探讨GPS 在工程测量中的应用

　　摘要:随着我国经济的不断发展，人民生活的不断提高，我国现代科技也在快速的发展，GPS 技术的应用越来越广泛，本文结合作者多年工作经验，针对GPS PTK的测量特点及测量技术，进行了简要的分析，以供参考;

　　关键词: 工程测量;GPS;应用;

　　0 前言

　　全球定位系统(Global Positioning System)是由美国国防部联合美国海、陆、空三军为满足其军事导航定位而建立的无线电导航定位系统。其系统从1973年开始研究，到1993年完成全部卫星组网工作。该系统由24颗卫星组成，卫星分布在相隔60°的6个轨道面上，卫星轨道的长半轴为26609km, 轨道倾角55°，卫星高度20230km，卫星运行周期718min，此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%,这样在地球上任何地点、任何时间都可以接收至少4颗卫星运行定位。对于我们所熟知的GPS，可以说它是测量史上的一次变革，它为我们提供了全天候、高精度、高效率的测量方法。但是GPS也有它自己的不足之处，比如说作业时间长、数据要进行内业处理等。对于工程测量来说，工程放样是必不可少的，一个较大的工程建设，含有大量的工程放样工作，放样质量的好坏直接影响到工程建设的质量，能否高质量、高效率地完成放样工作是我们亟待解决的问题，而工程放样中的最基本的放样就是点放样。

　　放样就是要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用的常规放样方法很多，如经纬仪交会放样、全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人配合操作。同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能实现，在生产应用上效率不是很高。如果采用RTK 技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，拿着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于RTK 是通过坐标来直接放样的，精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。RTK工程放样与“经纬仪加钢尺”或“全站仪”放样相比，可以说是工程放样的一次深远的测量革命，它具有作业简便、直观、高效等诸多优点。

　　1、GPS RTK测量技术及原理

　　GPS RTK即实时动态卫星全球定位技术的简称，它是通过一台基准站和若干台移动站组成的测量系统，基准站和移动站之间使用无线数据链进行连接。移动站以基准站的已知数据获得改正参数，基准站和移动站同时接收卫星信号得到测量数据，基准站同时又把测量修正参数通过无线数据链传送给移动站，使移动站测量数据得到改正而获得所需要的测量成果，这样移动站就可以实时、方便、快捷地进行各种测量工作。GPS RTK数据处理实际上是基准站和移动站之间的单基线处理过程。

　　RTK 工作原理是：利用2 台以上GPS 接收机同时接收卫星信号，其中一台接收机在已知高等级点上(基准站)安置，对所有可见卫星进行连续的观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给移动站，即未知点上的另一台GPS 接收机。移动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据载波相位差分技术的原理，实时解算出移动站的三维坐标及其精度，实现实施高精度定位。

　　2、公路工程中应用GPS RTK测量技术

　　2.1 控制点加密的测量

　　在首级控制网的基础上，为满足地形图及断面等测量的需要，必须进行加密控制点的测量。而公路工程多位于偏远地区，已知高等级控制点较少，常规的控制测量方法是测距仪导线，测量精度受到很多条件限制，且工作量大。而用GPS RTK加密测量控制点则很简单，只需在测区10km范围内有3 个以上且包含测区的高等级测量控制点即可，操作简单方便，平均每天可测量30~40个加密控制点，效率较高。

　　2.2 施工放样测量

　　利用RTK 随机软件中放样的功能进行点、直线、曲线放样功能，进行施工放样测量。输入设计好的已知坐标作为参考点和目标点，移动站实地所在位置的坐标作为修正点，电子手簿屏幕上的图形显示出实地待定点相对于目标点所偏移的距离，按照指示移动移动站，直到满足所要求的精度。

　　2.3 数字化地形图测量

　　利用RTK 快速定位和实时得到坐标结果的特点，在一定的测量环境中可以进行地形测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，采集完的地形点经过成图处理，生成数字化管道地形图。地形点的采集可以单人作业，极大地节约了人力和时间。

