GNSS工程测量方法研究

摘要:分析了GNSS测量技术在工程中的应用，采用实验分析法、数据对比法对静态GNSS测量和四等水准测量的高程进行精度分析，提出了基于GNSS的工程测量方法建议，以确保静态观测符合技术指标，精度符合限差，消减或消除高程测量中的影响因素，获得更准确、更高精度的观测值。

关键词:GNSS;工程测量;方法

1GNSS测量技术在工程中的应用

1.1在工程测量中的应用

当前定位技术中主要包括两种模式，即静态相对定位技术和动态定位技术。静态相对定位是利用同一条直线上地面接收装置来进行观测的，观测之后通过处理软件对其处理结果进行分析，这是静态观测基本结果之一，主要用于后续的控制测量处理。实时动态定位技术是将另一台接收机放在另一台或几台接收装置位于载体之下，对于后续的测量结果作出处理。针对于测量技术与动态测量技术的差别性，后续两者之间的测量数据也会有所差别点与流动站，同时接收某一时间同一GNSS卫星，比较得到GNSS差分改正值，然后该改正值通过无线电数据链电台，及时传递给共视卫星的流动站，这也会对于GNSS观测值进行优化。实时动态定位技术(RTK)在工程测量施工放样地形勘探等角度之内都能够得到广泛的应用。

1.2在水下工程测绘中的应用

GNSS技术以其高精度、定位快等优势在水源资源利用、海洋资源开发以及建筑港口码头控制等方面发挥着重要作用。GNSS技术定位结合水深测量系统，对于水下地形地物位置进行精准测量，并实现电脑合成技术绘制水下地形图。水下工程纵向方面的测量是按照探测仪，而横向方面的测量使用的是差分GNSS技术，两者之间的使用过程会有所差别，这需要针对GNSS技术的规范化操作内容作出分析。简化操作环节，提高对外干扰的抵抗能力，让GNSS技术得到新的开发及利用。

1.3在航空摄影中的应用

GNSS技术在航空摄影领域中的应用也具备着一定的优势。基于GNSS技术的开发使用状况来看，它能够实现后续航空测绘发展。按照GNSS技术在航空测量中的应用趋势来看，控制航空摄影飞机在一定的高度沿设计航线进行飞行，经过一段时间的处理之后，保证所得的影像具有一定的摄影比例。根据横向重叠度与旁向重叠度，GNSS辅助空中三角测量中的导航与定位基本相同。在航空领域之内，通过对于摄影测量技术进行加密，保证后续动态化测量技术应用开发，选择最优的处理方案。

2GNSS高程控制测量实验

2.1实验方法

采用实验分析法、数据对比法对静态GNSS测量和四等水准测量的高程进行精度分析，按照以下步骤进行:在实验区域内按照要求选取控制点并布设网形，选取两个已知GPS控制点，记录并标记每个控制点的位置情况，设计GNSS网形，确定水准测量路线。利用三台海星达GPS接收机按照静态测量技术指标进行数据的采集，完整填写静态测量作业调度表。将数据导入电脑，使用HGO解算软件对静态采集的数据进行平差处理，代入已知点位坐标，得到静态测量其他控制点的高程数据。严格按照四等水准测量技术指标，确保数据符合限差，依次完成整个闭合水准路线的外业测量，经计算得到合格的水准观测记录表。严格按照四等水准测量的限差要求，进行水准测量内业计算，得到合格的四等水准测量成果，计算出所有控制点的高程。对静态和水准所得到的高程进行精度对比分析，计算出静态GNSS测量与水准测量高程的差值，得出结论:在小范围平坦区域，可用GNSS拟合高程代替水准高程。

2.2测区选择

所选测区在A区内，东至羽飞田径场，西至宁园宿舍楼，南至南大门，北至新餐厅，共选取10个控制点，已知点2个，两点之间在200m左右。

2.3仪器准备

3台海星达H32GPS接收机，3个脚架，3把钢尺，1台DS05水准仪，2个黑红双面尺，3个尺垫。GNSS静态测量的技术要求按照表1执行。

2.4GNSS作业调度

为了使测量工作效率更高，对选取的三台海兴达GNSS接收机进行编号，分别为L1，L2，L3，结合所设计的GNSS控制网编写作业调度表。为便于观测作业，在选取测站时，控制点的上空应尽可能开阔，在10°～15°高度角上尽量避免成片障碍物的遮挡，选择控制点的位置在工作时要比较便利，且上点方便、易于保存，用红漆或钉子标记。控制点选择完成后，进行外业观测，对数据进行采集。GNSS外业测量方面。本次静态测量的GNSS网采用边连式布网，采用3台GNSS接收机进行同步观测，观测期间天气晴朗，卫星状态良好，大部分时间可接收到4颗以上卫星信号，外业观测工作历时1d完成。常规水准测量方面。本次实验选取数字水准仪进行四等水准的外业测量。四等水准测量布设的是一条闭合水准路线，包括2个已知GPS控制点、3个已知高程控制点。测量过程按照四等水准测量技术要求执行，测量方法采用后前前后、偶数进站的方式观测。按照四等水准测量设中间站5站，总共14站，外业观测工作历时2d完成。

