GPS技术在工程测量中的应用.doc

GPS技术在工程测量中的应用1概述 20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的CPS技术所代替，同时定位范围己从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间；定位方法己从静态扩展到动态；定位服务领域己从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响，它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星遥感、地下工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度和高效益。2 GPS测量的基本原理与方法21 GPS测量的基本原理 测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。设想在地面待定位置上安置GPS接收机，同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差t。图3-1 GPS定位原理 如图3-1，设时刻ti在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离1、2、3、4，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标 ，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：式中的c为光速，t为接收机钟差。22 GPS定位方法分类利用GPS进行定位的方法有很多种。若按照参考点的位置不同，则定位方法可分为（1）绝对定位。即在协议地球坐标系中，利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置，也叫单点定位。这里可认为参考点与协议地球质心相重合。GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标。（2）相对定位。即在协议地球坐标系中，利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置。也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。由于星历误差和大气折射误差有相关性，所以通过观测值求差可消除这些误差，因此相对定位的精度远高于绝对定位的精度。按用户接收机在作业中的运动状态不同，则定位方法可分为（1）静态定位。即在定位过程中，将接收机安置在测站点上并固定不动。严格说来，这种静止状态只是相对的，通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化。（2）动态定位。即在定位过程中，接收机处于运动状态。GPS绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。若依照测距的原理不同，又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等。3 GPS技术应用的优点31 用途广泛 GPS技术可以应用于国民经济的各个领域，对于测绘工作者而言，GPS定位系统己应用：大地测量，地壳板块运动监测，建立各种工程监测网和进行各种工程测量等。GPS技术在工程测量中的应用有着广泛的前景，特别是自动变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方。32 自动化程度高 用GPS接收机进行测量时，仅需一人将天线准确地安置在测站上，量测天线高，接通电源，启动接收单元，仪器即自动开始工作，在结束测量时只需关闭电源，接收机便完成野外数据采集，若在一个测站上需要作长时间的连续测量，还可实行无人值守的数据采集，通过数据传输，将所采集的定位数据传输到数据处理中心，实现自动化的GPS测量和计算。33 定位精度高 短距离(15公里以内)精度可达毫米级，中、长距离(几十公里甚至几百公里)相对精度可达到10-7至10-8。差分导航的精度可达米级至厘米级。大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在1mm左右。34 全天候实时动态观测 应用GPS定位、导航，不受天气的影响，可以全天候地工作。这一特点保证了变形监测的连续性和自动化。35 可消除或削弱系统误差的影响 在变形监测中我们关注的是两期的变形量，而不是变形监测点本身的坐标，两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然只会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量。即在变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。4 GPS在工程测量中的应用特点41 建立工程控制网 工程控制网是工程建设、管理和维护的基础，其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地，工程控制网覆盖面积小，点位密度大、精度要求高。用常规的方法多采用边角网。 采用GPS定位的方法建立工程控制网，具有点位选择限制少，作业时间短，成果精度高，工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网，变形监测控制网，工矿施工控制网，工程勘探、施工控制网，隧道等地下工程控制网，等等。 应用GPS技术建立控制网，通常采用载波相位静态差分技术，以保证达到毫米级精度。应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势，道路勘测、施工控制网，具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案，多数需要分段实施，以避免误差积累过大，采用GPS技术，由于点与点之间不需要通视，可以敷设很长的GPS点构成的三角锁，以保持长距离线路坐标控制的一致性。 隧道、地铁等地下工程，一般采用对向施工，有时还需采用立井施工，以提高贯通速度。为了保证贯通精度，必须建立地面精密控制网。隧道纵向跨度大，其上方周围多为崇山峻岭，地铁上方，高楼大厦林立。用GPS技术建立隧道、地铁工程控制网解决了这类工程的一大难题。4.2 RTK的碎部测量与放样 RTK (Real Time Kinematic)技术，即载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成：基准站（坐标已知)和移动站（用户接收）。其本原理是：将基准站采集的载波相位发送给用户，用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可以应用于测绘地形图、地籍图，测绘房地产的界址点，平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS接收机放在待定的特征点上1-2 s,同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机，由专业成图软件、在人工适当的干预下，形成所要的成果图。采用RIK技术进行放样，标定界标点，是坐标的直接标定，不像常规放样那样，需要后视方向、用解析法标定，因而简捷易行。4.3 区域差分网下的碎部测量与放样 区域性GPS差分系统下的碎部测量，放样，是基于区域GPS差分网进行的。区域差与RTK单基点载波相位差分的原理相似，不同的是区域差分的基准站往往多于1个，多基准站组成基准网，基准网提供各个基准站的差分信息，用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权，按非等权平差后形成自己的差分改正数，实现差分定位。44 GPS变形监测 变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。常规的监测技术是应用水准测量的方法，监测地基的沉降；应用三角测量（或角度交会)的方法监测地基的位移和整体的倾斜，由于被监测物体通常都是几何尺寸巨人，监测环境复杂，监测技术要求较高，因此应用常规技术不仅观测时间长、劳动强度大，而且难以实现自动化监测。而GPS定位技术由于定位精度高，不需要通视、可全天候工作等特点。研究表明，利用GPS进行水平位移观测可获得小于士2mm精度的位移矢量，高程的测量也可获得不大于士10mm的精度。因此，GPS在变形监测中越来越受到广泛的应用，尤其是大型工程。此外，一种低费用，多天线的GPS变形监测系统正在研制，其宗旨是采用一个特制天线转制开关（GPS多天线转制开关）来实现多个GPS天线与一台接收机相连接，接收机按照预先设置的程序分时扫描每一台天线并实现GPS卫星的跟踪，通过数据处理软件（包括多天线识别与分离模块）来完成数据处理。无疑，这种监测系统将大大降低检测的成本。5 结论 GPS技术具有精度高、速度快、不受气候条件及通视条件的限制等优点，另外，GPS接收机具有自动观测的特点，这为实现大型工程建筑物变形监测的自动化奠定了基础。实践证明，GPS是一种值得选用的有效方法，三维坐标的测定变得简单，因此，该技术除应用于航天、航海等领域外，已广泛应用于工程测量的建立工程测量控制网、RTK下的碎部测量与放样、区域差分系统下碎部测量与放样以及变形监测建的各个领域，同时GPS技术也有一些缺点。GPS测量得到的是大地高，水准测量得到的是正常高，最精密的水准测量1km的误差大约是0.5mm。水准测量是传统的进行高精度沉降检测的方法，但费时，费力，效率低，野外工作两大，而GPS高程测量不仅可以节省经费，更重要的是高效率和实时性，用GPS测量测定的大地高来研究工程测量和变形监测沉降变化是大地测量的一个研究方向。但随着科学的发展，GPS技术应用前景将更加广阔。