以上的起算點(diǎn)之間的距離確定，也可以由三、GPS控制網(wǎng)的外業(yè)實(shí)施1.儀器準(zhǔn)備此次C級控制網(wǎng)的建立所采用的儀器是南方NGS9600型GPS接收機(jī)，該接收機(jī)是以四臺套進(jìn)行工作。所以作業(yè)以前準(zhǔn)備四個三腳架，四臺接收機(jī)，四個盒尺。

1GPS接收機(jī)的選用對于不同的GPS網(wǎng)的類級和控制等級，精度要求不一，此處提出選用接收機(jī)的基本要求，見下表表接收機(jī)的選用級別ABCD、E單頻/雙頻雙頻雙頻雙頻單頻雙頻單頻標(biāo)稱精度a≤5mm，b≤0.5a≤5mm，b≤1a≤10mm，b≤2a≤10mm，b≤3觀測量載波相位或載波相位+P（Y）碼偽距載波相位或載波相位+P（Y）碼偽距載波相位或載波相位+P（Y）碼偽距載波相位或載波相位+P（Y）碼偽距同步觀測接收機(jī)數(shù)≥4≥3≥2≥2南方9600型測量系統(tǒng)GPS測量的工作程序如下圖：是是GPS網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)實(shí)地定點(diǎn)、埋石GPS觀測計(jì)劃準(zhǔn)備基線向量解算數(shù)據(jù)傳輸野外定位觀測及記錄GPS網(wǎng)平差成果輸出打印質(zhì)量合格否圖2.接收機(jī)及附屬設(shè)備的檢驗(yàn)與維護(hù)（1）、接收機(jī)、天線及其他設(shè)備是否完整齊全，可隨時出測。（2）、各設(shè)備及電纜外部有無損傷、銹蝕，能否確保安全連接。（3）、充電后信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)以及儀表工作是否正常，可用自測試命令進(jìn)行測試。（4）、用于A、B級的接收機(jī)，每年出測前至少檢定一次，按規(guī)范要求應(yīng)在不同長度的標(biāo)準(zhǔn)基線或規(guī)定的比較基線或GPS測量檢驗(yàn)場上進(jìn)行測試。（5）、新出廠的A、B級GPS觀測的接收設(shè)備應(yīng)進(jìn)行天線相位中心穩(wěn)定性檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)或更換插板的接收機(jī)，有關(guān)檢驗(yàn)和試測項(xiàng)目需要重新進(jìn)行。（6）、通風(fēng)干濕表及空盒氣壓表，至少每三年送檢一次，天線的圓水準(zhǔn)氣泡和光學(xué)對中器每年至少進(jìn)行一次檢校。3.人員組織每臺接收機(jī)必須有一個人進(jìn)行操作，為了全面加強(qiáng)控制測量工作的領(lǐng)導(dǎo)，測量隊(duì)伍還成立了職員組和技術(shù)指導(dǎo)組。職員組的主要任務(wù)是在進(jìn)行測量時負(fù)責(zé)操作儀器及看管儀器。技術(shù)指導(dǎo)組的任務(wù)是具體負(fù)責(zé)組織控制測量實(shí)施過程中的的重大技術(shù)性問題。4.儀器安裝將準(zhǔn)備好的三腳架架到已經(jīng)選好的待測點(diǎn)上，將接收機(jī)安裝到三腳架上對中、整平。量取天線高，開機(jī)進(jìn)入工作階段。注：本次觀測采用的作業(yè)模式是靜態(tài)定位模式：（1）．作業(yè)方法：采用四臺接收設(shè)備，分別安置在基線的兩個端點(diǎn)同步觀測顆以上衛(wèi)星，每時段長45分鐘。（2）．精度：基線的定位精度可達(dá)5mm+lppm。D,D為基線長度(千米)。（3）．注定事項(xiàng)：所有已觀測基線組成一系列封閉圖形，以利于外業(yè)檢核，提高成果可靠性。并通過平差，助于進(jìn)一步提高定位精度。5.野外觀測野外觀測應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。（1)、安置天線:天線安置是GPS精密測量的重要保證。要仔細(xì)對中、整平、量取儀器高。儀器高要用鋼尺在互為120°方向量三次，互差小于3mm。取平均值后輸入GPS接收機(jī)。(2)、安置GPS接收機(jī):GPS接收機(jī)應(yīng)安置在距天線不遠(yuǎn)的安全處，連接天線及電源電纜，并確保無誤。(3)、操作：按規(guī)定時間打開GPS接收機(jī)，輸入測站名，衛(wèi)星截止高度角，衛(wèi)星信號采樣間隔等。GPS接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)有：GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差參數(shù)；觀測歷元的時刻及偽距觀測值和載波相位觀測值；GPS絕對定位結(jié)果；測站信息。(4)、檢查：一個時段測量結(jié)束后要查看儀器高和測站名是否輸入，確保無誤再關(guān)機(jī)、關(guān)電源、遷站。四、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理1.數(shù)據(jù)傳輸觀測完畢即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸是內(nèi)業(yè)工作的基礎(chǔ)工作，在數(shù)據(jù)傳輸過程中必須嚴(yán)格按軟件的操作程序進(jìn)行操作，要認(rèn)真的對待這一過程。本次觀測數(shù)據(jù)傳輸，是將NGS9600型GPS接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，使用相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理。（一）連接計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)前的準(zhǔn)備（1）、保證NGS9600型主機(jī)電源充足，打開電源（2）、用通訊電纜連接好電腦的串口1(COMl)或串口2(COM2)。