实时GPS测量在公路工程中的应用

第一篇：实时GPS测量在公路工程中的应用

在GPS测量中，影响观测精度的主要误差可分为以下三类：

一、与GPS卫星有关的误差

与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差卫星钟差

由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。

在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。

2卫星轨道偏差

估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。

应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。

在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下直种方法:

1)忽略轨道误差

这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。

2)采用轨道改进法处理观测数据

这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。

3)同步观测值求差

这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。

这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。

二 与卫星信号传播有关的误差

与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应电离层折射的影响

GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。

为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施

(1)利用双频观测

由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。在尤其是精密定位测量。

(2)利用电离层模型加以修正

对于单频GPS接收机，为了减弱电记屋的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75％。

(3)利用同步观测值求差

这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20km)，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。

2对流层折射的影响

对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线(<50km)，湿分量的影响较小。

关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：

(1)定位精度要求不高时，可不考虑其影响。

(2)采用对流层模型进行改正；

(3)采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远(<20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。

3多路径效应影响

多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点)位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。

目前减弱多路径效应影响的措施有：

(1)安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。

（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。

（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。

(4)改善GPS接收机的电路设计，了减弱多路径效应的影响。

三、接收设备有关的误差

与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。观测误差

观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。

根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。

接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。接收机的钟差

尽管GPS接收机高有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。

处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。载波相位观测的整周未知数

载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。

此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。4 天线的相位中心位置偏差

在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。

在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。需要提及的是，安置各观测站的天线时，均奕按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。

第二篇：GPS在公路工程控制测量中的应用

GPS在公路工程控制测量中的应用 摘要：GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以开封市的省公路路网项目为例，概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用。

关键词：GPS定位系统 公路工程 控制测量 应用

一、概述

GPS全球定位系统（Global Positioning System)在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。

1.1GPS系统的组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。

1.1.1 空间卫星群 GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60o，轨道和地球赤道的倾角为55o，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。

1.1.2 GPS的地面控制系统 GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。

1.1.3 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPS测地型接收机其技术指标为：

双频主机、天线，RTK电台一体化；

独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；

5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星“超跟踪”技术；

新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA数据存储卡;

测量精度：静态测量5mm+lppm

RTK测量 10mm十1ppm（平面）

20mm十1ppm(高程）

这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。

1.2GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：

SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]

SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]

SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]

式中(XA，YA，ZA),(XB，YB，ZB),(XC，YC，ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

二 GPS测量的技术特点

相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：

2.1 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

2.2 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。

2.3 观测时间短。观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

2.4 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

2.5 操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

2.6 全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

三、GPS系统在实际测量工作中的应用，公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。开封市的省路网改造项目应用GPS测量是于2001年开始的，2002年在省道豫04线和尉氏--通许段48公里的中线测量和国道310线郑汴高速连接线11.8公里的控制测量中推广使用了静态功能这一技术。据开封市公路工程勘察设计院有关专家介绍，经过多次的复测验证，GPS技术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。

3.1 国道310线郑汴高速连接线控制测量

3.1.1建立布网方案

国道310线郑汴高速连接线北连郑汴高速，向南穿越正在开发的开封经济技术园区，地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，该测区内原有BJ54坐标系的E级控制点二个(已知起算点)，其中a1（X=3852759.5680，Y=528870.9190，H=72.0080）位于医药商厦门前，b1（X=3852808.6230，Y=527915.2590，H=72.0000）位于大学西边的路口处，根据工程需要在市委、水利局、书店、雕塑、检察院附近加密控制点，以便于测设，我们建立控制网。

3.1.2 大地测量法

主要采用大地测量仪器如经

纬仪、全站仪、测距仪等。国道

310线郑汴高速连接线控制网采用

测边网，高程采用测距三角高程，按照观测技术要求进行施测。外

业观测数据经数据处理并进行平差计算。

3.1.3 GPS静态测量法GPS静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台天宝4800GPS接收机安置在待定点(a2,c1,c2,c3)上同时接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。观测数据经平差计算得到54北京坐标系的坐标。

