基于路桥工程测量中GPS的技术应用

摘　要：勘测是设计的基础，目前我国线路勘侧的水平并不高，集成化、系统化的程度很低，与世界先进水平相比还有一定的差距，不能适应公路建设对勘测设计的要求。而线路工程设计的瓶颈是数据采集。现在地面等原始数据的采集已开始采用GPS、航测、全站仪等多种现代化的高效的数据采集手段。本文结合数年来的数据处理经验，探讨了工程测量应用中各误差源的特性及改善数据处理精度的经验、方法。

关键词：GPS；路桥工作；工程测量
一、路桥工程测量中GPS测量模式
　　由于测量地段的实地要求与用户的个人需求的不同，所采用测量方式也是不同的。具体的讲，GPS测量模式可以分为两种：静态测量和动态测量，在静态测量模式中又按照监测方式可分为两种：常规静态测量模式和快速静态测量模式，在动态测量模式又按照监测方式也可分为两种：准动态测量模式和实时动态测量模式，其中的实时动态测量模式包括两种方式：DGPS和RTK。
　　1　GPS中的静态测量模式
　　(1)常规静态测量模式
　　所谓的常规静态测量模式中，所需要在一条或数条基线的两端分别安置有GPS接收机，以为（应能）同时观测4颗以上卫星，并且根据基线长度和测量等级，在每个时段观测45分钟以上。其相对定位精度一般可以达到5mm十1ppm。目前这种测量模式常用于建立地壳运动监测网，建立全球性或国家级大地控制网，进行岛屿与大陆联测，建立长距离检校基线，钻井定位及精密工程控制网建立等。
　　(2)快速静态测量模式
　　所谓的快速静态测量模式中，只需采用单台GPS接收机，安置已知测站作为基准站，对于所有可见卫星进行连续跟踪。移动站接收机依次到各待测测站，每测站观测数分钟。目前来说，这种测量模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。
　　需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测，流动点与基准点相距应不超过20km。
　　2　GPS中的动态测量模式
　　(1)准动态测量模式
　　所谓的准动态测量模式，安置GPS接收机的方式和快速静态测量模式中一样，也是为了连续跟踪所有可见卫星。但是与快速静态测量模式不同的是，观测时间每测站观测几个历元数据，它要求移动站在测站过程中不能失锁，并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化。这种方法常用于精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。
　　(2)实时动态测量模式
　　所谓的实时动态测量模式，顾名思义就是指实时得到高精度的测量结果。其具体操作如下：将GPS基准站接收机和数据链架设在已知测站上，连续跟踪所有可见卫星，并通过数据链发送数据向移动站。而移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据，并在机进行处理，从而实时得到移动站的高精度位置。
二、路桥工程测量中GPS的静态测量与处理
　　GPS控制测量一般采用静态方式进行，其数据处理一般分为两步：基线解算和网平差。下面结合这两方面以及高程拟合的相关问题，讨论其影响因素。
　　1　基线解算
　　GPS3：程测量或控制测量中，基线解算一般采用载波相位双差固定解，其质量的优劣直接影响到基线网平差的结果。工程测量中，GPS静态测量数据处理时，基线解算的质量检核一般是在载波相位整周模糊度固定的条件下，考虑观测量残差分布的同时，由同步环、异步环的闭合差、重复基线的较差来检核。为了进一步检核GPS观测网中基线之间的相容性，还需要进行同步环、异步环、重复基线的检核。通常是按照行业标准或国标，对其在WGS-84直角坐标系下的三维分量的闭合差设定范围，并以此来检核。这种检核的过程往往需要与上述的基线解算过程多次交叉进行。以得到自洽性较好的GPS基线网。
　　对于GPS工程测量中基线网自洽性检核，平面闭合差，高程闭合差分别采用不同的标准是比较符合实际的；这有利于控制GPS测量误差对平面控制测量的影响，避免GPSN的WGS-84坐标系空间分量检核合格，而平面闭合差超限引起的不合理现象，也有利于将传统的平面控制测量或导线测量与GPS测量更好的衔接起来。同时，也有利于GPS高程拟合中高程闭合差的控制，从而提高高程拟合的精度。
　　2　GPS网平差
　　GPS网平差分为WGS-84坐标系下三维(无约束和约束)平差和工程测量坐标系下的平面约束平差。平差过程表明，GPS独立基线向量中粗差的剔除、基线转换投影到工程测量坐标系的二维向量这两步对于最后的二维平面平差的结果至为重要。 
　　3　高程拟合
　　静态GPS网的高程拟合一直以来是很多工程测量部门比较关心的问题，讨论的比较多的常常是数学拟合或引入局部水准面的改正方法，如数值拟合法、整体平差法、综合处理法、移动曲面法、线性拟合法、平面拟合法、斜面拟合法、引入EGM96重力场模型的高程拟合等。
　　高程拟合的过程一般为：在WGS-84坐标系下进行了最小约束或约束平差后，利用得到的WGS-84大地高、某些公共点上的正常高及其平面位置，进行数学拟合并内插出未知点上的正常高，必要时还需要进行相应的地形改正，以提高数学拟合的精度，削弱大地水准面不均匀性对拟合的影响。 
三、路桥工程测量中GPS的动态测量与处理
