GPS技术在工程测量中的研究与应用

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　　摘要：GPS是随着现代科学的发展而兴起的先进导航、定位技术。由于GPS测量有传统测量不可取代的优点，GPS测量在工程测量中的地位日益重要，相关的技术知识也发展很快。本文介绍了GPS技术，以及GPS技术中运用于工程的关键技术――RTK，并简要介绍了RTK在工程测量中的几种常见作用，对工程测量人员有一定帮助。
　　关键字：GPS RTK 工程测量
　　随着GPS定位技术的发展，其应用领域在不断拓宽。在工程测量方面，GPS定位技
　　术以其高度自动化及较高的定位精度，广泛应用在大地测量、工程测量、地籍测量、航
　　空摄影测量等领域。相对于传统工程测量技术而言，GPS定位技术有着很突出的优点。特别是文中所讲述的RTK技术。
　　一、 GPS概述
　　1. GPS原理与发展现状
　　1.1 GPS系统概述
　　GPS系统由空间部分、地而监控部分及用户端组成。GPS的空间部分由21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个相对于赤道的倾角为 的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地面的平均高度为20200km；运行周期为12恒星时。GPS卫星星座均匀覆盖着地球，可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少四颗GPS卫星。GPS系统的地而监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成。其分布情况是：主控站设在美国本土科罗拉多•斯平士(Colorado.Spings)的联合空间执行中心CSOC（即Consdidated Space Operation Center）；三个注入站分别设在大西洋的阿森松(Ascension)，印度洋的狄哥、伽西亚( DiegoGarcia) 和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)二个美国空军基地上；五个监测站，除一个单独设在夏威夷外，其余四个都分设在主控站和注入站上。
　　GPS系统的用户接收部分的基本设备就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的信号，以达到导航和定位的目的。GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。
　　
　　1.2 GPS定位原理
　　利用GPS进行定位的基本原理，就是把卫星视为“飞行”的控制点，在己知其瞬时坐标(可根据卫星轨道参数计算)的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。
　　利用GPS进行定位有多种力一式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为静态定位和动态定位。若按参考点的不同位置，又可分为单点定位和相对定位。
　　
　　2. RTK技术概述
　　2.1、RTK技术简介
　　实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS ( RTDGPS)技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破。在工程中有广阔的应用前景。众所周知，无论静态定位，还是准动态定位等定位模式。由于数据处理滞后，所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延民观测时间来保证测量数据的可靠性。这样一来就降低了GPS测量的工作效率。
　　实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据。随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况。根据
　　待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。
　　
　　2.2、RTK技术的优点
　　2.2.1、定位精度高，数据安全可靠。
　　2.2.2、综合测绘能力强，作业集成度高，易实现自动化，可胜任各种测绘内、外业。在作业时无需人工干预便可进行整周未知数的动态初始化解算，使辅助测量工作极大减少，作业精度也完全由它来控制、记录，从而使自动化作业指挥系统的建立成为可能。
　　2.2.3、操作简便，容易使用，对作业条件要求不高，数据输入、处理、存储能力强，与计算机、其他测量仪器通信方便。