3.1.4大地测量法与GPS测量法结果比较

由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于±10mm，因此可以满足国道310线郑汴高速连接线加密施工控制网的精度要求。

3.2 GPS的动态测量（RTK）在东京大道新建工程的应用

东京大道新建工程周围地势起伏较大，在北城墙外JD4～JD5区间穿越五十公顷面积的国家森林公园，大范围的密林、密灌地使通视较为困难，而规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度和结点导线结点间距等指标都有严格规定，这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。开封市公路局勘察设计院于2000年用10人花费20天时间，用全站仪和测距仪通

过导线形式完成了该路段进行了控制测量。2001年在工程开工前对 该路段实施GPS的RTK动态测量，对中线进行恢复和校核。

以已知控制点 JD4、JD5为基准点，然后在基准点JD4上架设GPS基准台，用GPS1H和GPS2两台天宝（Trimble）4800GPS接收机分别安置在控制点上，测出点HZ4、ZD7、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三维坐标，每点测量时间为5s。根据所测坐标计算出相应边长值。

为验证市勘察设计院2000年的对东京大道新建工程在控制测量的精度，我们分别以JD4和JD5为基准站对国家森林公园周围原加密的控制点A、B、C、D、E也进行了RTK测量，进行了坐标比较。

运用GPS测量的基线有14条，边长差值最大为16mm。控制点坐标测量点数7点，除E点发现有人为的破坏痕迹外，三维坐标能够比较的元素有27个，差值小于施工测量规范规定的要求，从以上比较可知，RTK测量可以用于工程的控制测量是非常有效的新技术。原来10人20天的外业任务，使用GPS测量仅用5人6小时时间，可见利用GPS测量能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。

四、小结

通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：

第一 GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。

第二 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

第三 GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。

第四 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

第五 GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这

些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。

第三篇：GPS在公路工程勘测中的应用

GPS在公路工程勘测中的应用

武二杰孙现锋

（1：郑州市公路勘察设计院 河南 郑州 2：郑州市公路勘察设计院 河南 郑州）摘 要 本文主要结合G310线控制测量工作，介绍GPS接收机在进行公路工程静态控制测量中的内外业工作过程方法及注意事项。

主题词 GPS控制网 公路应用

1． GPS概况及研究的目的和意义

1．1 概况

GPS（Global Positioning System）又叫全球卫星定位系统,是目前最先进的卫星导航定位系统，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能型（陆地、海洋、航空和航天）全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。因其相对定位精度较高,而越来越被广泛应用于大地控制测量领域,使常规大地测量发生了深刻性变化,GPS的基本作业模式主要有静态定位、准动态定位、动态定位及导航作业四种。

1．1．1 GPS定位原理

GPS定位属于无线电定位范畴，最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。

（1）距离定位法

如S1、S2、S3为已知位置的三颗卫星，P为GPS接收机天线所在位置（即欲求位置点），P到S1、S2、S3的距离利用电磁波传播理论计算后，P点的位置按公式即可求出，也就是说，分别以S1、S2、S3为圆心，以距离PS1、PS2、PS3为半径，画出三个园，其交点处即GPS接收机的位置，它具有经度、纬度、高程和时间的四维特性。

（2）双曲线定位法

如S1、S2、S3、S4为已知位置的四颗GPS工作卫星，P为接收机天线位置，即待求点位置，如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D，即

D = │Si│-│Sj│（i≠j）

则可以Si、Sj 为焦点，以D为焦距绘处三组曲面，三个不同的曲面交会于一个

点，即P点位置。这种方式需要三个距离差值，至少需要观测四颗以上的GPS卫星，才能完成观测定位工作。

1．1．2 GPS在公路工程中的应用

（1）控制测量

目前公路路线GPS控制测量实施方案有两种：

一、所有路线控制点全部采用GPS施测。

二、沿路线每隔5-10Km布设一对GPS点作为路线的基本控制，在此基础上，用常规仪器进行导线点加密。方案一的优点是速度快、质量高，但其设备要求较高，GPS接收机要求为动态双频。在本次测量中我们采取了这种方法。

