GPS在工程測量中的應(yīng)用

摘　要：簡述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測量原理，總結(jié)了GPS用于工程測量所具有的特點，介紹了GPS在工程測量中的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：GPS；工程測量；應(yīng)用實例

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國從20世紀70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，歷時20年，耗資200多億美元，分三階段研制，陸續(xù)投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用［1］，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到廣泛應(yīng)用。本文介紹GPS在山區(qū)工程測量中的應(yīng)用，并提出幾點體會。

1　GPS簡介

1．1　GPS構(gòu)成

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

（1）GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20 200 km，運行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達到9顆。

（2）GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān) 測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。

（3）GPS用戶設(shè)備由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計算機）等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運行，并對信號進行交換、放大和處理，再通過計算機和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機中心（測站點）的三維坐標(biāo)。

1．2　GPS定位原理

GPS定位是根據(jù)測量中的距離交會定點原理實現(xiàn)的［2］。在待測點Q設(shè)置GPS接收機，在某一時刻tk同時接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1、S2、S3所發(fā)出的信號。通過數(shù)據(jù)處理和計算，可求得該時刻接收機天線中心（測站點）至衛(wèi)星的距離ρ1、ρ2、ρ3。根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，從而由下式解算出Q點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）：

1．3　GPS測量的特點

相對于常規(guī)測量來說，GPS測量主要有以下特點：
①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規(guī)測量，在小于50 km的基線上，其相對定位精度可達1×10－6，在大于1 000 km的基線上可達1×10－8。
②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據(jù)實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。
③觀測時間短。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，靜態(tài)相對定位每站僅需20 min左右，動態(tài)相對定位僅需幾秒鐘。
④儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設(shè)定參數(shù)，接收機即可進行自動觀測和記錄。
⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續(xù)進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。
⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

2　應(yīng)用實例

2．1　工程概況

本文涉及的工程由某集團公司投資建造，是一個集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項目。工程位于城郊，占地66．7 hm2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占三分之二。最高處約90 m。山上樹木茂盛，地形復(fù)雜，通視困難，行走不便。為了該工程的設(shè)計和施工，需建立首級控制網(wǎng)�？紤]到工程復(fù)雜，工期較緊，測區(qū)通視困難，地形起伏大等因素，決定采用GPS測量。

2．2　GPS測量的技術(shù)設(shè)計

（1）設(shè)計依據(jù)　GPS測量的技術(shù)設(shè)計主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準《城市測量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》［3］及工程測量合同有關(guān)要求制定的。

（2）設(shè)計精度　根據(jù)工程需要和測區(qū)情況，選擇城市或工程二級GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)。要求平均邊長小于1 km，最弱邊相對中誤差小于1／10 000，GPS接收機標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15 mm，比例誤差系 數(shù)b≤20×10－6。

（3）設(shè)計基準和網(wǎng)形　如圖2所示，控制網(wǎng)共12個點，其中聯(lián)測已知平面控制點2個（I12，I13），高程控制點5個（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水準測得）。采用3臺GPS接收機觀測，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

（4）觀測計劃　根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報圖和幾何圖形強度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測時段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。

2．3　GPS測量的外業(yè)實施

（1）選點　GPS測量測站點之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續(xù)測量，選點時應(yīng)著重考慮：①每點最好與某一點通視，以便后續(xù)測量工作的使用；②點周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點位要遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；④點位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；⑤選點結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點之記。

（2）觀測　根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10 s。在3個點上同時安置3臺接收機天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機觀察，當(dāng)各項指標(biāo)達到要求時，按接收機的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿。

2．4　GPS測量的數(shù)據(jù)處理

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，采用隨機軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點的三維坐標(biāo)，其各項精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計要求。

3　結(jié)束語

通過GPS在測量中的應(yīng)用，得到如下體會。

（1）GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測區(qū)條件較差，邊長較短（平均邊長不到300 m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1／10 000。因此，當(dāng)精度要求較高時，應(yīng)避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。

（2）GPS接收機觀測基本實現(xiàn)了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強度，觀測質(zhì)量主要受觀測時衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過。因此，應(yīng)嚴格按有關(guān)要求選點，擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等設(shè)備的使用。

（3）GPS測量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測已知高程點較少（僅聯(lián)測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯(lián)測足夠的已知高程點。