浅谈GPS在工程施工测量中的应用论文.doc

GPS技术在工程施工测量中的应用XXX（XX大学 土木工程学院 土木XX班 学号XXXXXX）摘 要：本文论述了GPS定位技术在工程施工测量中应用的基本原理及GPS在工程施工控制网及工程施工复测中的应用，还介绍了其应用于工程测量的优缺点及相关处理措施，在工程测量中的具体操作方法，在实践中误差来源分析及改进措施。关键词：GPS技术；施工测量；基本原理；施工控制网；优缺点；操作方法；误差分析1引言 GPS英文全名是“Global Position System”，意为“全球定位系统”。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。 目前，在工程测量中，为了保证控制测量和施工放样的精度，满足工程质量要求，GPS定位技术被广泛应用于工程施工测量中。GPS测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，从而求定测量点的空间位置，它具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能，能提供精密的三维坐标、速度和时间，而且具有良好的抗干扰性和保密性。现已成功应用于工程测量、大地测量、地籍测量、物探测量、航空摄影测量及各种类型的变形监测等诸多领域。本文主要对GPS定位技术在工程施工测量中的应用做简要论述。2工程测量中应用GPS定位技术的基本原理及特点2.1 GPS定位技术的基本原理 GPS定位的基本原理是根据几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置，从测量的角度来说，它与测距后方交会法相似。为了减少卫星本身及信号传播过程产生的各种误差、克服美国的限制政策，人们经过多年研究和实践，总结出多种不同用途、不同精度的定位技术和方法，在工程施工中应用较多的主要是经典静态相对定位（载波相位静态相对定位）和实时动态相对定位（RTK）两种。GPS 定位系统主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。 空间卫星星座由24 颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，GPS卫星用L 波段的两个无线电载波向使用者连续不断地发送导航定位信号，信号中含有卫星的位置坐标信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15以上，平均可同时观测到6 颗卫星，最多可达到9 颗。 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站收集各监测站的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航信息数据注人到相应卫星的存储器中。 用户设备由GPS 接收机、数据处理软件及终端设备（如计算机）等组成。GPS 接收机接受待测卫星的信号，对信号进行一系列地处理，再通过相应软件计算待测点的三维坐标。GPS 系统采用了距离交会法，根据已知的卫星瞬时坐标，确定用户天线所对应观测点的位置。2.2 GPS系统的主要特点 （1）定位精度高。实践证明，用载波相位观测量进行静态相对定位在小于50km的基线上可达1ppm；3001500m工程精密定位中，平面位置误差小于1mm（1h以上观测）；实时动态定位（RTK）可达厘米级的精度。 （2）观测时间短。目前，20km以内静态相对定位的时间仅需1520min，快速静态定位只需2min左右，实时动态定位每站观测12s就可完成。 （3）测站间无需通视。这是GPS技术区别于常规测量的最大优点，尤其是布设长大隧道施工控制网时，可省去大量的传算点、过渡点的测量，大大减少测量作业时间和费用，同时也使选点布网变得非常灵活。 （4）操作简便。GPS接收机自动化程度非常高，外业观测时，测量人员的任务只是安置仪器、连接线缆（一体化机则不需要）、量取天线高、开关机及监视仪器工作状态，野外测量工作轻松愉快。 （5）全球全天候测量。目前卫星数已达30颗，正常情况下随时都可以进行测量定位。除雷电、台风天气不宜观测外，其它如阴天黑夜、起雾下雨均不影响，这一点也是常规测量所无法比拟的。3 GPS定位技术在工程施工测量中应用的具体方法3.1准备工作3.1.1对待测区进行勘察，并收集相关资料 主要调查当地的控制点分布情况、交通情况、水文分布情况、植被情况、以及当地的风俗民情等。相关资料包括待测区的地形图，各类控制点成果以及与之有关的地质、交通、气象、通信等方面的资料。3.1.2拟定观测计划 观测计划的主要内容包括： 设计精度。要求平均边长小于1 km，最弱边相对误差小于1/10 000，GPS 接收机标称精度的固定误差a15 mm，比例误差系数。 编制GPS 卫星的可见性预报图，选择卫星的几何图形强度。 选择最佳的观测时段。根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段，卫星的几何分布越好，定位精度就越高 观测区域的设计与划分。设计基准和控制网，一般采用3 台GPS 接收机进行观测，网形布设成边连式。 设计GPS 网与地面的联测方案。尤其对信号接受不好的待测区，应做好联测方案的设计，以保证其精度。编排作业调度表，以保证测量任务按时完成。3.1.3选择接收机型号并检验 一般小于20 公里点位情况良好，宜采用单频接收机，反之，选用双频接收机。接收机性能的检验主要有：一般检验，主要检查接收机各部件及其附件是否完好，使用手册等相关资料是否齐全等；通电检验，主要是检验接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况；实测检验，主要检验方法为标准基线检验、已知坐标边长检验、零基线检验、相位中心偏移量检验。3.2外业测量工作3.2.1合理选点 GPS 观测点的选取比较灵活，但也要遵循GPS 测量的一些原则。 每点最好能与其中某一点通视。 应选择在上空开阔、视场内周围障碍物的高度角小于15 ，以免信号被遮挡或吸收，影响观测质量。 要远离大功率无线电发射源和高压电线等，其距离应大于200 m，以免电磁场对信号的干扰。 避免大面积水域对电磁波反射和吸收。 选择交通方便的地方，以有利与其它观测手段联测。