（2）测量和施工中的中线放样

利用GPS的实时动态(RTK)测量技术与电子手簿配合，利用已有的数据资料，在实地进行中线测量，由于GPS测量具有三维信息，因此在放样中线位置时，也可测得其高程（精度有待于进一步研究，可作为对照校核用）。因为能显示横断面的方向，也可进行横断面测量。

（3）在公路竣工验收中的应用

在竣工测量时，GPS可以测定路线的平纵曲线，看其是否满足设计要求，通过(RTK)动态采样，可获得精确的道路坐标、坡度、平曲线、竖曲线等各种参数，从而检验道路施工质量。

总之，路线勘测及隧道贯通测量是公路工程建设中重要的工作，以往大多采用传统的测量方法进行控制网建立及施测，由于该类测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林。周围已知控制点很少，使得传统测量方法在网形布设、误差控制等多方面带来很大问题。同时传统作业方法时间也较长，直接影响了工程建设的正常进行。自从将GPS技术引入公路交通工程领域以来，其测量效率及测量精度得到可喜的提高。

1．2 研究的目的及意义

随着经济建设的发展，公路等级不断提高，也就要求测量手段要有相应的发展和提高，为了更好的适应西部大开发，提高公路测量水平，为了GPS技术在公路建设应用中更加成熟和广泛，对使用GPS中的一些问题加以总结，对于公路事业的发展和进步是非常必要的。

2． 测量研究工作的主要依据

《公路勘测规范》（交通部JTG C10—2007）

3． 测量实施的主要工作及内容

3．1 GPS测量的外业准备及技术设计书编写

在进行GPS外业工作之前，做好实施前的踏勘，资料收集、器材筹备、观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。根据收集资料情况及规范要求布设控制网。

3．2 GPS测量的外业实施

3．2．1 选点

选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况的原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，选点工作还遵守了以下原则：

1．周围应便于安置接收设备和操作,视野开阔的较高点上。

2．点位目标要明确，视场内障碍物的高度角应符合规定。一般规定最小截止高度角为15°以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡和吸收。

3．远离大功率无线电发射源(如电视台微波站)其距离不小于200m,远离高压输电线距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。

4．点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路经效应的影响。

5．点位选在交通方便,有利于其它测量手段扩展和联测的地方。

6．地面基础稳定,易于点的保存。

7．选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。

3．2．2标志埋设

标石的制作及埋设按规范要求进行，埋设工作完成后，按要求提供如下资料：点之记、GPS网的选点网图、选点与埋石工作技术总结。

如工作区处于地广人稀且周围无明显特征点的地区时，应配备手持GPS并记录点位坐标（必须注明采用的坐标系统及设置参数，建议采用与1：5万地形图一致的坐标设置），这对于后续的工作将有很大的帮助。

3．2．3观测工作

观测中一般选用进口双频动态接收机（Ashtech Z型和Trimble4800型）进行，采用静态观测模式。为提高工作效率及精度，可采用四台机器同步观测，连网形式采用边连式。根据GPS常规进行天线安置，开机观测要同步进行，同步观测时段长度根据GPS观测PDOP值及接收卫星数量，在12～25分钟之内调整。（基本要求：PDOP≤6，卫星数≥4）。一个时段观测完成后，由GPS测量仪自动生成一个观测记录，同时观测者必须认真填写测量手簿。

观测记录和测量手簿都是GPS精密定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。

外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手簿编号等。

接收机内存数据文件在转录到外存储介质时，不得进行任何剔除或删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。

3．2．4 数据处理

数据处理工作在每天外业完成后进行，这样可以检查当天的观测情况，以对不合格点位及时补测。数据处理及网平差均采用随机软件。平面控制测量采用国家统一的平面坐标系统—1954年北京坐标系。WGS—84与1954年北京坐标系统的转换采用国家控制点重合转换，重合点位与控制网两端及中间部位并均匀分布，在三维约束平差计算时剔除有明显问题的三角点。