（3）、要等待(約10秒鐘)9600主機(jī)進(jìn)入主界面后再進(jìn)行連接和傳輸(初始界面不能傳輸)。（4）、設(shè)置要存放野外觀測數(shù)據(jù)的文件夾，可以在數(shù)據(jù)通訊軟件中設(shè)置。（二）進(jìn)行通訊參數(shù)的設(shè)置（1）、選擇“通訊”菜單中的“通訊接口”功能，系統(tǒng)彈出圖4-3所示的通訊參數(shù)設(shè)置對話框。（2）、在通訊參數(shù)設(shè)置對話框中選擇通訊接口COM1或COM2，鼠標(biāo)單擊“確定”按鈕。圖通訊參數(shù)設(shè)置對話框（三）連接計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)圖連接計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)后的程序菜單選擇“通訊”菜單中的“開始連接”功能或直接在工具欄中選擇“連接”。如果在第二步中設(shè)置的通訊參數(shù)正確系統(tǒng)將連接計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)，在程序視窗的下半部分顯示GPS接收機(jī)內(nèi)的野外觀測數(shù)據(jù)。見圖4-3。如果通訊參數(shù)設(shè)置不正確，請重復(fù)第二步的操作。（四）數(shù)據(jù)傳輸（1）、選擇“通訊”菜單中的“傳輸數(shù)據(jù)”功能，系統(tǒng)彈出圖4-4所示的對話框。（2)、在GPS數(shù)據(jù)傳輸對話框中選擇野外的觀測數(shù)據(jù)文件，鼠標(biāo)單擊“開始”。（五）斷開連接選擇“通訊”菜單中的“斷開連接”功能或直接在工具欄中選擇“斷開”，即可斷開計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)的連接。例如要將數(shù)據(jù)保存在E盤根目錄下JT文件夾中，則可以進(jìn)行如下操作：(1)、打開E盤根目錄下JT文件夾；(2)、選定欲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（如2113點(diǎn)數(shù)據(jù)）如圖。(3)、在圖的對話框中可更改點(diǎn)名、儀器天線高、時段號。(4）、然后鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“開始”，該點(diǎn)上采集的數(shù)據(jù)“2113”將傳輸?shù)侥阒付ǖ腅盤根目錄下JT文件夾。（5)、斷開連接。圖GPS數(shù)據(jù)傳輸對話框2.數(shù)據(jù)處理GPS導(dǎo)線數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，數(shù)據(jù)處理采用GPS數(shù)據(jù)處理軟件。經(jīng)濟(jì)基線解算、質(zhì)量檢核、網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。（一）處理過程符合下列技術(shù)要求同一時段觀測值基線處理中，二、三等數(shù)據(jù)采用率都不宜低于80%，同步環(huán)的相對閉合差和全長相對閉合差應(yīng)符合下表規(guī)定：表同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長相對閉合差的規(guī)定（ppm）等級限差類型二等三等四等一級二級相對閉和差2.03.06.09.09.0全長相對閉合差3.05.010.015.015.0（二）觀測成果檢驗(yàn)1、每個時段同步環(huán)檢驗(yàn):同一時段多臺儀器組成的閉合環(huán)，坐標(biāo)增量閉合差應(yīng)為零。由于儀器開機(jī)時間不完全一致，會有誤差。在檢核中應(yīng)檢查一切可能的環(huán)閉合差。其閉合差分量要求不超過限差。2、同步邊檢驗(yàn)：一條基線在不同時段觀測多次，有多個獨(dú)立基線值，這些邊稱為重復(fù)邊。任意兩個時段所得基線差應(yīng)小于相應(yīng)等級規(guī)定精度的2.2倍。3、異步環(huán)檢驗(yàn)在構(gòu)成多邊形環(huán)路的基線向量中，只要有非同步觀測基線，則該多邊形環(huán)路稱為異步環(huán)。異步環(huán)檢驗(yàn)應(yīng)選擇一組完全獨(dú)立的基線構(gòu)成環(huán)進(jìn)行檢驗(yàn)，應(yīng)符合限差要求。（三）補(bǔ)測與重測為了滿足成果的精度和統(tǒng)一年性當(dāng)一個控制點(diǎn)不能與兩條合格獨(dú)立基線相連接時，則必須在該點(diǎn)上補(bǔ)測或重測不少于一條獨(dú)立基線。（四）GPS網(wǎng)平差處理當(dāng)各項(xiàng)質(zhì)量檢核符合要求時，應(yīng)以所有獨(dú)立基線組成閉合圖形，進(jìn)行控制網(wǎng)平差，平差時應(yīng)遵循以下規(guī)定：（1）、各觀測時段均首先進(jìn)行一個起算點(diǎn)的三維無約束平差，基線向量的改正數(shù)（VΔx、VΔy、VΔz）的絕對值均≤42mm。（2）、在三維無約束平差確定的有效觀測量基礎(chǔ)上，應(yīng)在陽泉市礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)下進(jìn)行約束平差。在基線向量的改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差（dVΔx、dΔy、dΔz）均≤28mm。約束點(diǎn)的已知點(diǎn)坐標(biāo)，已知距離，已知方位可作為強(qiáng)制約束的固定值，平差結(jié)果應(yīng)輸出陽泉市礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。同時應(yīng)輸出基線向量改正數(shù)，基線邊長，及成果