全球定位系統在工程測量中的應用研究

任幼萍

摘要：20世紀80年代以來，隨著GPS定位技術的出現和不斷發展完善，使測繪定位技術發生了巨大的變革，為工程測量提供了嶄新的技術手段和方法。本文簡述了全球定位系統(GPS)的基本結構和測量原理，總結了GPS用于工程測量所具有的特點，介紹了GPS在工程測量中的應用。

關鍵詞：GPS；工程測量；衛星

1 前言

全球定位系統的全稱是導航衛星定時測距/全球定位系統（Navigation Satellite Timing andRanging/Global positioning System）通常所說的GPS是其字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它是一種可以通過定時和測距進行空間交會定點的導航系統，可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。GPS定位在工程測量中有很大的應用潛力。近年來，GPS接收機的小型化、小功耗給GPS用于工程測量提供了有利的硬件條件。在軟件方面，GPS快速定位方法也有較大的進展，這些都促使GPS在工程測量中得到較廣泛的應用。實踐證明，在縮短工期、降低成本和設計的靈活性方面，GPS技術較常規技術有不少優越之處。

2 GPS在工程測量中的優點

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便，這樣可節省大量的造標準費用。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1×10-6，而紅外儀標稱精度為5mm+5×10-6，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。實驗證明，在＜50km的基線上，其相對定位精度可達12×0-6，而在100～500km的基線上可達10-7～10-6。

2.3 觀測時間短，人力消耗少。用GPS進行靜態相對定位，在＜20km的短基線上，快速相對定位一般只需15～20min；進行動態相對定位測量時，在初始化工作完成后，流動站可隨時定位，每站觀測僅需幾秒鐘。

2.4 提供三維坐標。GPS測量在測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務是安裝并形狀儀器、量取儀器高和監視儀器的工作，而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

2.6 全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。公路路線一般處在一條帶狀走廊內，其平面控制測量往往采用導線形式，這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造物如大橋、特大橋、長大隧道等，也有布設成三角網、線形鎖等形式。

3 GPS工程測量應用

3.1 適用范圍

很多工程測量任務可以使用GPS定位技術實施。例如，城市控制網，按我國的實測估計，可節省經費1/3到1/2，且可縮短工期。又如隧道控制測量，往往山高林密，常規方法施測困難，更可發揮GPS不需通視和跨度可長可短的優點。有些變形測量則可充分利用GPS高精度、高效率和布測靈活的特點。

盡管在主要技術方面工程測量應用和精密控制測量應用沒有什么原則不同，但工程測量一般要求不很高（有些工程測量也有較高或很高的精度要求），效率往往成為主要的問題，工程測量中邊長較短，交通條件較好，一般GPS相對定位所需較長觀測時間影響了效率的提高。快速GPS定位就是在這一背景下發展的。工程測量的另一點不同是，它往往不要求全國或很大范圍的統一的、高精度的坐標系統，但往往要求與原采用地方坐標系一致。也就是說，它常常不要求使用WGS-84坐標系而要求使用已有的局部坐標系，這就在數據處理方面提出了不同的要求。

工程測量往往不使用大地高，更多的是使用水準高程，這里的水準高程是指我國使用的正常高。GPS定位所得到的是大地高，大地高H與正常高Hr有如下關系H=Hr+?灼

?灼為似大地水準面與橢球面之間的高差，稱為高程異常。對于高程差有：△H=△Hr+△?灼

在高山區，這種高程異常較大，平原地區則要小的多。

3.2 GPS的走——停定位

模糊參數確定后快速定位法可以采用一定的方法確定模糊參數，稱為初始化。確定之后接收機保持盥洗室狀態，此時模糊參數不變，為已知，就可以在不長的觀測時間內取得較好的定位解。這種方法有的稱為準動態定位，有的稱為走——停定位。

它的具體做法是：

（1）在一條基線上使用2臺接收機進行初始化，可以是較長的觀測時間（如45分鐘）以取得基線解和整形約束的模糊參數解。

（2）一臺接收機在已知點始終不動，另一臺接收機不關機，遷至新的待定點并觀測幾分鐘，不關機再遷至一待定點，依次類推。

究其本質，這一方法仍屬靜態定位，其解算并無特殊之處，只是將初始經所確定的模糊參數作為已知數的定位解。由于觀測時間很短，通常采用較高的采樣率以削弱機誤差的影響。

快速定位的初始化。如前所述，快速定位的初始化是為了確定模糊參數，可以是在一個基線上進行一段幾十分鐘的通常的定位觀測，還可以用交換無線的方法進行初始化，具體做法是兩臺接收機分別置于一基線的兩端點，觀測幾分鐘，兩接收在不關機情況下交換所占點位，再觀測幾分鐘即可解出模糊參數。

4 GPS在工程測量實施中的注意事項

4.1 開機后必須等衛星燈慢閃，表示正在跟蹤4顆或4顆以上衛星后才可以按下數據存儲鍵。

4.2 數據存儲燈開始會長亮表示正在存儲，然后慢閃表示已存儲快速靜態數據；需要注意的是外業觀測過程中應時常注意查看數據存儲電池LED指示燈，如果數據存儲燈快閃表示正在存儲但數據快滿，燈熄表示停止存儲，數據PC卡已滿；電池LED指示燈綠色表示正在使用，黃色表示正待用，常亮表示夠用，綠燈慢閃表示低電，黃燈慢閃表示壞的，燈關閉表示無電。

4.3 外業觀測后應及時導出所測數據，刪除多余數據并為第二天留出記錄空間。

4.4 GPS儀器的選用要選擇精度不低于基線精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6，性能較為穩定且受外界環境因素影響小的GPS。

4.5 GPS高程測量觀測時要充分考慮影響GPS測量精度，諸如GPS圖形結構、電離層影響、正確量取天線高度等因素。最大程度地減少誤差影響。

4.6 外業實施過程中，要經常連測一些已知水準點，隨時進行高程比較，以避免氣候等不確定因素引起的觀測數據粗差。

4.7 GPS高層測量雖然經過科學的數據處理可以保證精度滿足需要，但由于搜集或科學或建立測區重力成果，數字高程模型，重力場模型等資料不是一件輕而易舉的事情，況且GPS高程測量數據經過處理才能達到相應等級的高程精度，再者相關規范也明確規定，所以建議在生產中應有選擇地使用GPS高程測量技術。