GNSS工程測量方法研究

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摘要:分析了gnss測量技術在工程中的應用，采用實驗分析法、數據對比法對靜態GNSS測量和四等水準測量的高程進行精度分析，提出了基于GNSS的工程測量方法建議，以確保靜態觀測符合技術指標，精度符合限差，消減或消除高程測量中的影響因素，獲得更準確、更高精度的觀測值。

關鍵詞:GNSS;工程測量;方法

1GNSS測量技術在工程中的應用

1.1在工程測量中的應用

當前定位技術中主要包括兩種模式，即靜態相對定位技術和動態定位技術。靜態相對定位是利用同一條直線上地面接收裝置來進行觀測的，觀測之后通過處理軟件對其處理結果進行分析，這是靜態觀測基本結果之一，主要用于后續的控制測量處理。實時動態定位技術是將另一臺接收機放在另一臺或幾臺接收裝置位于載體之下，對于后續的測量結果作出處理。針對于測量技術與動態測量技術的差別性，后續兩者之間的測量數據也會有所差別點與流動站，同時接收某一時間同一GNSS衛星，比較得到GNSS差分改正值，然后該改正值通過無線電數據鏈電臺，及時傳遞給共視衛星的流動站，這也會對于GNSS觀測值進行優化。實時動態定位技術(RTK)在工程測量施工放樣地形勘探等角度之內都能夠得到廣泛的應用。

1.2在水下工程測繪中的應用

GNSS技術以其高精度、定位快等優勢在水源資源利用、海洋資源開發以及建筑港口碼頭控制等方面發揮著重要作用。GNSS技術定位結合水深測量系統，對于水下地形地物位置進行精準測量，并實現電腦合成技術繪制水下地形圖。水下工程縱向方面的測量是按照探測儀，而橫向方面的測量使用的是差分GNSS技術，兩者之間的使用過程會有所差別，這需要針對GNSS技術的規范化操作內容作出分析。簡化操作環節，提高對外干擾的抵抗能力，讓GNSS技術得到新的開發及利用。

1.3在航空攝影中的應用

GNSS技術在航空攝影領域中的應用也具備著一定的優勢。基于GNSS技術的開發使用狀況來看，它能夠實現后續航空測繪發展。按照GNSS技術在航空測量中的應用趨勢來看，控制航空攝影飛機在一定的高度沿設計航線進行飛行，經過一段時間的處理之后，保證所得的影像具有一定的攝影比例。根據橫向重疊度與旁向重疊度，GNSS輔助空中三角測量中的導航與定位基本相同。在航空領域之內，通過對于攝影測量技術進行加密，保證后續動態化測量技術應用開發，選擇最優的處理方案。

2GNSS高程控制測量實驗

2.1實驗方法

采用實驗分析法、數據對比法對靜態GNSS測量和四等水準測量的高程進行精度分析，按照以下步驟進行:在實驗區域內按照要求選取控制點并布設網形，選取兩個已知GPS控制點，記錄并標記每個控制點的位置情況，設計GNSS網形，確定水準測量路線。利用三臺海星達GPS接收機按照靜態測量技術指標進行數據的采集，完整填寫靜態測量作業調度表。將數據導入電腦，使用HGO解算軟件對靜態采集的數據進行平差處理，代入已知點位坐標，得到靜態測量其他控制點的高程數據。嚴格按照四等水準測量技術指標，確保數據符合限差，依次完成整個閉合水準路線的外業測量，經計算得到合格的水準觀測記錄表。嚴格按照四等水準測量的限差要求，進行水準測量內業計算，得到合格的四等水準測量成果，計算出所有控制點的高程。對靜態和水準所得到的高程進行精度對比分析，計算出靜態GNSS測量與水準測量高程的差值，得出結論:在小范圍平坦區域，可用GNSS擬合高程代替水準高程。

2.2測區選擇

所選測區在A區內，東至羽飛田徑場，西至寧園宿舍樓，南至南大門，北至新餐廳，共選取10個控制點，已知點2個，兩點之間在200m左右。

2.3儀器準備

3臺海星達H32GPS接收機，3個腳架，3把鋼尺，1臺DS05水準儀，2個黑紅雙面尺，3個尺墊。GNSS靜態測量的技術要求按照表1執行。

2.4GNSS作業調度

為了使測量工作效率更高，對選取的三臺海興達GNSS接收機進行編號，分別為L1，L2，L3，結合所設計的GNSS控制網編寫作業調度表。為便于觀測作業，在選取測站時，控制點的上空應盡可能開闊，在10°～15°高度角上盡量避免成片障礙物的遮擋，選擇控制點的位置在工作時要比較便利，且上點方便、易于保存，用紅漆或釘子標記。控制點選擇完成后，進行外業觀測，對數據進行采集。GNSS外業測量方面。本次靜態測量的GNSS網采用邊連式布網，采用3臺GNSS接收機進行同步觀測，觀測期間天氣晴朗，衛星狀態良好，大部分時間可接收到4顆以上衛星信號，外業觀測工作歷時1d完成。常規水準測量方面。本次實驗選取數字水準儀進行四等水準的外業測量。四等水準測量布設的是一條閉合水準路線，包括2個已知GPS控制點、3個已知高程控制點。測量過程按照四等水準測量技術要求執行，測量方法采用后前前后、偶數進站的方式觀測。按照四等水準測量設中間站5站，總共14站，外業觀測工作歷時2d完成。

