摘要：GPS技术在测绘领域应用具有测量精度高，选点灵活，费用低，全天候作业，观测时间短等优点。为此，重庆江北国际机场航站区扩建工程控制测量引进了该项技术，采取“全面布设、逐级控制、组网平差、统一成果”的原则，利用测区附近的三等以上控制网点为已知点，对布设的新旧施工测量控制网进行分析研究，最后通过全站仪观测GPS网边长与反算边长进行比较表明，控制测量成果是可靠的，完全能满足工程建设的精度要求。
关键词：机场工程 GPS技术 控制测量
1 GPS概述
全球定位系统GPS(Navigation Timing and Ranging/Global Positioning System)， 是美国国防部于1993年底建成的“授时与测距导航/全球定位系统”的简称。是一种可以授时和测距的空间交会定点的军民两用卫星导航定位系统，可向用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息等技术参数。近年来，随着GPS技术的不断成熟发展，广泛用于我国测绘领域的大地测量、精密工程测量、航空摄影测量、地壳和建筑物形变监测、资源勘察、运载工具导航和管制、城市测绘等，并已开始用于交通运输、军事、海洋、航道、航测遥感、通讯、气象等领域。
1.1 GPS系统的组成
GPS主要由空间部分、地面控制部分和用户设备组成。
1.1.1 空间部分 GPS的空间部分由均匀分布在6个相对于赤道面倾角为550的近似圆形轨道上绕地球运行的21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，轨道面的夹角为600，每个轨道上有4颗卫星，卫星的平均高度为20200km。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的导航电文(信号)，其平均运行周期为11h58min，以确保全球任何地方在任何时侯都能同时接收到4颗以上卫星信号。
1.1.2 地面控制部分 GPS 的地面控制部分由分布在全球的一个主控站、五个监控站和三个注入站构成。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差和大气层修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，提供时间基准，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推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文及其他控制指令等数据注入到相应卫星的存储系统中，并监测注入信息的正确性。
1.1.3 用户设备 GPS的用户设备由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户终端设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接受GPS卫星发射的信号，利用信号进行导航定位等。
1.2 GPS的工作原理
1.2.1 GPS的基本定位原理
图1 GPS工作原理图
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 l示：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点的三维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学模型为：
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。
1.2.2 GPS坐标系统
GPS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,也称地固坐标系统,如在测绘领域常用的WGS—84(即Geodical System-84世界大地坐标系-84 )、1954年北京坐标系(简称P54)和1980年西安大地(简称C80),在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐坐标系标系统的变换,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.
1.3 GPS技术在测绘领域具有的特点
相对于常规的测量方法来讲,GPS技术具有以下特点：
1.3.1 测量定位精度高 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,观测的精度明显高于一般常规测量方法，GPS基线向量的相对精度一般在10-5～10-9之间。
1.3.2 选点灵活、费用低 GPS测量对测站间是否相互通视，以及控制网的几何图形均无严格要求，使得选点更加灵活方便,其作业成本低，同时也大大降低了布网费用。
1.3.3全天候全球性作业 在任何地点、任何时间、任何气候条件下均可以进行GPS连续观测，极大地方便了测量作业。
1.3.4 观测速度快 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。
1.3.5 功能齐全 在精确测定观测点平面位置坐标的同时,还可测定其大地高程。利用实时动态定位还能进行数字地形图的测绘及工程施工放样工作。
1.3.6 自动化程度高，操作简便 目前GPS接收机已趋于小型化和操作全自动化，作业人员只需将天线对中、整平、量取天线高，打开电源监测仪器工作状态及采集环境气象资料即可，捕获、跟踪和记录等自动完成，最后利用数据处理软件求得测点的三维坐标。
2 轨迹 GPS接收机技术指标
轨迹GPS接收机是集成化、自动化程度较高的精密测量定位系统，具有精确性、可靠性和简单性三大特性。其技术性能指标为：
(1) 接受主机、天线和电池组成一体化;
(2)数据传输借助红外无线通信口从主机传出，避免了需要通信电缆的麻烦;
(3)通常观测15~60分钟即达到所需精度要求，处理的基线长度可达20㎞;
(4)工作所需电池设计独特，使用时间可达50~100h以上;