GPS网的数据处理采用随机软件进行解算，分为三个步骤：一是基线解算，二是闭合差检验，三是网平差解算。

在基线解算时有些参数的不同取值（如：卫星高度角、采样间隔、卫星的取舍、参考卫星的选择、观测时段的选择）会产生不同的结果，如何判断这些参数的和理性，要靠对计算结果的正确分析和在实践中不断积累经验。对于基线解算的数据质量，GPS接收机数据处理软件有两个检验指标：（1）方差比（Ratio）≥3；（2）中误差≤0.02，满足上述两项指标的基线为合格基线，否则为不合格基线，禁止使用并重新测量。本次测量中经计算发现某一时段的结果不理想，经分析为此时段卫星状况不好，后在其他时段补测，经解算合格通过。

闭合差检验是数据处理的重要步骤，由基线组成的最小闭合环必须满足规范规定的限差，闭合环检验合格后才能进行网平查计算，网平差计算时需输入中央子午线精度等信息，然后就可由随机软件计算出各GPS点的坐标。

一般情况下，采用常规导线测量对GPS控制网进行加密时，可将两组GPS点作为已知点，对加密导线点进行附合导线平差，平差所用的边长可直接采用测距仪所测距

离。在平差过程中，发现角度闭合情况较好，一般Km长的附合导线角度闭合差在60″以内，而由边长推算的坐标增量闭合差也满足要求，但与角度闭合差相比稍大。尤其在高等级公路及大型桥梁、隧道的导线测量中，应该采用更精确的经过改正的边长进行平差，只有考虑了椭球体、投影变形的影响，才能求出精确的边长，其计算方法如下：

（1）将测距仪观测的长度规划到椭球面的长度，计算公式为：

s = D + Dd

Dd =-(D * Hm)/ρm

式中：s——归化到椭球面的长度；

D——地面上的观测距离；

Dd——高程归化改正；

Hm——观测边的平均大地高；

ρm——该地区平均曲率半径。

（2）将椭球面的长度归化到高斯平面的长度，计算公式为：

so = s + Δs

Δs =(s * ym)/(2 * ρ2 2 m)

式中：so——归化到高斯平面上的长度；

ym——在高斯平面上离中央子午线垂距的平均值。

现很多随测量设备所带的应用软件中都包括以上计算程序。

4． 问题及建议

1．公路为线状构造物，控制网布设沿路线呈条带状，为保证测量精度，测量连网形式采用边连式，故测量设备应不少于三台。建议测量每组采用四到五台，一是可以使测量效率成倍增加，二是可增加同步环数量，保证精度，即使有个别基线不符合要求也不影响施测结果。

2．测设单位进行GPS设备配置时应考虑动、静态兼容，同时又考虑到经济实用的原则。建议采用1（基准站）+2（动态RTK）+1（或2静态）的配置，即考虑了静态控制测量（3-5台），又能够进行实时动态（RTK）测量、放样及施工控制。

3．测量前应根据近期测区的星历情况（随即软件中可查），合理安排测量时间，避开卫星条件不好的时段，达到保证测量质量和节省时间的目的。在对G310线进行

测量时，根据星历预报发现测区内13：00—15：00左右卫星状况不好，实际测量时发现此段时间的测量结果也很不理想，故将此段时间改为休息及移站时间。

4．坐标转换及计算过程中应注意投影带的选取，中央子午线的确定应以路线所经过的中央位置为准。地形起伏高差比较大的地区的投影面应选取测区平均高程投影面，已知控制点坐标必须经过换算才能参与约束平差。根据以上原则进行坐标计算才能保证最小平曲面误差。

5．自定义坐标系或无已知控制点进行平差计算时，应利用全站仪等设备所测量的基线数据进行点校正。

5． 经济、社会效益及应用前景

经近些年我国测绘部门和公路工程部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功用于大地测量、工程测量中，给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