　　2.2.4、作业人员少，定位速度快，综合效益高。GPS接收机仅需一个人操作，在待测点呆一、二秒即可获得该点坐标。其它辅助费用少，外业效率高;内业便于利用计算机处理、集成度高，节省人力。
　　鉴于目前使用GPS快速静态定位技术的人越来越多，所以下面我们专门介绍一下GPS快速静态定位技术
　　3. GPS快速静态定位技术概述
　　3.1、GPS快速静态定位技术的原理
　　 GPS测量能够准确定位的前提就是需要正确地确定整周未知数（模糊度或模糊值）。在静态GPS测量中，之所以要观测较长的时间，其主要目的就是为了能正确确定模糊度。也就是说GPS定位所需的时间就是正确确定模糊度所需的时间。因此，快速解算模糊度就成了提高GPS测量作业效率、加快定位速度的关键。
　　
　　3.2、GPS快速静态定位技术的几种算法举例
　　GPS快速定位技术算法有很多种，下面我们介绍几种比较常用的方法：
　　3.2.1、动态测量（Stop And Go）法。
　　由于保持连续跟踪的所有相位观测值中都含有相同的模糊度，如果首先确定模糊度并在随后的迁站过程中继续保持对卫星的跟踪，则当接收机到达新测站后就不需要再确定模糊度了。这样在新点上就可以以较短的观测时间（1~2min）确定基线向量。实施该法时，通常将一台接收机作为基准站安置在己知点上进行连续观测，用另一台或几台接收机作为流动站在各未知点间迁移，迁站过程中需要保持对卫星的连续跟踪观测。
　　3.2.2、两次设站法。
　　在短基线的静态定位中要观测较长时间，主要原因是在较长时间内卫星的几何图形有较大的变化，致使法方程式有较好的状态参数，因而能正确确定模糊度和基线向量。实施两次设站法只需在每个待定点上观测几分钟时间，经过1~2个小时后再依次在每个待定点上观测几分钟时间，在两次观测间隙期内无需保持对卫星的连续跟踪观测。两组观测值合起来，就可以成功的确定模糊度。
　　3.2.3、快速模糊值解算技术。
　　快速确定模糊值的解算方法是基于初次平差结果得出的基线向量、模糊度向量、相应的协因数阵、单位权中误差；根据统计检验原理，在某一置信水平下搜索挑选整数作为模糊度的候选值;把剩下的模糊度候选值，再用平差计算的方法比较其方差进行最后的模糊度确定。使用该解算方法，即使是单频接收机也只需几分钟的观测时间就可确定模糊度。
　　
　　二、 GPS技术在工程测量中的应用分析
　　1、 GPS技术在工程测量中的现状与发展前景
　　五十年代国民经济恢复时期，我国工程测量仍处于传统的工程测量阶段，是一门为土木工程建设和工业设备安装等施工服务的测量工作，有“施工灵魂”之美称。六十年代以来，特别是改革开放以来，随着我国经济建设和社会进步的飞速发展，以及科技进步的成就，为工程测量技术发展注入新的活力。在这个时期赋予工程测量一个广泛的含义，它是一门研究各类工程建设在勘测设计、施工建设以及运行管理全过程、全方位的测量工作的科学技术，同时也是研究资源勘察和区域规划中的测绘工作的科学技术，为各部门的勘测、规划、管理、决策提供测绘保障和服务。

　　八十年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使定位技术发生了革命性的变革，也为工程测量技术提供了崭新的技术手段和方法。特别是在公路测设方面，公路路线控制测量、公路纵横断面测量、桥隧控制测量等都逐步地开始应用GPS技术。数字化测设技术在工程测设中得到了有效的应用，80年代以来，我国科技人员开发了适合国情的数字测绘技术软件和路线CAD软件。这为工程测设技术数字化、标准化打下基础。摄影测量技术由于高质量的摄影机、高精度摄影测量仪器和GPS以及计算机技术的综合应用，加上软件的不断完善，其量测精度和效率显著提高，可以提供数字的、摄像的、线划的等各种形式的地图成果，又为工程测设提供了一种新的技术手段和方法。随着国产全数字摄影测量系统的应用和4D产品的提供将为工程设计的技术服务开辟新的领域。随着测量数据采集和数据处理的逐步自动化、数字化;数据库技术和GIS技术的完善;路线 CAD的集成化、智能化，工程测设技术将会为我国工程测量的快速发展提供全新的技术保障。
　　2、 GPS中RTK技术在工程测量中的应用
　　实时动态差分技术在算法上以GPS动态后处理技术为基础，辅以数台电台将参考站的观测数据传至各流动站。可以通过数秒钟的初始化实时获得1~2cm士2PPm的相对坐标精度，该精度己能满足大多数工程测量的要求。如国产中翰公司的ZHZ80双频RTK机采用的是OTF决速动态初始化技术，大部分初始化时<=1 min，最快仅8s；美国天宝(Trimble) 4600LS接收机，使用的RTK初始化平均时间15s，法国达索公司的SCORRPIO -6001SK/MK和6002SK/MK接收机在RTK模式下12km范围内5颗卫星时，自动OTF初始化以及LRK(远程动态)模式时的初始化均只需几秒钟时间。可见，目前快速测定接收机至各卫星的初始整周数的技术已经达到了相当高的水平。因此，RTK在工程测量领域得到了广泛应用。