　　3、RTK的误差来源与受限因素分析

　　3.1 主要误差来源

　　GPS RTK的误差一般可分为三类：

　　(1)与GPS卫星和RTK仪器有关的误差：包括GPS卫星轨道误差、钟误差、RTK天线相位中心变化等。

　　(2)与信号传播有关的误差：包括大气延迟误差(即电离层误差)、对流层误差、多路径效应误差、信号干扰误差等。

　　(3)与操作人员有关的误差：包括基准站误差、转换参数引起的误差、基准站与移动站之间的距离、基准站与移动站操作人员(数据链)误差等。

　　3.2 受限因素分析

　　3.2.1 受卫星状况限制

　　当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处、密集森林区或城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK 测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间或加密控制点等来解决。

　　3.2.2 空间环境影响

　　白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5 颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在某市郊区，我们做过试验，在同样的条件和同样的地点上进行RTK 测量，上午11：00之前和下午3：30之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。另外为了削弱电磁波辐射干扰作用，选点时应远离干扰源，如离无线台发射塔200m外。

　　3.2.3 作业半径比标称距离小的问题

　　RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响测量精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离(一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同)时，测量结果误差超限，所以RTK 的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。

　　3.2.4 初始化能力和所需时间问题

　　在山区、一般林区、城镇密楼区等地作业时，GPS 卫星信号被阻挡机会较多。容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型。

　　3.2.5 高程异常问题

　　RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。局部地区(特别是矿区)受地球磁场的影响，还存在高程异常突变的问题。

　　4、RTK的局限性和精度保障

　　当然RTK 也有其局限性，会影响到执行上述测量任务的能力。了解其局限性可确保RTK测量成功。

　　最主要的局限性其实不在于RTK 本身，而是源于整个GPS 系统。如前所述，GPS 依靠的是接收两万多公里高空的卫星发射来的无线电信号。相对而言，这些信号频率高、信号弱，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不良影响。有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。因此, GPS不能在室内使用。同样原因, GPS也不能在隧道内或水下使用。有些物体如树木会部分阻挡、反射或折射信号。GPS信号的接收在树林茂密的地区会很差。树林中有时会有足够的信号来计算概略位置，但信号清晰度难以达到厘米水平的精确定位。因此，RTK在林区作业有一定的局限性。这并不是说，GPS RTK只适用于四周对空开阔的地区。RTK测量在部分障碍的地区也可以是有效而精确的。其奥秘是能观测到足够的卫星来精确可靠地实现定位。在任何时间、任何地区，都可能会有7 到10 颗GPS卫星可用于RTK测量。RTK系统的工作并不需要这么多颗卫星。如果天空中有5颗适当分布的卫星，就可作精确可靠的定位。有部分障碍的地点只要可以观测到至少5颗卫星，就有可能做RTK测量。

　　5、提高RTK测量成果质量的措施

　　(1)已知点检核比较法。在布设控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点，然后用RTK 测出这些控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。

　　(2)重测比较法。每次初始化成功后，先重测l～2个已测过的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。

　　(3)电台变频实时检测法。在测区内建立2 个以上基准站，每个基准站采用不同的频率发送改正数据，移动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到2 个以上解算结果，比较这些结果就可判断其质量高低。

　　6、结束语

　　目前，GPS RTK技术已经渗入到国民经济和社会生活的各个方面，并且正在发挥着越来越重要的作用。虽然RTK的系统是现代测量的最新成果，但它应有不足之处，了解了RTK 的局限性，使我们知道了对于一些测量RTK也是受到限制的。本文就RTK在公路工程测量应用方面的技术问题进行了阐述，希望对正在进行这项工作的一线技术人员有所帮助。

　　参考文献

　　[1]管国斌.对中小城镇GPS 控制网中几个问题的探讨[J].浙江测绘，2003.

　　[2]刘大杰.全球定位系统(GPS)的原理和数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

　　[3]北京市测绘设计研究院.CJJ73-97，全球定位系统城市测量技术规程.北京：中国建筑工业出版社，1997.