GPS在本次公路工程测量中有明显的社会经济效益：

1、缩短了测量时间，提高工作效率

本次控制测量共布点24个（分布于长26Km、宽约2Km地带）。根据以往经验，在传统三角网测量、计算方式下最少需用15天的时间。而使用GPS测量及用随机平差软件计算，只需4天的时间。

2、提高测量精度，减少工作强度

GPS测量精度高，测量速度快，其精度是传统测量方式所不能达到的。

3、测量数据自动分析处理，减少了手工劳动，保证结果的准确性

在传统控制测量方式中，测量数据的分析处理所占的比重很大，因为计算数据量大而出现的错误也相应增多。而应用计算机读取数据计算，则只需简单的操作就能完成，而且由于数据导入完全自动进行，大大的减少了错误几率而保证了结果的准确性。随着公路等级的不断提高，对于工程测量及施工的精度要求也越来越高，应用传统的测量手段很难达到要求，而GPS系统正是在这种要求下得到推广和应用，并有着广阔的发展前景。

参考文献：

《公路勘测规范 》（交通部JTG C10—2007）

第四篇：GPS在工程测量中的应用1

GPS在工程测量中的应用

摘 要：简述了全球定位系统（GPS）的基本结构和测量原理，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。

关键词：GPS；工程测量；应用实例全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用［1］，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。本文介绍GPS在山区工程测量中的应用，并提出几点体会。1 GPS简介1．1 GPS构成GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。（1）GPS空间卫星星座由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，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20 200 km，运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。（2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监 测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，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中。（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，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。

1．2 GPS定位原理GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的［2］。如图1所示，在待 测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ

1、ρ

2、ρ3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）：1．3 GPS测量的特点相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1×10－6，在大于1 000 km的基线上可达1×10－8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。2 应用实例2．1 工程概

况本文涉及的工程由某集团公司投资建造，是一个集休闲、娱乐、旅游、渡假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊，占地66．7 hm2多，属两山夹一沟地形，山地面积约占三分之二。最高处约90 m。山上树木茂盛，地形复杂，通视困难，行走不便。为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏大等因素，决定采用GPS测量。2．2 GPS测量的技术设计（1）设计依据 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》［3］及工程测量合同有关要求制定的。（2）设计精度 根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1 km，最弱边相对中误差小于1／10 000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15 mm，比例误差系 数b≤20×10－6。（3）设计基准和网形 如图2所示，控制网共12个点，其中联测已知平面控制点2个（I12，I13），高程控制点5个（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水准测得）。采用3台GPS接收机观测，网形布设成边连式。（4）观测计划 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。

2．3 GPS测量的外业实施（1）选点 GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。（2）观测 根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10 s。在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。2．4 GPS测量的数据处理GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标（见表1），其各项精度指标符合技术设计要求。3 结束语通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。（1）GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300 m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1／10 000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。（2）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地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。

（3）GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少（仅联测5个），致使的控制点高程精度较低。因此，要保证控制点高程的精度，必须联测足够的已知高程点。

第五篇：GPS测量技术在电子地图测绘中的应用

GPS测量技术在电子地图测绘中的应用

前言

随着互联网、汽车电子和无线手持设备对导航系统需求的剧增, 使得中国电子地图产业得到迅猛发展。面临这些需求, 许多城市和地区出现了各类电子地图。在电子地图的制作过程中,地图数据采集约占整个工作量的70%～80%。目前, 电子地图的数据获取主要有三种方法: 扫描现有地形图资料、图像资料(航片、卫星影像等)数字化以及数字测图。其中数字测图是利用GPS、电子全站仪等在野外实测直接生成数字地图, 这一方法适合于在没有现成图纸和航片时的大比例尺的地形测图，随着GPS测量技术的发展与广泛应用, GPS 数字测图已经成为电子地图数据采集的首选方式。

