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【摘 要】 本文以连云港市市政道路及建筑项目为例，概略叙述GPS系统在市政、建筑、公路工程控制测量中的应用。
【关键词】 GPS定位系统；工程；测量；应用
【中图分类号】 TU717 【文献标识码】 C【文章编号】 1727-5123（2011）04-195-02
ＧＰＳ全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）在市政、建筑、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 ＧＰＳ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 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６０°，轨道和地球赤道的倾角为５５°，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。
１.２ 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。
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：南方Ｓ８２接收机技术指标为：①测量精度：静态测量３ｍｍ＋1ｐｐｍ；②ＲＴＫ测量１０ｍｍ＋１ｐｐｍ（平面）；③２０ｍｍ＋１ｐｐｍ（高程）。这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
２ ＧＰＳ系统的工作原理
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。
３ ＧＰＳ ＲＴＫ作业原理
ＧＰＳ ＲＴＫ技术系统用户主要包括三个部分：基准站、流动站和数据链。其作业原理是：基准站接收机架设在已知或未知坐标的参考点上，连续接收所有可视ＧＰＳ卫星信号，基准站将测站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态等通过无线数据链发送给流动站，流动站先进行初始化，完成整周未知数的搜索求解后，进入动态作业。流动站在接收来自基准站的数据时，同步观测采集ＧＰＳ卫星载波相位数据，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站和流动站的相关性，得出流动站的平面坐标ｘ，ｙ和高程ｈ。
４ 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：
４.１ 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。
４.２ 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。
４.３ 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。
４.４ 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。
４.５ 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。
４.６ 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。
５ ＧＰＳ系统在市政、建筑、公路工程测量工作中的应用
市政、建筑、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。下面主要从ＧＰＳ的动态功能（ＲＴＫ）与传统大地测量的比较进行阐述。
５.１ 市政、建筑、公路工程控制测量。连云港市东区大多为沿海滩涂和盐田，空旷无遮挡。可以随意布点，建立高等级控制网。市政工程施工需要在规划道路两侧布设图根点进行中线和高程的控制。在空旷区域的市政工程进行图根点控制可以直接利用现有高等级控制网通过不同坐标系之间的转换进行加密。而大地测量法主要采用大地测量仪器如全站仪，平面控制采用附和导线测量，高程采用三角高程，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。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，均可以满足市政工程控制测量的要求，但ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）无疑比传统大地测量更节省人力物力。
在通过密集居民地的市政、建筑、公路工程中，由于大范围的住宅建筑和树木的原因使得通视较困难，传统的大地测量对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级工程均要求达到一级导线要求。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。而ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）不受通视条件的限制，每次测量的精度均为仪器的标称精度，误差不累积。通过对连云港经济技术开发区花果山大道控制测量的进行两种方法采集的三维坐标的比较，在居民区的１４个控制点用ＧＰＳ方法得到的数据质量均优于用传统的大地测量法得到的数据。证明ＲＴＫ测量用于工程的控制测量是非常有效的新技术，并且能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证高等级工程测设质量。
５.２ 工程放样。在满足工程三维坐标精度的前提下，在动态测量的工作半径内（一般ＧＰＳ仪器均能满足５~８公里）利用ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）搭配仪器厂商配置的工程放样软件，可以进行点放样、线放样、曲线放样，省时省力，免去了传统大地测量需进行变换测站，频繁后视的烦恼。尤其在进行道路曲线测设的时候，传统的大地测量方法由于各种地形条件的限制以及施测方法的特点，可能会出现以下几种情况：①在曲线主点处无法设站。②后视方向太近，定向不准。③测站点与测设点之间不通视。④误差累积较大。而利用ＧＰＳ的随机软件，输入各种曲线要素，即可按照仪器指引进行曲线的放样，无需进行繁琐复杂的计算、量距和转角，同时还避免了传统大地测量中的测量人员观测的误差。
５.３ 工程施工过程中的质量检查。一般情况下的市政、建筑、公路工程施工，由于机械、设备、人员的影响因素，往往会造成控制点的丢失破坏。由于施工安排和施工方法变化，会造成已完成的工作量无法及时复核或计量等情况。只要剩余至少２个未破坏的控制点，利用ＧＰＳ ＲＴＫ即可校正一个控制点再检查另外一个控制点，进行控制点的校核补充，从而保证工程的质量和工程进度。此外还可以随时进行工程质量、工程量的检查检核，及时反映工程进度和工程形象。
６ 总 结
通过以上对ＧＰＳ测量的应用事例的探讨，可以看出ＧＰＳ在市政、建筑、公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：
６.１ 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。
６.２ 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。
６.３ ＧＰＳＲＴＫ技术将彻底改变工程测量模式。ＲＴＫ能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合空旷地段及车流、人员、建筑密集地段的市政、建筑、公路工程的勘察。它可以直接进行实地实时放样、测量、记录等。
６.４ 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。
６.５ 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。特别是在当前连云港市市政、建筑、公路、公路工程逐渐向沿海地段、东区、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。
