GPS平面控制测量方法
作者：赵文忠
来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2013年第09期
摘要：本文详细介绍了锦赤铁路三标在GPS平面控制测量中，仪器的选择，控制网图的设计、选点，以及测量时段的计算和组织方法。
关键词：GPS 控制测量 控制网图 测量时段
GPS自70年代发展以来，已应用于多个行业。应用于测量中也超过30多年。应用GPS进行平面控制测量已经是非常成熟的技术。目前GPS在道路工程中，主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。高等级公铁线路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求。由于线路长、已知点少，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求，GPS技术解决了这一难题。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，采用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大缩短了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道的控制测量中。由于无需通视，即可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。
1 现行规范
2007年国家发布《工程测量规范》（GB50026-2007），对利用GPS做平面控制测量进行了规范，并于2008年5月1日起施行。《工程测量规范》要求，各等级卫星定位测量控制网的主要技术指标，应符合表1的规定。
《工程测量规范》还要求GPS 控制测量在作业中的基本技术要求，应符合表2的规定。 2 仪器的选择
GPS平面控制使用差分信号后处理的形式来实现。由于GPS的应用日益广泛，实时差分机型，即RTK双频机，已得到广泛应用，甚至有双星系统及多星系统的接收机。实时差分机型兼容差分信号后处理模式。
因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。这就要求地面主控站和注入站对卫星的时间、轨道参数进行调节，同一系统的卫星系统能保持相对位置间的监控。多个卫星系统之间，毕竟不是一家的技术，同步的协调性就很难满足了。因此双星系统及多星系统在数据的测量重复性和可靠性上，不一定能完美，甚至可能出现不能调和的误差，得不到正确的测量数据。因此不建议使用双星系统及多星系统的接收机。
静态平面控制测量最低需3台GPS接收器同步观测。理论上同步接收器的数量越多，效率越高，但投入的人员和设备较多，协调起来比较困难。通过几个项目工程的实践，使用6台GPS接收机同步测量比较经济，既能保证测量的精度，又能保证测量的效率，成本也能控制在合理范围内。
3 控制点网型设计
GPS网型一般多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。一个由n台仪器测定的同步图形中，独立基线的数量为n-1条，总的基线数量为：1/2×n×（n-1），其优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。
同步网连接方式有以下几种：
3.1 点连式控制点网型（图1）
形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。
优点：作业效率高，图形扩展迅速。
缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
3.2 边连式控制点网型（图2）
形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。
优点：作业效率较高，图形强度较强。
3.3 网连式控制点网型（图3）
形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。
优点：图形强度最强。
缺点：作业效率偏低。
公司承担的工程施工项目，都是公路、铁路、引水工程等，其公共特性就是线条状延伸型工程，其控制点（网）以导线的形式存在。因此，一般采用边连式和网连式组合使用的方式进行网图设计。
4 现场布桩选点
4.1 布桩选点的原则
①为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°～15°高度角以上不能有成片的障碍物。
②为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。
③为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。
④为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。
⑤根据仪器的个数和点位传递的需要，设计边连接传递边及网连接中的其中一条边尽量垂直于导线延伸方向，以增强图形结构。
⑥测站应选择在易于保存的地方。
4.2 提高精度的原则
①网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。
②建立框架网。
③最小异步环边数不大于6。
④适当引入高精度测距边。
⑤若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。 ⑥适当延长观测时间，增加观测时段。
⑦选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。
控制网图设计后，进行现场选点布桩。有时现场客观情况不允许，需要对网图进行修改。总之，实际成网的点位与投入的仪器数量、人员情况，分时段连接的图形强度要相互匹配。 5 测量组织与实施
由于导航卫星是在太空运行的，相互间的位置时刻在变化，在测区位置的观测条件不是24小时都保持良好。因此卫星星历预报尤为重要。现有多款卫星预报软件，中海达卫星星历预报软件比较全面，可预报GPS、GLONASS卫星。
星历预报软件使用时，首先查找本测区中心坐标（经纬度），设置仪器高度角，限制PDOP值。测区经纬度可由Google地球上找到。更新最新的卫星星历txt文件，并应用更新，即可得到以下图形，如图4、5、6：