1、电子地图测绘的软、硬件设备

电子地图测绘采用的是集PDA 掌上电脑技术、GPS全球卫星定位系统技术和GIS 地理信息系统技术的软、硬件为一体的公路数据采集系统, 如图1 所示。在整个系统中对硬件部分的要求是: PDA 采用的是Windows Mobile 2003 微软操作系统;中央处理器主频率CPU 为624 MHz, 内存容量RAM185M, 外加1G PDA 扩展卡容量。GPS 采用蓝牙接口, 数据更新频率1 次/s , 自动定位时间45s , 定位精度小于5 m;对软件部分要求是:e-Road For PDA 和e-Road For PC 软件操作系统。前者是将GPS 接收的信号传输到PDA 上, 后者是将PDA 的数据传输到电脑上, 并对导出的地图数据进行合并和编辑。

2、电子地图测绘的原理

全球卫星定位系统GPS 分成3 个部分: GPS 卫星星座、地面监控系统、GPS 接收机。一般在测绘中所使用的是第三部分GPS 接收机。GPS 使用测距交会的原理确定点位, 其基本定位原理是每颗太空卫星在运行时, 任一时刻的位置都用一个坐标值来表示, GPS 接收机所在的位置坐标为未知值, 而太空卫星的讯息在传送过程中存在时间差, 将此时间差值乘以电波传送速度, 就可计算出太空卫星与GPS 接收机间的距离, 如此就可依三角向量关系列出一个相关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式, 因此, 至少同时接收到三颗卫星发出的信号后, 即可计算出平面坐标(经纬度)值, 收到四颗卫星信号则可同时测出高程值, 五颗卫星以上可大大提高其测量精度。一般来说, GPS 接收机在运动中每秒的坐标数据都是最新的, 也就是说GPS 接收机会自动不断地接收卫星讯息, 并实时地计算其所在位置的坐标数据, 同时记录下来。

在GPS 定位中, 根据其运动状态可以将GPS 定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不运动的待定点,将GPS 接收机安置于其上, 观测数分钟乃至更长的时间, 以确定该点的三维坐标, 又叫绝对定位。若将2 台或2 台以上分别固定不变地安置在待定点上, 则通过一定时间的观测, 可以确定这些点之间的相对位置, 又叫静态定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态, 测定的是各观测时刻运动中的接收机的点位。在电子地图测绘系统中采用的是动态定位。GPS 以全天候、高精度、自动化、高效率等特点赢得广大测绘工作者的信赖。

3、电子地图测绘的方法

3.1 外业采集

外业采集是整个测绘的核心工作, 采集组一般由4 名成员(PDA 操作员、记录员、带路者、驾驶员)和1 台作业车组成。PDA操作员要熟练掌握PDA 操作技术, 事先对要测的路线进行编号, 对于已经有编号的路线要进行核对, 做到不重复, 不遗漏每一条路线;记录人员要求反应速度快, 能领会操作员的意图, 配合操作员进行记录, 做到不遗漏, 准确率达到100%;带路者要求熟悉当地地形, 对整个地区的路线了如指掌, 做到不走重复路,以最佳路线测绘。驾驶员要平稳、匀速驾驶作业车, 并保养维修好。另外还要确保测绘设备具有充足的电量, 避免设备自动关机, 造成数据丢失。因此, 要求在测绘之前做好各项准备工作, 只有这样才能达到最佳的效果。

准备就序后, 首先要对GPS 进行定位, 然后打开GPS 蓝牙, 将其连接到PDA 上, 待其在PDA 上显示为“3D”状态时就表示GPS 已联接上PDA, 可以开始数据采集。采集数据前还要对将其测量数据进行命名, 方式建议采用当天的时间来命名, 并存入SD 卡上, 这样方便数据的合并和校核。测绘过程中常见问题的原因及解决的办法有:

(1)测绘过程中GPS 无法定位。

GPS 无法定位的原因可能是接收不到卫星信号, 这时可到一个空旷、周围建筑物少、天线少、外界干扰小的地带进行定位,待其定位好后再进行测绘。为了减少接收干扰, GPS 不能安置在根本接收不到卫星直射讯号的地方, 如室内、地下停车场、天桥下、树木密集、四面环山及隧道中。在汽车内, 应使用有长天线的GPS , 并把天线用磁石置在汽车外。在地形复杂、建筑物多、干扰多的地方, 建议使用带有延长天线的GPS。如果碰到信号好的地带最好不要采用天线。