　　RTK(Real Time Kinematic)是GPS实时动态测量方式的简称，也是工程测量中GPS测量技术发展的一个新突破，在这种的监测模式中，其观测值与测站坐标信息通过基准站数据链将一起被传送给流动站；流动站不仅可以通过数据链接收来自基准站的数据，还同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，经过坐标转换后直接输出观测点的坐标。在使用RTK测量模式中精度损失有：
　　1　转换参数引起的精度损失
　　在进行RTK测量时，首先需要输入控制点的WGS-84坐标和地方坐标系坐标，以此来求解转换参数，依据此得到转换后的地方坐标系下的坐标。这其间待测点坐标的精度存在着坐标转换的损失，经验表明，这种损失一般在1cm左右，但与控制点的精度和分布有关。因此需要合理的选择WGS-84坐标的获取方式，而且，对于某一小测区范围而言，输入的控制点点位所组成的图形尽量能够涵盖该测区，对于较大范围的测区，建议进行转换参数的分区求解，而且区与区之间应当有适当的重合点。
　　2　基准站与流动站之间的距离
　　在RTK测量模式中，对其精度影响较大是基准站与流动站之间的距离、轨道误差和大 气延迟误差。当基准站与流动站之间的距离较短时，其影响能够模拟，其残差能够通过观测值的差分处理得到削弱甚至基本消除，当基准站与流动站之间的距离较长时，它们的影响越大，得到固定解的时间一般也较长，对观测结果的影响也会越大。而且，伴随着基准站与流动站间距离的增大，GPS误差的空间相关性会逐渐失去线性，所以在二者较长距离下，即使流动站数据经过差分处理后仍然含有较大的观测误差，从而容易导致定位精度的降低与无法解算载波相位的整周模糊度。
　　3　测站环境及天气状况
　　RTK测量结果的精度影响影响因素：基准站、流动站上的环境及天气状况。当基准站周围的干扰较多时，会减小电台的控制范围，影响作业效率。当其周环境较差时，降低会接收信号的质量，增大测量噪声，最终使得RTK定位的结果收到很大影响。而且，基准站与流动站、各流动站之间的气象条件差异较大时，RTK测量结果会受到明显的影响，最为明显的就是高程测量的结果。
　　4　操作人员的误差
　　在RTK测量模式中，与其它的测量模式一样，一样也要求整平仪器、对中及量取仪器的高度等等。但是RTK测量成果的精度还会受到操作人员使用方法及实际经验的不同的影响。在使用RTK测量模式进行城市一级导线的测量时，必须采用三脚基座对流动站进行对中整平，以尽量减小其对观测值的影响。
　　5　基准站的误差
　　在RTK测量模式中，是利用基准站的坐标和基线向量，得到的流动站的坐标，因此，传人到流动站的结果中会存在有基准站的误差会，致使流动站的坐标受到影响。另一方面，在流动站的结果中还存在有基准站的对中、整平等人员操作误差，且流动站坐标的解算也会受到基准站周围环境对GPS观测量质量的影响。因此，要尽尽量减少在RTK测量模式中的基准站误差的影响。
　　从测量技术来看，RTK技术替代一级导线测量的可行性问题，RTK高程测量的精度问题将成为未来所发展的方向。所以，本文主要根据上文中所提到的精度损失以及作者在工作中的经验认为，在RTK测量转换参数的合理情况下，采用双基准站双采样(或多采样)的方法，可以有效的消除基准站误差的影响，削弱对流层延迟的随机性误差对于RTK高程的影响，从而提高RTK平面测量和高程测量的精度。
四、观测数据的评价标准：
　　在工程勘测施工GPS静态相对定位中，观测数据的评价一般分为四级：良好、合格、存疑和不合格。
　　4.1 良好
　　良好具有如下要求：①测量基准点环境好，无施工震动，焊接作业及其他电磁波等干扰；②观测过程中大气状况稳定能观测到所有的预报卫星；③接收机运行正常，没有或偶尔发生短暂的失锁或故障报警，但很快得以排除；④测点上全部操作过程都符合规定，资料齐全；⑤实时绝对定位解收敛平稳。
　　4.2 合格
　　合格具有如下要求：①测点上有施工震动及其他电磁波等干扰；②观测过程中大气状况有明显的波动，如有暴风雨过境和气象突变等；③接收机运行不大正常，多次出现报警或卫星失锁，且由于未能及时排除或多次积累致使约有10%的观测数据无效；④测站上的操作过程基本符合要求；⑤实时单点定位解的收敛过程有波动。
　　4.3 存疑：
　　合格具有如下要求：①测站上信号干扰因素比较严重；②观测过程中报警或信号失锁频繁，有约20%的观测数据无效；③单点定位解收敛波动较大。
　　4.4 不合格：
　　合格具有如下要求：①由于多种因素，如气象、仪器、高层建筑施工等影响，致使无效数据多于30%；②观测卫星数少于4颗；③单点定时定位解收敛很困难。
　　结语：GPS在工程测量领域，定位技术自身独特而强大的功能，能进一步提高测量作业效率，降低劳动强度，节省测量费用。另一方面，GPS技术的强大功能与潜力尚未充分挖掘，如与GIS集成，实时控制，综合自动化作业是以后的发展方向，随着科技的不断进步，理论和实践的结合，精度更高，速度更快，适应环境更广，抗干扰能力更强的系统将会逐步推出，GPS在工程测量中的应用会更加广泛。
参考文献：
[1]居向明，GPS在工程控制测量中应注意的几个问题，测绘学院学报，2003
[2]赵俊生、徐卫民，GPS在城市控制测量应用中的研究，测绘通报，2007
[3]闰志刚等，GPS作业模式原理及实用技术.四川测绘，2005