在上面图中，横坐标为每日0：00-24：00的时间标注，纵坐标分别为测区中心位置所能观测到的卫星个数及PDOP值。
由以上图形可以看出，在锦赤铁路项目（测区中心位置：东经120：04：00，北纬41：47：00）在2009年6月3日-6月5日中，高度角设置35度时，能进行观测的时间在6：30-14：00，及17：30-22：30。根据现场道路交通状况，测量移站时间预计需要50分钟，因此设计以下时段计划（表3）。
此计划中由于线路延伸及图形强度的需要，安排了边连接和图形连接两种方式，加强了中部的图形结构，对于异步环的检核增加了检核条件。
6 数据处理
外业数据采集后，当天尽量传输至电脑中，进行基线解算检核。以便发现信号质量和精度是否满足要求。解算基线的软件主要有莱卡的LGO，天宝的TGO，中海达的HDS2003等软件。
在数据后处理中，首先解算基线。基线的解算通常是自动完成的。如果观测采集的数据非常好，那么所有的基线都能满足要求。但是通常情况下，不是那么完美。利用改变卫星高度角设置、采样间隔时间、删除卫星信号噪点、删除不合格卫星来完成。解算完成的基线必须能够通过基线检核。基线解算的检核有两项，一是基线相对精度，不能低于等级要求；二是重复基线，就是传递边两次测量的重复精度。不同时段采集的数据，由于卫星位置已经变动，它的精度随着卫星位置的移动而变化。
基线解算完成检核后，还必须检查同步环、异步环闭合差。此两项检查必须满足等级规范的要求。同样通过调整卫星高度角设置、采样间隔时间、删除卫星信号噪点、删除不合格卫星来完成。如果无法通过，将按照测量复测要求进行部分或全部时段重测。
解算检核完成后，可进行网平差。网平差就是代入已知点进行解算投影坐标。一般先代入标段两端的公共点，进行网平差，检核复测的已知点，其相对误差在认可的情况下，说明控制网复测是合格的，满足该段施工控制要求。此时代入适当密度的已知点重新网平差，即可得到加密点的坐标。
GPS高程测量一般精度较低，不能达到等级水准的要求。作为水准测量的粗差校核及土石方施工，精度能够适用，但在网平差中，要求高程已知点的密度要足够，且分布均匀。
B级以上的平面控制网，需要第三方网平差软件进行平差，这里不做赘述。有的C级控制网，根据工程的实际需要，也可能需要第三方软件进行平差。
7 结束语
利用GPS进行平面控制测量，测量操作技术的要求较低，关键的因素是能够根据现场的实际情况及卫星的可利用条件进行组织、时段计划的可操作性及落实情况。如果将测量任务做系统的周密计划与安排，会得到高质量测量成果。
参考文献：
[1]《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》（TB10054-1997）.
[2]《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）.
[3]《工程测量规范》（GB50026-2007）.
[4]《GPS原理及其应用》2010年，石家庄铁道大学.
作者简介：赵文忠（1969-），男，工程师，研究方向：施工测量。
GPS平面控制测量方法
作者：赵文忠
来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2013年第09期
摘要：本文详细介绍了锦赤铁路三标在GPS平面控制测量中，仪器的选择，控制网图的设计、选点，以及测量时段的计算和组织方法。
关键词：GPS 控制测量 控制网图 测量时段
GPS自70年代发展以来，已应用于多个行业。应用于测量中也超过30多年。应用GPS进行平面控制测量已经是非常成熟的技术。目前GPS在道路工程中，主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。高等级公铁线路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求。由于线路长、已知点少，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求，GPS技术解决了这一难题。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，采用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大缩短了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道的控制测量中。由于无需通视，即可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。
1 现行规范
2007年国家发布《工程测量规范》（GB50026-2007），对利用GPS做平面控制测量进行了规范，并于2008年5月1日起施行。《工程测量规范》要求，各等级卫星定位测量控制网的主要技术指标，应符合表1的规定。
《工程测量规范》还要求GPS 控制测量在作业中的基本技术要求，应符合表2的规定。 2 仪器的选择
GPS平面控制使用差分信号后处理的形式来实现。由于GPS的应用日益广泛，实时差分机型，即RTK双频机，已得到广泛应用，甚至有双星系统及多星系统的接收机。实时差分机型兼容差分信号后处理模式。
因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。这就要求地面主控站和注入站对卫星的时间、轨道参数进行调节，同一系统的卫星系统能保持相对位置间的监控。多个卫星系统之间，毕竟不是一家的技术，同步的协调性就很难满足了。因此双星系统及多星系统在数据的测量重复性和可靠性上，不一定能完美，甚至可能出现不能调和的误差，得不到正确的测量数据。因此不建议使用双星系统及多星系统的接收机。
静态平面控制测量最低需3台GPS接收器同步观测。理论上同步接收器的数量越多，效率越高，但投入的人员和设备较多，协调起来比较困难。通过几个项目工程的实践，使用6台GPS接收机同步测量比较经济，既能保证测量的精度，又能保证测量的效率，成本也能控制在合理范围内。
3 控制点网型设计
