GPS测量在第26届大运会（体育中心）施工控制网中的应用

姜信东

（江西省煤田地质局223地质队，江西鹰潭335000）

GPS测量在第26届大运会（体育中心）施工控制网中的应用

姜信东*

（江西省煤田地质局223地质队，江西鹰潭335000）

简述了全球定位系统（GPS）的基本结构和测量原理，GPS控制网选点灵活，布网方便，不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显得其优越性，无误差传递和误差积累，定位精度高。在计算机上进行基线结算及平差计算，避免了人为误差。总结了GPS用于工程测量所具有的特点，介绍了GPS在工程测量中的应用实例。

GPS；GPS定位原理；应用实例；选点；观测；平差计算；中误差

GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的功能，能提供精密的三维坐标、速度和时间参数。GPS技术已广泛应用于大地测量、工程测量、航空测量、海洋测量、城市测量等领域，并在军事、通讯、交通、管理及天文的众多领域得到了极其广泛的运用。本文介绍了GPS在工程测量中的应用，并提出几点体会。

1　GPS简介

1.1GPS系统的组成

GPS系统主要由GPS卫星、地面监控系统及用户设备部分—GPS接收机组成。

（1）GPS卫星：GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，平均高度为20200km，运行周期11h58min，位于地平线以上的卫星则随着时间和地点的不同而不同，最少可看见4颗，最多可看间11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。

（2）地面监控系统：GPS卫星的地面监控系统由1个主控站、3个注入站、5个监测站以及通讯与辅助系统组成。主控站的任务是收集处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历钟差状态数据以及大气传播改正编制成导航电文送到注入站。再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器，并监测注入信息的正确性。

（3）用户部分：用户部分是由用户及GPS接收机等仪器组成。其任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

1.2GPS的定位原理

GPS定位原理是根据测量学中测距交会法来实现的（图1）。在测站点P设置GPS接收机，在t1时刻GPS接收机同时测得P点至3颗GPS卫星s1、s2、s3的距离ρ1、ρ2、ρ3，通过GPS电文解译出该时刻3颗GPS卫星的三维坐标分别为（Xj,Yj,Zj）,j=1,2,3。用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X,Y,Z）的观测方程为：

1.3GPS测量的特点

相对于常规测量来讲，GPS测量具有以下特点：

（1）定位精度高GPS的工程应用表明，其相对定位精度在50km以内可达10-6，在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解，其平均平面误差小于1mm。

（2）观测站之间无需通视。

图1　GPS定位原理图

（3）观测时间短。

（4）提供三维坐标，GPS测量在精确测定测站平面位置时，还可以精确测定测站的大地高程，其精度可满足四等水准测量的要求。

（5）操作简便、全天候作业、功能多、应用广。

2　应用实例

2.1工程概况

第26届世界大学生运动会体育中心位于深圳市龙岗中心区，场地的北、东、南三面为市政道路，分别为如意路、黄阁路和龙翔大道，西面为正在建设的龙兴路。场地占地面积约1km2，其中运动场馆占地约0.6km2。为确保主体工程的控制精度和工程进度，大运中心施工控制网决定采用GPS测量。

2.2GPS测量的技术设计

（1）设计依据。

《城市测量规范》（CJJ8-99）；

《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）；

《工程测量规范》（GB50026-2007）；

本工程招标文件。

（2）设计精度。根据工程需要选择D级GPS网作为测区首级控制网，要求平均边长小于2km,约束平差后最弱边相对中误差不大于1/40000，GPS接收机标称精度：±（5+1×10-6×D）mm，固定误差a≤5，比例误差b≤（1×10-6×D）。

（3）设计基准和网形。本控制网共布设由9个待求的GPS D级点，编号分别为IVDY1、IVDY2…IVDY9，编号含义为：IV表示为四等精度（相当与GPS的D级精度），DY为大运的拼音缩写，1～9为顺序号，3个国家四等GPS点GPS L050、GPS L096、GPS L028（又名求水岭东）作为本控制网的起算点，高程控制点6个（IVDY2、IVDY3、IVDY4、IVDY5、IVDY7、IVDY8，其高程由二等水准测得），高程控制采用水准点Ⅲ公荷8作为高程控制起算点。采用4台GPS接收机观测，网形布设成多边形（图2）。