3數據處理

3.1靜態數據處理

GNSS靜態測量數據與傳統水準測量數據有所不同，它是指接收的天線到衛星的距離和衛星星歷等數據。要得到具有實際意義的定位成果，需要對GNSS定位數據進行一系列的處理。用數據線連接GNSS，將數據傳入電腦，將數據重新命名，用HGO軟件進行處理，GNSS數據處理的基本流程為:數據采集、數據傳輸、基線解算GNSS網平差。

3.2水準數據處理

按照四等水準技術要求進行水準測量內業計算，經計算得到閉合差為+7.5mm，在線路高差閉合差容許值8.9mm之內，符合四等水準的技術指標，其成果如表3所示。

4兩種方法高程對比精度分析

為驗證在小范圍平坦區域內，是否可用GNSS擬合高程代替水準高程，對靜態和水準所得到的高程進行精度分析。根據數據處理結果表3，計算出GNSS高程與水準高程的差值，如表4所示。由于GNSS靜態測量與水準測量獲取高程的觀測方式不同，因此二者的數據誤差來源、成果測量精度存在差異。從GNSS靜態高程與水準高程對比表中可知，兩種測量方式獲得的高程相差在1cm左右，其中最大的是9.3mm，最小的是2.1mm。由此實驗得出，在小區域條件下，GNSS靜態測量得到的高程精度比較高，基本上能夠符合傳統四等水準測量的精度要求。大地高系統是以參考橢球面為基準的高程系統，大地高是地面點沿參考橢球面法線到參考橢球面的距離，一般用符號H表示。正高是沿地面點的垂直方向到與平均海水面重合并延展到大陸以下的水準面的距離，一般用符號Hg表示。由于大地水準面的精度易受到地形起伏和地形質量的影響，導致精度無法確定，正高無法獲取。正常高是從一地面點沿過此點的正常重力線到似大地水準面的距離，一般用符號h表示。高程異常是似大地水準面與參考橢球面之間的高差，每一個地方都不一樣，高程異常隨著地形的變化和地區地層的密度而變化，要想得到精確的正常高，要獲取準確的高程異常值。影響GNSS接收機精度的因素主要有:高程異常、電離層、對流層、多路徑效應、衛星星歷、衛星鐘和接收機鐘的誤差、相對論效應、地球自轉及地球潮汐運動等對測量結果的影響。

5基于GNSS工程測量方法的建議

小范圍平坦區域用GNSS擬合高程代替水準高程，設計GNSS控制網時需要考慮各種因素，外業觀測數據要確保測量精度符合要求，嚴格按照技術指標進行，經過對比分析，得到比較準確的精度成果。高程相差較大區域，GNSS靜態測量與水準測量高程的差值差距明顯，不建議對GNSS靜態觀測所得高程與傳統水準測量所得高程進行替換。當所選觀測區域相對小且高差相距不多的時候，利用GNSS靜態觀測所得到的高程精度能滿足傳統水準測量的高程精度要求。由實驗結果可以得到結論:小范圍平坦區域可用GNSS擬合高程代替水準高程。高程測量中，由于環境因素相差較大，使用GNSS靜態測量技術具有很大的優勢，有利于減少測量成本，降低測量難度，節省資源，可以代替傳統測量技術，提高測量效率和精準度，其主要體現在以下幾個方面:其一，布設點位時更加方便，觀測路程更短。傳統水準測量的點位要盡可能通視，避開高山、河流等，且任意兩個控制點之間的路線必須依次通過，而GNSS靜態測量相鄰點間無需通視，布設的控制網可以極大程度減小外業測量總路程。其二，靜態測量在各種天氣下都可以作業，視線是否通視均無影響，可隨時提供所測控制點的平面高程坐標，簡單便捷，靜態測量狀況清楚。兩兩控制點之間的中間點更少，布設時比較自由，觀測工作能更快速地完成。高程靜態測量只需避開高層建筑、成片水域、大功率無線電發射設施、高壓輸電線等干擾環境，選取的控制點位上空盡可能開闊。其三，可以有效節省外業觀測時間，降低觀測員的工作難度。所選控制點的范圍容易把握，能控制在技術指標內，且兩控制點之間的誤差為偶然誤差。傳統的水準測量在觀測時，兩控制點之間必須連續測量，中間任意一站出現差錯，均需要把兩控制點之間的路線重新觀測。采用GNSS靜態觀測時只需要對中調平，記錄好每一站站名、天線高等相關信息，讓接收機自行接收數據，不用人工干預，勞動量較小，對觀測人員的技能要求較低。其四，數據處理自動化，提高計算準確性，測量成果精度較高，質量可靠。GNSS野外觀測、數據采集完成后，內業基本上由軟件自動計算完成，計算速度與準確性大幅度提高。

6結語

GNSS定位技術已被廣泛應用于工程建設，雖然GNSS定位的平面測量精度已經能夠滿足許多工作需求，但是由于GNSS技術易受到天象、地球曲率、電場、磁場等限制，其高程精度還不能滿足某些高精度工程的要求，精度較高的工程大多還是由水準測量獲得。GNSS靜態測量處理得到的高程精度容易被自身因素和外界環境影響，在對GNSS靜態觀測數據進行處理時，應采用多種軟件對其數據進行解算得到高程，再與水準測量高程進行對比分析。不同軟件其解算結果也存在精度差異，只使用HGO軟件包處理存在單方面的局限性。應在實驗流程和數據處理中運用各種技術方法和數學模型，對其產生的誤差進行消減，達到更準確、更高精度的觀測值。有時要在GNSS靜態觀測中確定高程觀測布設后盡可能確保靜態觀測符合技術指標，精度符合限差，消減或消除高程測量中的影響因素，確保靜態觀測技術的嚴謹性和精準度。

作者：堵景林 盧金存 劉海南 楊碩 王濤