Gps在平面控制测量中的应用

GPS在公路控制测量中的应用

刘晓峰孙立双郑洪涛

(大连市交通规划勘察设计院)

摘要本文结合工程实践，介绍GPS（卫星全球定位系统）在公路控制测量中的应用，对控制网布设过程中存在的一些问题进行了探讨。

关键词控制测量，GPS，静态，动态

《公路勘测规范》定义公路控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量的目的是测绘路线带状地形图，以及现场控制路线走向，其测量方法可分为GPS(卫星全球定位系统)测量、三角测量、三边测量、导线测量等方法；高程控制测量采用水准测量，其目的是在公路沿线布设高程精度比较高的水准点，可采用水准测量、光电测距三角测量等方法。下面结合工程实践，对应用GPS（卫星全球定位系统）进行平面控制测量和高程控制测量加以论述和分析。

1平面控制测量

GPS测量分为静态定位和动态定位两种测量方法，静态测量的原理是采用载波相位测量差分法：在接收机间求一次差；在接收机和卫星间求二次差；在接收机、卫星和观测历元间求三次差，解算出待测基线长度的精确解；动态测量与静态测量原理相同，但可以达到实时定位，其定位精度可达厘米级。《公路全球定位系统（GPS）测量规范》对应用GPS定位技术布设平面控制网及其观测技术指标都有详细规定，工程测量依据此规范执行。

我院98年引进ASHTECH公司的Z-12型号GPS测量设备，该套设备包括三台接收机（一台参考站、两台流动站）、两部手簿（手持计算机）以及相关的基线解算、网平差、坐标转换等软件。引进该设备后，我院投入技术力量进行了消化和吸收，在平面控制网的布设和路线中桩放样、数据采集等方面加以推广和使用。我院现承接一个公路工程项目，该项目路线设计长度30km，路线平面控制网采用整体到局部分等级进行布设。路线所在测区属平原微丘区，沿线经过市区，通视条件不理想，因此考虑应用GPS定位技术布设平面控制网。过去首级控制网和加密控制测量均采用GPS静态测量技术，观测方法无论是边连式还是点连式，观测时段较多，影响外业勘测效率。结合该工程具体情况以及GPS静态定位和动态定位技术，我们尝试对公路平面控制网和高程控制网采用GPS静态测量和动态测量相结合的办法。

1.1静态测量

1.1.1根据《公路全球定位系统（GPS）测量规范》规定、测区内国家三角点的分布情况以

及沿线地形、地貌等特征，全线共布设9个GPS首级控制点，其相邻距离为5~10km。其中100、700、200、800、900、600号点是具有四等水准测量高程的联测水准点，300、400、500号点是联测的国家三角点（300、400号点是国家二级三角点，500号点是军控点），首级平面控制网布置图如下：

图一

1.1.2外业观测前，通过下载卫星星历文件，编制GPS卫星可见性预报表，选取最佳观测时间。实地观测时，每个测量时段观测时间为90分钟，有效卫星观测总数均在6颗以上。首级平面控制网共观测9个时段，两天观测完毕。

1.1.3内业数据处理采用Ashtech公司提供的基线解算和网平差软件，对观测基线和同步闭合环进行解算和检验，基线解算均为差分固定解，同步闭合环检验结果如下：

表中基线解算精度以及同步闭合环精度计算公式参照《公路全球定位系统（GPS）测量规范》规定：

()

()()()(

)

）

（同步环坐标分量闭合差—同步环中的边数

—）相邻点间的距离（—）取比例误差（—）取固定误差（—）

基线标准差（—mm W n km d b mm b a mm a mm n W W W W n W n W n W bd a σz y X z

y X 155/35/5/5/2

2

2

2

2==?≤

++=?≤?≤?≤+=

σσ

σ

σσ

分析计算结果，发现3、4、6观测时段同步环闭合差均超限，在勘测时间紧的情况下，选择了对解算的基线进行筛选和比较，从而提高异步环的闭合精度。重新解算的异步环闭合差检验结果如下：

表中异步环闭合精度参照如下公式： ）

（异步环坐标分量闭合差—异步环中的边数

—）

基线标准差（—mm V n mm n W W W V n V n V n V z y X z y X σσ

σ

σσ?≤++=?≤?≤?≤333332

2

2

计算表明，筛选后的基线组成的异步环闭合精度较高，完全满足公路测量规范要求，确定GPS 静态观测数据有效。

1.2 动态测量

1.2.1 GPS 静态控制网平差过程中，采用北京五四大地坐标进行自由平差，平差后得到首级控制点的五四大地坐标，经过高斯投影转换得到平面直角坐标；然后再采用WGS84大地

坐标进行控制网平差，得到控制点的WGS84大地坐标。通过控制点的WGS84大地坐标与北京五四高斯投影平面直角坐标，计算坐标转换参数，输入手簿，准备工作完成，即可进行外业动态测量。