图2　控制点布点图

2.3GPS测量的外业实施

（1）选点。所选GPS点位能保证卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，测站上空开阔，点周围高度角15°以上无障碍物遮挡，避免大功率无线电发射设施、高压输电线等强电磁波的干扰，点位至少与相邻2个方向通视，并能比较方便下一级控制点的施测。

（2）基岩标和墩标的埋石。本控制网埋设3个墩标和4个基岩标，墩标和基岩标的规格按《城市测量规范》要求执行。

选点埋石工作于2008年5月10日完成，埋石完成后标石稳定3周时间，之后再进行GPS观测和平差计算。

（3）观测。采用4台华测X90和X20双、单频GPS接收机，进行GPS静态相对定位方法进行观测，观测前编制了GPS卫星可见性预报表和详细的观测计划表，按计划表确定的观测时段进行观测。

控制网的观测技术指标：

①作业技术指标：采用静态相对定位方法施测，同步作业图形之间采用点、边连接的方式；

②同时观测有效卫星数不小于4颗；

③观测时段长度不小于45min；

④平均重复设站次数不小于1.6（观测时段数）；

⑤数据采样间隔15s；

⑥天线高在观测前、后各量测1次，每次在3个互成120°的方向上量测3个读数，读数至1mm，互差不大于3mm，GPS观测按规定都填写了测站手簿。

2.4控制网平差计算

GPS静态定位测量采用WGS-84参考椭球，使用华测专用GPS处理软件《Compass标准版》对采集的数据进行处理和平差计算，平差后将成果直接归算至深圳独立坐标系（成果见表1）。

表1　GPS坐标及高程成果表

边长精度和点位精度的分析和统计：最弱边边长相对中误差为（IVDY5～IVDY6）：1/75928，小于规范规定的1/40000，该边边长为295.839。

根据规范，GPS D级网相邻点间基线长度精度按下式表示：

式中：σ——中误差；

A——固定误差，A≤5mm；

B——比例误差，B≤1mm；

d——相邻点间平均边长。

按上式计算本控制网最弱边中误差不大于：

σ≤±5.01(mm)

实际平差后统计的该边长中误差为：

σ=±3.9(mm)

本控制网最弱点（IVDY6）点位中误差为：

σ=±5.2(mm)

其各项精度符合技术设计要求。

3　结论与分析

（1）根据GPS网三维无约束平差和二维约束平差的结果可见，本次GPS测量成果的精度达到了原设计要求，成果质量是可靠的。

（2）GPS控制网选点灵活，布网方便，不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显得其优越性。但由于本测区条件限制，有较短边（边长295.839）出现，基线相对精度较低，因此当测区有短边出现时，要谨慎观测，可优先选用单频GPS接收机，有效地消除电离层影响。

（3）GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受到地形条件限制，造成树木遮挡、测站上空高度角达不到要求，影响卫星信号的接收，因此应严格按规范要求选点，选择最佳时段观测，并注意手机、步话机等无线信号对GPS接收机的影响。

（4）GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，但其基线向量的解算是一个复杂的平差过程。实际处理时要顾及观测时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新评估等问题。因此GPS定位基线处理后应对其结果作观测值残差、基线长度的精度、双差固定解与双差实数解的分析。

[1]刘大杰，施一民，过静君.全球定位系统（GPS）的原理与数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2]张希黔，黄声享，姚刚.GPS在建筑施工中的应用[M].中国建筑工业出版社，2003.

[3]GB/T18314-2001全球定位系统（GPS）测量规范[S].中国标准出版社，2001.

[4]GB 50026-2007工程测量规范[S].中国计划出版社，2008.

[5]CJJ8-99城市测量规范[S].中国建筑工业出版社，1995.

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1004-5716(2015)07-0103-03

2014-07-10

2014-07-14

姜信东（1966-），男（汉族），江西鹰潭人，助理工程师，现从事工程测量技术工作。