(5)控制器的数据存储能力为4Mb(观测6个卫星，采样率为15秒时，可记录95小时);
(6)工作温度为-10~60℃，仪器总重仅1.1~1.4kg;
(7)测量精度为静态测量:平面5mm+l ppm 高程10 mm+1 ppm
RTK测量: 平面12 mm +2.5 ppm 高程15 mm + 2.5 ppm
3 GPS在机场工程控制测量中的应用
重庆江北机场航站区及配套设施扩建工程是重庆市政府和民航总局“十五”期间的重点建设项目，也是该机场投入运营以来最大的基础设施建设项目，全部占地面积达2500余亩，主要包括航站楼、停机坪、货运库、高架桥、消防中心、污水处理厂等19个子项工程，同时考虑即将上马的跑道延长工程需要，以及机场今后的发展规划，施工控制测量采用“全面布设、逐级控制、组网平差、统一成果”的原则，利用测区附近的已知控制点作为首级控制点进行加密控制，并对两次布网成果进行比较分析，最终形成统一的测量成果提交使用。
3.1 网形布设
1999年2月委托四川省第一测绘工程院沿210国道与机场之间建立了施工测量控制网(以下简称旧网)，其测量成果资料已广泛应用于航站区扩建工程的地质勘察、地形图测绘和土地征用等工作，同时航站楼、停机坪、高架桥等前期开工项目的放样定位、施工控制也以此为依据，但随着场区土石方平整工程的全面施工，许多测量控制点要么遭人为破坏，要么成了孤点，互不通视，也不便发展，无法满足后续工程项目的建设需要。2003年2月又委托国家测绘局第五地形队，在充分利用原有控制点测量成果的基础上，以樱桃湾、弼家坡和溜马寺为首级控制点，采用边连式、网连式构网的方法，按照D级GPS的技术要求进行重新组网改扩建，建立起新的施工测量加密控制网(以下简称新网)，见图2。
新旧控制网中的樱桃湾、弼家坡、寨子控制点是重庆市勘察院1993年3月为机场竣工测量的四等导线点成果，溜马寺是重庆市独立系二等三角控制测量成果，分别对其进行了距离检测，结果表明各点点位稳定，可作为起算点，旧网以樱桃湾、弼家坡、寨子为首级控制点，GC01～GC16、桩1～桩5为加密控制点。新网布设前现场踏勘时寨子点已遭破坏，于是以樱桃湾、弼家坡和溜马寺作为起算点，GP01～GP18为加密控制点，GC06、GC08、GC10、GC15为旧网成果点。
3.2 平面控制测量
平面控制测量采用载波相位静态GPS测量法，边连式构网观测。即根据预先设计的观测方案，将几台GPS接收机安置在构成同步环的待定点上同时接收卫星信号，各段数据采集时间≥60 Min，直到将所有环路观测完毕，然后进行基线向量的解算和网平差。新网的观测数据经平差计算到54北京坐标系的坐标，再经坐标转换后得到机场独立坐标系的坐标成果。
3.2.1 GPS网的技术要求
根据机场建设项目的技术特点并结合工程的实际考虑,平面控制采用GPS网D级标准建立施工测量控制点,选点、埋石及野外观测作业等均严格按照测量技术操作规程执行，相邻点最小距离为平均边长的1/2~1/3,最大距离为平均边长的2~3倍,GPS网主要的基本技术指标见表一。
表一 GPS网基本技术要求
3.2.2基线解算及检验
在野外数据的采集过程中，为了保证GPS网的精度，对观测时段的规范要求指标(见表二)均有适当提高，新设控制点18点，联测旧网控制点3点，观测基线101条，重复基线13条，构成多个独立异步环，全网平均边长为1214m,共观测18个时段，采用Project Manager 软件包的自动批处理程序进行基线向量解算，GPS网相邻点之间的观测精度 mm。同时选择参与平差所有独立基线组成具有代表性的异步环路进行较差检查验算，其相对闭合差均小于12pmm，精度满足要求，说明数据采集质量良好，观测时段长度合理，基线解算精度较高，无明显粗差，方案可行。
表二 GPS野外观测时段要求
3.2.3 组网平差结果比较
新网观测数据首先在WGS-84地心坐标系下进行三维无约束平差，全网最弱点溜马寺的平面点位中误差mx=9mm,my=11mm,大地高差中误差mh=18mm。之后，将GPS空间向量网变换至机场独立坐标系，再固定联测起算点樱桃湾、弼家坡和溜马寺坐标与旧网重合点GC06、GC08、GC10等进行比较(见表三)，结果发现检校点的坐标较差最大值为19mm，分析原因是新旧网引用起算点的不一致所造成,为确保旧网控制点测量成果的唯一性，决定采用樱桃湾、弼家坡、溜马寺和重合旧点GC06、GC08、GC10进行约束平差。约束平差后，GP09变成新网的最弱点,其点位中误差分别为mx=8mm,my=8mm,mz=13 mm,精度指标达到工程施工四等加密网的要求，可用于机场工程的建设。
表三 新旧网重合点坐标成果比较表
3.3 高程控制测量
新网的高程控制测量，系根据测区附近的国家一级水准导线点Ⅰ渝黔10、Ⅰ渝黔11为已知点，布设成二等水准闭合导线网，按照《国家一、二等水准测量规范》要求，使用DS05级水准仪DL101C进行往返观测，经平差计算后的最大点位误差为1.69㎜，最大点间误差为1.45㎜。
对于布设在房顶的GP02、GP02、GP07，显然无法进行二等水准连测，遂以GC06、GP06、GP03、GP10四个水准点为起算点，按四等测距高程导线进行连测，所用仪器为TC1800全站仪，垂直角往返三测回，距离往返两测回，仪高量两次取中数，加气温、气压改正，经严密平差计算后每公里高差中误差M=8.97㎜/㎞<10㎜/㎞(规范限差)，最大节点高程中误差为3.4㎜
4 GPS网的精度检测
为了检验新建GPS施工控制网测量成果的准确性，我们利用高精度(1″级)徕卡全站仪TC1800对GPS网的部分边长进行检查，检查结果见表四所示，其中的实测平距为全站仪施测值加温度、气压等改正数得来，反算平距为GPS平差成果的坐标反算边长值，边长的相对中误差均小于1/4.5万,达到四等加密施工控制网的技术要求。
表四 GPS网部分边长成果检测表
5 结束语
通过GPS技术建立起的施工控制网测量成果,可满足机场建设工程四等加密网的精度要求,但在平差计算时要注意观测量权的配置,以进一步提高施工测量控制网点的点位精度。同时，测区高等级已知控制点的选择应考虑整个施工控制网图形的合理布设。
(本文刊登在《机场建设》2003年第四期头版)
（本文仅代表作者观点，中国民用航空网保持中立。）