ＧＰＳ系统因而在连云港市市政道路及建筑、公路工程“交桩”、测量、放样；建筑桩基础放样、测绘咨询、大地形土方测量等项目中起到举足轻重的作用。
【关键词】 GPS定位系统；工程；测量；应用
【中图分类号】 TU717 【文献标识码】 C【文章编号】 1727-5123（2011）04-195-02
ＧＰＳ全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）在市政、建筑、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 ＧＰＳ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 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６０°，轨道和地球赤道的倾角为５５°，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。
１.２ 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。
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：南方Ｓ８２接收机技术指标为：①测量精度：静态测量３ｍｍ＋1ｐｐｍ；②ＲＴＫ测量１０ｍｍ＋１ｐｐｍ（平面）；③２０ｍｍ＋１ｐｐｍ（高程）。这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
２ ＧＰＳ系统的工作原理
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。
３ ＧＰＳ ＲＴＫ作业原理
ＧＰＳ ＲＴＫ技术系统用户主要包括三个部分：基准站、流动站和数据链。其作业原理是：基准站接收机架设在已知或未知坐标的参考点上，连续接收所有可视ＧＰＳ卫星信号，基准站将测站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态等通过无线数据链发送给流动站，流动站先进行初始化，完成整周未知数的搜索求解后，进入动态作业。流动站在接收来自基准站的数据时，同步观测采集ＧＰＳ卫星载波相位数据，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站和流动站的相关性，得出流动站的平面坐标ｘ，ｙ和高程ｈ。
４ 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：
４.１ 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。
４.２ 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。
４.３ 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。
４.４ 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。
４.５ 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。
４.６ 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。
５ ＧＰＳ系统在市政、建筑、公路工程测量工作中的应用
市政、建筑、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。下面主要从ＧＰＳ的动态功能（ＲＴＫ）与传统大地测量的比较进行阐述。
５.１ 市政、建筑、公路工程控制测量。连云港市东区大多为沿海滩涂和盐田，空旷无遮挡。可以随意布点，建立高等级控制网。市政工程施工需要在规划道路两侧布设图根点进行中线和高程的控制。在空旷区域的市政工程进行图根点控制可以直接利用现有高等级控制网通过不同坐标系之间的转换进行加密。而大地测量法主要采用大地测量仪器如全站仪，平面控制采用附和导线测量，高程采用三角高程，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。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，均可以满足市政工程控制测量的要求，但ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）无疑比传统大地测量更节省人力物力。
在通过密集居民地的市政、建筑、公路工程中，由于大范围的住宅建筑和树木的原因使得通视较困难，传统的大地测量对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级工程均要求达到一级导线要求。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。而ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）不受通视条件的限制，每次测量的精度均为仪器的标称精度，误差不累积。通过对连云港经济技术开发区花果山大道控制测量的进行两种方法采集的三维坐标的比较，在居民区的１４个控制点用ＧＰＳ方法得到的数据质量均优于用传统的大地测量法得到的数据。证明ＲＴＫ测量用于工程的控制测量是非常有效的新技术，并且能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证高等级工程测设质量。
５.２ 工程放样。在满足工程三维坐标精度的前提下，在动态测量的工作半径内（一般ＧＰＳ仪器均能满足５~８公里）利用ＧＰＳ动态功能（ＲＴＫ）搭配仪器厂商配置的工程放样软件，可以进行点放样、线放样、曲线放样，省时省力，免去了传统大地测量需进行变换测站，频繁后视的烦恼。尤其在进行道路曲线测设的时候，传统的大地测量方法由于各种地形条件的限制以及施测方法的特点，可能会出现以下几种情况：①在曲线主点处无法设站。②后视方向太近，定向不准。③测站点与测设点之间不通视。④误差累积较大。而利用ＧＰＳ的随机软件，输入各种曲线要素，即可按照仪器指引进行曲线的放样，无需进行繁琐复杂的计算、量距和转角，同时还避免了传统大地测量中的测量人员观测的误差。
５.３ 工程施工过程中的质量检查。一般情况下的市政、建筑、公路工程施工，由于机械、设备、人员的影响因素，往往会造成控制点的丢失破坏。由于施工安排和施工方法变化，会造成已完成的工作量无法及时复核或计量等情况。只要剩余至少２个未破坏的控制点，利用ＧＰＳ ＲＴＫ即可校正一个控制点再检查另外一个控制点，进行控制点的校核补充，从而保证工程的质量和工程进度。此外还可以随时进行工程质量、工程量的检查检核，及时反映工程进度和工程形象。
６ 总 结
通过以上对ＧＰＳ测量的应用事例的探讨，可以看出ＧＰＳ在市政、建筑、公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：
６.１ 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。
６.２ 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。
６.３ ＧＰＳＲＴＫ技术将彻底改变工程测量模式。ＲＴＫ能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合空旷地段及车流、人员、建筑密集地段的市政、建筑、公路工程的勘察。它可以直接进行实地实时放样、测量、记录等。
６.４ 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。
６.５ 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。特别是在当前连云港市市政、建筑、公路、公路工程逐渐向沿海地段、东区、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。
ＧＰＳ系统因而在连云港市市政道路及建筑、公路工程“交桩”、测量、放样；建筑桩基础放样、测绘咨询、大地形土方测量等项目中起到举足轻重的作用。