GPS网型一般多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。一个由n台仪器测定的同步图形中，独立基线的数量为n-1条，总的基线数量为：1/2×n×（n-1），其优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。
同步网连接方式有以下几种：
3.1 点连式控制点网型（图1）
形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。
优点：作业效率高，图形扩展迅速。
缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
3.2 边连式控制点网型（图2）
形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。
优点：作业效率较高，图形强度较强。
3.3 网连式控制点网型（图3）
形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。
优点：图形强度最强。
缺点：作业效率偏低。
公司承担的工程施工项目，都是公路、铁路、引水工程等，其公共特性就是线条状延伸型工程，其控制点（网）以导线的形式存在。因此，一般采用边连式和网连式组合使用的方式进行网图设计。
4 现场布桩选点
4.1 布桩选点的原则
①为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°～15°高度角以上不能有成片的障碍物。
②为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。
③为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。
④为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。
⑤根据仪器的个数和点位传递的需要，设计边连接传递边及网连接中的其中一条边尽量垂直于导线延伸方向，以增强图形结构。
⑥测站应选择在易于保存的地方。
4.2 提高精度的原则
①网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。
②建立框架网。
③最小异步环边数不大于6。
④适当引入高精度测距边。
⑤若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。 ⑥适当延长观测时间，增加观测时段。
⑦选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。
控制网图设计后，进行现场选点布桩。有时现场客观情况不允许，需要对网图进行修改。总之，实际成网的点位与投入的仪器数量、人员情况，分时段连接的图形强度要相互匹配。 5 测量组织与实施
由于导航卫星是在太空运行的，相互间的位置时刻在变化，在测区位置的观测条件不是24小时都保持良好。因此卫星星历预报尤为重要。现有多款卫星预报软件，中海达卫星星历预报软件比较全面，可预报GPS、GLONASS卫星。
星历预报软件使用时，首先查找本测区中心坐标（经纬度），设置仪器高度角，限制PDOP值。测区经纬度可由Google地球上找到。更新最新的卫星星历txt文件，并应用更新，即可得到以下图形，如图4、5、6：
在上面图中，横坐标为每日0：00-24：00的时间标注，纵坐标分别为测区中心位置所能观测到的卫星个数及PDOP值。
由以上图形可以看出，在锦赤铁路项目（测区中心位置：东经120：04：00，北纬41：47：00）在2009年6月3日-6月5日中，高度角设置35度时，能进行观测的时间在6：30-14：00，及17：30-22：30。根据现场道路交通状况，测量移站时间预计需要50分钟，因此设计以下时段计划（表3）。
此计划中由于线路延伸及图形强度的需要，安排了边连接和图形连接两种方式，加强了中部的图形结构，对于异步环的检核增加了检核条件。
6 数据处理
外业数据采集后，当天尽量传输至电脑中，进行基线解算检核。以便发现信号质量和精度是否满足要求。解算基线的软件主要有莱卡的LGO，天宝的TGO，中海达的HDS2003等软件。
在数据后处理中，首先解算基线。基线的解算通常是自动完成的。如果观测采集的数据非常好，那么所有的基线都能满足要求。但是通常情况下，不是那么完美。利用改变卫星高度角设置、采样间隔时间、删除卫星信号噪点、删除不合格卫星来完成。解算完成的基线必须能够通过基线检核。基线解算的检核有两项，一是基线相对精度，不能低于等级要求；二是重复基线，就是传递边两次测量的重复精度。不同时段采集的数据，由于卫星位置已经变动，它的精度随着卫星位置的移动而变化。
基线解算完成检核后，还必须检查同步环、异步环闭合差。此两项检查必须满足等级规范的要求。同样通过调整卫星高度角设置、采样间隔时间、删除卫星信号噪点、删除不合格卫星来完成。如果无法通过，将按照测量复测要求进行部分或全部时段重测。
解算检核完成后，可进行网平差。网平差就是代入已知点进行解算投影坐标。一般先代入标段两端的公共点，进行网平差，检核复测的已知点，其相对误差在认可的情况下，说明控制网复测是合格的，满足该段施工控制要求。此时代入适当密度的已知点重新网平差，即可得到加密点的坐标。
GPS高程测量一般精度较低，不能达到等级水准的要求。作为水准测量的粗差校核及土石方施工，精度能够适用，但在网平差中，要求高程已知点的密度要足够，且分布均匀。
B级以上的平面控制网，需要第三方网平差软件进行平差，这里不做赘述。有的C级控制网，根据工程的实际需要，也可能需要第三方软件进行平差。
7 结束语
利用GPS进行平面控制测量，测量操作技术的要求较低，关键的因素是能够根据现场的实际情况及卫星的可利用条件进行组织、时段计划的可操作性及落实情况。如果将测量任务做系统的周密计划与安排，会得到高质量测量成果。
参考文献：
[1]《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》（TB10054-1997）.
[2]《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）.
[3]《工程测量规范》（GB50026-2007）.
[4]《GPS原理及其应用》2010年，石家庄铁道大学.
作者简介：赵文忠（1969-），男，工程师，研究方向：施工测量。