(2)测绘过程中GPS 信号飘逸。

GPS 信号飘逸问题有多方面原因: ①在阴雨天卫星信号较弱, 很容易造成飘逸。②当地某些地区使用了卫星信号屏蔽, 使信号飘逸。③在信号很强时还使用了延长天线, 也会造成信号的飘逸。④操作错误所造成。对于不可避免的信号飘逸可以在内业顶点编辑中进行处理。

(3)测绘过程中行车速度过快。

对于一般的车载GPS 其数据更新频率是1 次/s, 因此测绘过程中车速要保证匀速行驶, 速度不宜过快, 车速一般控制在50 km/h, 防止在测绘过程中出现GPS 接收信号中断, 而使测绘数据不准确。

(4)测绘过程中不应长时间停留在某个区域。

当正在进行路线测量时, 如果较长时间在某个区域停顿时,要求PDA 操作人员暂停测量。避免长时间停滞在这个区域造成在PDA 显示的路线发生飘逸。

(5)测绘过程中基本信息处理。

由于PDA 对路线的线形和里程是自动记录的, 为使测绘过程中保证测绘准确迅速, 要求PDA 操作员对路线的基本信息不要过多输入, 只需旁边的记录员详细记录每一条路线的基本信息以及附属设施的基本参数。对于路线的基本信息可在内业处理过程中进行补充和完善。

(6)测绘过程中跨区路线处理。

由于地形复杂, 一些路线的基本信息在同一条线上都不尽相同。对于一些路线里程比较长, 是跨省或跨市(区)或跨乡(镇)的, 要对这些路线进行分段, 对于带路者要熟悉这一区域的地形, 做到不出现任何误差。记录员要在记录本上详细记载分段情况以及分段路线的基本信息。对于跨省或跨市(区)乡(镇)的路线一定要在当天测完, 方便以后的内业处理。

3.2 内业处理

外业采集到的地图数据还需要经过整理修饰才能应用, 路线上的附属设施信息也需要完善, 因此要最后得到完美的电子地图, 内业处理工作是必不可少的。内业数据处理操作的流程如图2 所示:

内业处理是一个重要的环节需要各人员协同完成, 其具体有以下几个方面:

(1)测绘地图的数据传输。

将测绘的地形图通过数据线拷贝到PC 机的硬盘上, 启动e-Road For PC 进行数据的编辑。e-Road For PC 上的功能同PDA 上的e-Road For PDA 是一样的。因此, 可在e-RoadFor PC 上进行内业的处理。

(2)测绘地图的数据编辑。

通过e-Road For PC 在地形图上进行地图编辑。要求外业测量时的数据记录员将路线的基本信息和附属设施信息进行编辑完善, 保证不丢失任何数据。

(3)测绘地图的数据合并。

编辑完成所有的路线基本信息和附属设施信息后, 需要进行地形图的合并。合并前要选择好底图, 最好使用空底图, 这样可尽量减少路线的飘逸, 然后再进行合并, 合并时要按照外业测绘的时间顺序来合并。

(4)测绘地图的顶点编辑。

由于外业测绘过程中存在信号飘逸, 因此在内业处理中, 需要PDA 操作者对飘逸的路线进行顶点编辑, 将飘逸的顶点拉到实际位置, 对于一些重复的顶点要进行删除。

(5)测绘地图的校核。

校核时最好让熟悉地形的带路者进行校核, 这样能确保每一条路线的准确性。如果当地有其他的地形图时, 可对照测绘地图的路线有无偏差。如果路线偏差比较严重或者信号飘逸严重,为保证数据的准确性最好是进行重测。

4、结束语

随着国民经济的高速发展, 交通等领域对导航技术的需求更加迫切, 电子地图对于公路的设计和管理、公路交通的信息化都有着强大的推动作用, 推广与总结GPS 和PDA 技术在电子地图测绘中的应用势在必行, 必将会逐渐代替传统测绘技术。