简述GPS技术在工程测量中的应用

Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为"球位系".GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 .其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

　　GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势： 测量精度高； 操作简便，仪器体积小，便于携带； 全天候操作；观测点之间无须通视；测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。 当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。本文介绍GPS在山区工程测量中的应用，并提出几点体会。

　　1、GPS简介

　　1.1GPS构成

　　GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

　　（1）GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55°。此外，还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

　　（2）地面控制系统由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

 

　　（3）用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。

　　1.2GPS定位原理

　　GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的[2].如图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3.根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj,Yj,Zj），j=1,2,3,从而由下式解算出Q点的三维坐标（X,Y,Z）：

 

 

　　1.3GPS测量的特点

　　相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10-6,在大于1000km的基线上可达1×10-8.②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。
 

 

　　2、应用实例

　　2.1工程概况

　　本文涉及的工程由某集团公司投资建造，是一个集休闲、娱乐、旅游、渡假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊，占地66.7hm2多，属两山夹一沟地形，山地面积约占三分之二。最高处约90m.山上树木茂盛，地形复杂，通视困难，行走不便。为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏大等因素，决定采用GPS测量。

　　2.2GPS测量的技术设计

　　（1）设计依据GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》[3]及工程测量合同有关要求制定的。

　　（2）设计精度根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1km,最弱边相对中误差小于1/10000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm,比例误差系数b≤20×10-6.

 

 

　　（3）设计基准和网形如图2所示，控制网共12个点，其中联测已知平面控制点2个（I12,I13），高程控制点5个（I12,I13,105,109,110,其高程由四等水准测得）。采用3台GPS接收机观测，网形布设成边连式。

　　（4）观测计划根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。

　　2.3GPS测量的外业实施

　　（1）选点GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。

　　（2）观测根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min,采样间隔10s.在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。

　　2.4GPS测量的数据处理

　　GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标（见表1），其各项精度指标符合技术设计要求。

 

 

　　3、结束语

　　通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。

　　（1）GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1/10000.因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。

　　（2）GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。

　　（3）GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少（仅联测5个），致使的控制点高程精度较低。因此，要保证控制点高程的精度，必须联测足够的已知高程点。