3数据处理

3.1静态数据处理

GNSS静态测量数据与传统水准测量数据有所不同，它是指接收的天线到卫星的距离和卫星星历等数据。要得到具有实际意义的定位成果，需要对GNSS定位数据进行一系列的处理。用数据线连接GNSS，将数据传入电脑，将数据重新命名，用HGO软件进行处理，GNSS数据处理的基本流程为:数据采集、数据传输、基线解算GNSS网平差。

3.2水准数据处理

按照四等水准技术要求进行水准测量内业计算，经计算得到闭合差为+7.5mm，在线路高差闭合差容许值8.9mm之内，符合四等水准的技术指标，其成果如表3所示。

4两种方法高程对比精度分析

为验证在小范围平坦区域内，是否可用GNSS拟合高程代替水准高程，对静态和水准所得到的高程进行精度分析。根据数据处理结果表3，计算出GNSS高程与水准高程的差值，如表4所示。由于GNSS静态测量与水准测量获取高程的观测方式不同，因此二者的数据误差来源、成果测量精度存在差异。从GNSS静态高程与水准高程对比表中可知，两种测量方式获得的高程相差在1cm左右，其中最大的是9.3mm，最小的是2.1mm。由此实验得出，在小区域条件下，GNSS静态测量得到的高程精度比较高，基本上能够符合传统四等水准测量的精度要求。大地高系统是以参考椭球面为基准的高程系统，大地高是地面点沿参考椭球面法线到参考椭球面的距离，一般用符号H表示。正高是沿地面点的垂直方向到与平均海水面重合并延展到大陆以下的水准面的距离，一般用符号Hg表示。由于大地水准面的精度易受到地形起伏和地形质量的影响，导致精度无法确定，正高无法获取。正常高是从一地面点沿过此点的正常重力线到似大地水准面的距离，一般用符号h表示。高程异常是似大地水准面与参考椭球面之间的高差，每一个地方都不一样，高程异常随着地形的变化和地区地层的密度而变化，要想得到精确的正常高，要获取准确的高程异常值。影响GNSS接收机精度的因素主要有:高程异常、电离层、对流层、多路径效应、卫星星历、卫星钟和接收机钟的误差、相对论效应、地球自转及地球潮汐运动等对测量结果的影响。

5基于GNSS工程测量方法的建议

小范围平坦区域用GNSS拟合高程代替水准高程，设计GNSS控制网时需要考虑各种因素，外业观测数据要确保测量精度符合要求，严格按照技术指标进行，经过对比分析，得到比较准确的精度成果。高程相差较大区域，GNSS静态测量与水准测量高程的差值差距明显，不建议对GNSS静态观测所得高程与传统水准测量所得高程进行替换。当所选观测区域相对小且高差相距不多的时候，利用GNSS静态观测所得到的高程精度能满足传统水准测量的高程精度要求。由实验结果可以得到结论:小范围平坦区域可用GNSS拟合高程代替水准高程。高程测量中，由于环境因素相差较大，使用GNSS静态测量技术具有很大的优势，有利于减少测量成本，降低测量难度，节省资源，可以代替传统测量技术，提高测量效率和精准度，其主要体现在以下几个方面:其一，布设点位时更加方便，观测路程更短。传统水准测量的点位要尽可能通视，避开高山、河流等，且任意两个控制点之间的路线必须依次通过，而GNSS静态测量相邻点间无需通视，布设的控制网可以极大程度减小外业测量总路程。其二，静态测量在各种天气下都可以作业，视线是否通视均无影响，可随时提供所测控制点的平面高程坐标，简单便捷，静态测量状况清楚。两两控制点之间的中间点更少，布设时比较自由，观测工作能更快速地完成。高程静态测量只需避开高层建筑、成片水域、大功率无线电发射设施、高压输电线等干扰环境，选取的控制点位上空尽可能开阔。其三，可以有效节省外业观测时间，降低观测员的工作难度。所选控制点的范围容易把握，能控制在技术指标内，且两控制点之间的误差为偶然误差。传统的水准测量在观测时，两控制点之间必须连续测量，中间任意一站出现差错，均需要把两控制点之间的路线重新观测。采用GNSS静态观测时只需要对中调平，记录好每一站站名、天线高等相关信息，让接收机自行接收数据，不用人工干预，劳动量较小，对观测人员的技能要求较低。其四，数据处理自动化，提高计算准确性，测量成果精度较高，质量可靠。GNSS野外观测、数据采集完成后，内业基本上由软件自动计算完成，计算速度与准确性大幅度提高。

6结语

GNSS定位技术已被广泛应用于工程建设，虽然GNSS定位的平面测量精度已经能够满足许多工作需求，但是由于GNSS技术易受到天象、地球曲率、电场、磁场等限制，其高程精度还不能满足某些高精度工程的要求，精度较高的工程大多还是由水准测量获得。GNSS静态测量处理得到的高程精度容易被自身因素和外界环境影响，在对GNSS静态观测数据进行处理时，应采用多种软件对其数据进行解算得到高程，再与水准测量高程进行对比分析。不同软件其解算结果也存在精度差异，只使用HGO软件包处理存在单方面的局限性。应在实验流程和数据处理中运用各种技术方法和数学模型，对其产生的误差进行消减，达到更准确、更高精度的观测值。有时要在GNSS静态观测中确定高程观测布设后尽可能确保静态观测符合技术指标，精度符合限差，消减或消除高程测量中的影响因素，确保静态观测技术的严谨性和精准度。

作者：堵景林 卢金存 刘海南 杨硕 王涛