1.2.2实际外业测量过程中，预先下载星历文件，预测外业工作时间的卫星总数和几何图形强度因子等卫星基本技术指标。进入测区后，选取水准高程较高的首级控制点作为参考站，连接发射电台、接收机、天线、功放、电瓶等测量设备，确认无误后，打开接收机，利用手簿设置参考站WGS84大地坐标和天线高度，随后进行控制点加密测量；选好加密控制点，，连接测量设备，打开手簿，设置流动站，通过参考站与流动站电台之间的数据传输，得到参考站的WGS84大地坐标，输入参考站及流动站的天线高度，通过控制点的WGS84大地坐标和高斯平面坐标计算坐标转换参数，随后开始进行动态测量，每一个加密控制点的测量，都需重新初始化手簿，采集数据六次，在卫星状况良好的情况下，采集一次数据，十几秒钟即可达到显示精度1cm以下，存储数据，准备进行下一次数据采集。全线共布设加密控制点54个，两天全部测量完毕。外业测量过程中，对沿线已有的城市规划一级导线点进行了动态定位测量，经过内业计算，动态点位结果与城市规划一级导线点比较结果如下：

比较表中数据可以得出，动态定位结果满足工程测量要求，说明GPS动态定位测量应用到平面控制测量中是可行的。

2高程控制测量

2.1静态测量

2.1.1GPS静态测量控制网平差后得到的高程数据是大地高程，与正常高程之间存在高程异常，因此首级控制网需进行水准联测，拟合测区的似大地水准面形状，计算测区中其余未进行水准联测的GPS控制点的高程异常值，进而求得待测点的正常高程。其计算方法有解析内插、参数回归、滤波推法等方法，实际测量中，我们采用六参数拟合法确定正常高程，计算公式如下：

高程异常

—大地经度

—大地纬度—i n i i n

i i i i i i i

i i i i i i L B n

L L n

B B L L L B B B L B a L a B a L a B a a ξξ∑=∑=-=?-=???+?+?+?+?+===1

152423210//

计算出待测点的高程异常值，通过公式

j j r H H ξ-=

即可计算得到待测点的正常高程值。

2.1.2 首级控制网中包含六个水准联测点，对其余待测水准点与200、800号点进行GPS 静态联测，控制网平差后得到待测点的大地坐标及大地高程，根据以上计算公式，计算出待测点的水准高程，与待测点的已知水准高程进行比较，结果见下表：

从表中数据可以看出，GPS 静态测量拟合得到的待测点正常高程精度较高，与已知待测点的高程值拟合效果较好，其精度可达到厘米级，这与测区属平原微丘区、高程异常值变化小以及水准高程控制点分布合理有直接关系。因此根据以上计算结果，对于该工程可以认为GPS 静态测量能够代替水准测量。

2.2 动态测量

平面控制网加密过程中，计算坐标转换参数既包含平面控制，同时也含有水准高程控制。动态数据采集可以实时得到待测点的三维坐标，其测量高程与已知水准高程比较如下：

测量数据表明，GPS动态定位测量水准高程，拟合效果不理想，且与已知水准高程偏差值无一定规律，一般在5cm以内，可满足中桩放样、地形数据采集的定位精度。

3讨论

采用GPS静态定位技术布设首级平面控制网，在公路工程中已被广泛应用，实践证明，此种控制网布设方式，极大地提高了勘测精度和勘测效率。应用GPS静态定位技术，对平面控制网进行加密，虽然提高了测量精度，但同时增加了观测时间，因此工程测量中多选择全站仪加密平面控制网。通过对以上测量数据的分析，结合该项工程，表明采用GPS动态定位技术加密平面控制网是可行的，但是在具体应用过程中，也存在着一些问题：第一，应用GPS 动态定位技术进行平面控制网加密的方法尚处在摸索过程中，《公路勘测规范》对GPS动态测量技术的应用没有相应规定，因此，实际应用中应结合工程具体情况进行比较和选择；

第二，应用GPS动态定位技术测量过程中，发现待测点的平面坐标精度优于高程精度；在不同观测时段，待测点的水准高程测量结果之间存在差异，其差值一般在5cm以内；变换参考站，对同一点进行观测，得到的平面坐标存在差异，因二者差值较小，在相邻较远的两个加密控制点之间可以认为是容许的。以上具体应用问题，经分析属于理论模型的误差，实际测量中这种差异是无法消除的；

第三，应用GPS静态定位技术加密水准点，测区内的水准高程控制点分布应合理，应能够反映测区的高程异常水平，并且需要对至少六个已知水准点进行控制网坐标联测。因此，应用GPS静态定位技术拟合水准高程，可以作为检验其它待测水准点高程的办法，并且测量结果不存在误差累积问题，这是常规水准测量不能比拟的，在公路工程中具有广泛的应用前景。应用GPS动态定位技术拟合水准点高程，随机误差较大，一般认为，采用GPS动态测量代替常规水准测量是不容许的，只能应用在中桩放样、数据采集等对水准高程精度要求不是很高的情况。

参考文献

[1] 国家测绘局，《全球定位系统（GPS）测量规范》，测绘出版社，1992年。

[2] 交通部，《公路勘测规范》，人民交通出版社，1999年。

[3] 交通部，《公路全球定位系统（GPS）测量规范》，人民交通出版社，1998年。