3.2.2埋设标志 GPS 网点应埋设具有标志的标石，以精确标志点位，点的埋设必须坚固以利于长久保存与利用，并做好记录。3.2.3外业观测外业观测工作主要包括：安装天线、观测作业和观测记录等。天线利用三脚架安置，天线底板上的圆水准器气泡必须居中，天线的定向标志应指北，三次测量互差小于3mm 取平均值。观测作业就是获取所需要的定位信息和观测数据。观测记录由GPS 接收机自动进行，观测者应做好记录。在测量的过程中，应严格限制高频及对讲机等无线电波的使用，避免环境对信号的干扰，从而提高GPS 本身的定位精度。4工程测量中应用GPS定位技术的优缺点及相关处理措施4.1 GPS定位技术应用于工程测量中的优点 相对于常规的测量方法来讲，GPS定位技术应用于工程测量有以下优点： 观测不需要通视，测量时选点灵活。不需要建立瞻标，这样可以大大减少测量观测时间和经费。GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强，并且且作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。 定位精度高，误差分布均匀。GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。一般双频接收机基线解精度为5 mm1 ppm，红外仪标称精度为5 mm5 ppm，实践证明，在小于50 km 的基线上，其相对定位精度可达，而在100500 km 的基线上可达，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。 观测时间短。GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。采用布设控制网时每个测站上的观测时间一般在12 h 左右，其观测时间只需12 min。 抗干扰能力强，保密性好，可以实现全天候连续测量定位。GPS 定位技术性能稳定，可在任何地点进行全天候工作，一般不受天气状况的影响，大大方便了测量作业。 自动化程度高， 操作简便。定位系统可具有自动记录数据、自动平差计算、跟踪观测等功能，操作简单，提高了工作效率。 采用GPS- RTK测量法与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。4.2 GPS定位技术应用于工程测量中的缺点及相关处理措施 GPS定位技术应用于工程测量也存在不足之处，主要缺点和注意事项如下： GPS测量系统中信号传播，受环境的影响，计算时引入一定的误差。因此，选待测点时一定要保证点位上空视角范围内应尽量避免有障碍物，向上角度15；远离大功率无线电发射源和远离高压输电线路；避开大面积的水域。 在市政工程测量中，GPS测量常出现接收不到信号，或者一直处于浮动状态，出现假固定或者不能固定。因此，GPS在市政工程测量时，为保证工程测量控制点精度满足要求，应进一步使用常规仪器进行水准联测。 不同型号GPS工程测量成果之间存在差异。因此，GPS网在进行平差计算时应注意：归算至大地水准面上；归算到高斯投影面上。 GPS定位技术尚没有统一规范。因此相关部门应进一步完善规范标准，统一的地理信息标准。5 GPS定位技术在工程施工测量中的误差分析及改进措施5.1空间卫星误差 卫星误差主要有卫星星历误差、卫星钟的误差、卫星轨道误差和卫星设备延迟误差。其中卫星轨道误差主要误差来源之一。改进措施有： 忽略轨道误差。此方法不考虑卫星轨道实际存在的误差，用于精度较低工程测量中。 模型改正法。利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。适用于对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。 引进改正参数法。此方法是在处理数据时引进轨道改进参数，采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来。一般情况都适用。 同步求差法。通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用于误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。 合理选择软硬件及测量地点和方法。5.2空间传播误差 空间传播误差主要有电离层传播延迟、对流层折射误差、多路径效应误差等。其中多路径效应误差的影响可达到厘米级，是不容忽视的。改进措施有： 避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。 选择良好的接收机，减少干扰，提高精度。5.3施工操作误差 在施工中，存在作业人员配合不默契及测量时操作程序不规范等人为因素，对工程测量产生一定误差。改进的措施主要有： 加强操作人员的技术培养。 规范相应的管理制度。5.4问题与思考 （1）仪器选型问题。接收机型号、生产厂家众多，精度和基本功能相似，但稳定性、抗干扰能力、接收和处理信号能力、困难条件下跟踪能力、初始化速度相差很大，尤其是RTK作业。用于工程施工测量尤其是桥隧控制测量的仪器，稳定和可靠性压倒一切，因此，应多渠道、全方位调查、了解，并尽可能通过实测检验。 （2）布网问题。控制网应采用边连式和网连式，长大隧道进、出口间控制点联接方式最好采用网连式，以增加检核条件，提高可靠性。 （3）观测时段选择。实施外业观测前应收集最新的卫星星历，选择卫星数大于5，且PDOP值小于8（B级网应小于6）的时段安排观测。 （4）基线解算时，不仅要看三个控制参数（比率、参考变量、方差RMS），还应分析残差图，通过对比所有相关基线的残差图，来决定卫星信号的删减（删减哪个点号、哪颗卫星、哪个时间段的信号）。 （5）起算点的选择。为了使GPS控制网能与设计线路较好地吻合，一般应选择35个观测条件好、桩位稳固的设计控制点作为平差的约束条件。对于长大桥、隧控制网，为了避免控制网相对于设计线路旋转太多，应尽量选择长边，或者在控制网的两端各选择一个点。 （6）约束条件的选择。确定约束条件之前，应充分了解设计控制点的精度及点位保护情况，以免因精度低给控制网带入粗差，破坏GPS网内的精度。6小结 通过以上论述我们可以看到，GPS定位技术在工程施工测量中有其独特的优越性和适应性，为工程测量质量提供了有利的保障，具有明显的经济和社会效益。随着相关技术软件的不断发展改进，GPS定位系统在工程测量中有着更加广阔的应用