　　2.1在城市基本控制中的应用
　　在城市高精度的控制网测量中，我们一般采用静态GPS观测的方法，布设成GPS控制网。SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统与所有的GPS一样可用于高精度静态测量，而且还可以与其它静态GPS联机观测，数据兼容，以获取高精度的首级控制点，这时具有和普通GPS一样的优越性。按《城市测量规范》1级导线以下精度的控制点点位中误差为 5cm，而RTK的精度为1 cm +2ppm。所以1级导线以下精度控制点完全可以采用动态PTK施测。
　　传统的静态方法为了利用相位观测值需要进行繁锁的计算和搜索过程，而SCORPIO 6502 SK/MK双频RTK系统能够获得精确P码，因而采用双频P码扩频技术搜索整周模糊精度解，这种做法减少搜索空间，同时运用双频RTK系统的实时动态软件系统能够快速精确地解算出流动站的坐标。大大地提高了速度和减轻工作强度。
　　
　　2.2在大比例控制词根控制测量中的应用
　　传统方法是用全站仪布导线。这种方法在测区较平坦、无太多建筑物和林区时也很快，可遇到测区有很多建筑物和林区等困难的情况下拉导线就比较麻烦，而用RTK GPS既快又精确。虽然经过密集林区或高层建筑物时会失锁，但OTF快速初速化使你走过它们就可测量，使我们实现了测量就象走路那么简单。应注意的是在建筑物和树木多的地方，流动站与参考站应保持在5km以内，否则流动站接收电台的信号会比较弱且容易失锁，而且高程的精度比较差，但这根本不影响我们作业，超出一定距离时，我们可以移动参考站，使其在精度范围内工作。
　　应用RTK GPS作图根控制可以缩短我们的作图工期，提高经济效益。
　　
　　2.3在地籍测量中的应用
　　RTK技术与传统地籍测绘方法相比，具有明显的优势。GPS观察不受天气、时间影响，不需通视。GPS测绘的各点之间不存在误差累积，避免了传统地籍测绘中由于边长过长等
　　原因带来的误差累积，提高了精度。利用RTK技术能够成功地在现场就发现不合格的测绘成果，提高了效率。传统地籍测绘的数据坐标转化，必须等到事后处理，而RTK技术具有
　　实时将一个坐标系统精确地转换到一个特殊坐标系统的能力。
　　在地籍测量中，进行RTK定位时，基准站把观测值及测站已知坐标通过数据链发送到移动站，移动站不仅采集GPS观测数据，而且通过数据链接收到基准站数据，并在移动站上形成差分观测值后，实时求出移动站厘米级精度坐标。移动站可处于静态，也可处于动态，可以在一个固定点上进行初始化后进人动态工作，也可以在动态条件下进行初始化。
　　在具体工程中，可以根据测区的实际情况，灵活地布点，得到高精度的图根地籍控制网，这样就能够保证界址点坐标的精度。界址点精度有了保证，地籍图的精度也就有了保证。同时，利用RTK技术还能够在交通或者地形条件不好等测量有困难的地方进行GPS联测。若测区为相互独立的A,B两测区，A测区已测,B测区未测。应用RTK技术，就可以在A测区内一点上建立基准点，不必在两测区中间设计连接点，通过A测区上的己测点直接传递到B测区。
　　
　　2.4在施工放样中的运用
　　应用RTK技术进行一般的工程施工放样又快又精确。只需把设计好的坐标传输(手输或计算机上设计好输人)到Hasky手持机内，手持机会显示当地与设计点的距离，东西偏量及南北偏量，同时根据对中杆上的指南针能很快放样到正确位置。
　　放样是RTK突破传统GPS定位技术的一项重要应用，但是因其不具各常规测量的检核条件。应用时必须进行检核，也因为这一特点，有关RTK的具体技术规程仍未出台。但GPS RTK技术精度高，各种放点的误差影响也是独立的，因此已经被很多测绘单位所应用，因此准确评价RTK的放样精度，指导在工程中的应用以及质量控制至关重要。
　　应用RTK GPS进行施工放样不但快而且精确,也大大减少测量人员的体力劳动(流动站采用背负式总重量不超过5kg)。
　　三、 结语
　　全球定位系统(GPS)试验阶段至今，已经发展几十年了，无论从其定位理论还是其
　　定位精度，都发展到一个比较系统、完善的阶段，具有其它传统勘测手段所不能比拟的
　　特性，其用户也逐渐从开始以军用为主过渡到民用为主。全球定位系统观测简便、定位
　　精度高等特性，决定其在工程勘测领域方面有着广泛的应用前景。我国引进GPS定位技
　　术时间比较短，掌握的定位技术还不是很成熟，尤其在工程勘测方面更是如此。随着美
　　国政府SA政策的取消，我们可以预料到GPS定位系统在工程测量中将会有更加广泛的应用，将会为工程测量工作带来再一次的腾飞。
　　
　　

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