GPS在工程測量中的應用

陳綠爽

（揭陽市華維規劃勘測大隊，廣東 揭陽 522000）

引言

全球定位系統 (簡稱GPS)是美國1973年12月開始研制用于軍事部門的新一代衛星導航與定位系統。GPS是以衛星為基礎的無線電衛星導航系統，它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的精密導航與定位功能，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、城市測量等測繪領域得到了應用，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領域展開了研究并得到了廣泛應用。本文介紹GPS在市區工程測量中的應用，并提出幾點體會。

1 GPS的工作原理

1.1 GPS構成

GPS主要由工作衛星、地面監控系統及用戶設備三部分構成。1GPS空間衛星由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道平面的傾角為55°，衛星的平面高度為20200km，運行周期為11h58min。衛星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續不斷的發送導航定位信號，導航定位信號中含有衛星的位置信息，使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，高度角15°以上的天空能同時觀測到4顆以上衛星。GPS地面監控站主要分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站根據各監測站對GPS衛星的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。GPS用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算機）等組成。GPS接收機可捕獲衛星的信號，跟蹤并鎖定衛星信號，并對信號進行交換、放大和處理，再通過計算機和相應軟件，以基線解算、網平差，求出GPS接收機天線中收的三維坐標、速度和時間。

1.2 GPS定位原理

GPS系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置點架設GPS接收機，在某一時刻同時接收了3顆以上的GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的三維坐標位置。從而用距離交會的方法求得該點的三維坐標。

在GPS測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在工程測量中常用地固坐標系統。

1.3 GPS測量的特點

相對于常規測量來說，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測量，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達1×10-8。②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互能視，可根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，靜態定位每站僅需20min左右，動態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定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄。⑤全天候作業。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測，一般不受天氣狀況影響。⑥提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

2 GPS在工程測量的應用實例

2.1 工程概況

本工程為某市新開發區，該區位于市南側，占地面積約12Km2，開發區用地均為小山包及一些旱園，區內未布設控制點，本次為加快開發區建設，計劃建設道路5km。道路呈丁字型分布，考慮到開發區樹木茂盛、地形復雜、通視困難，行走不便，該工程復雜工期較緊，通視困難決定采用GPS測量。

2.2 GPS測量的技術設計

設計依據 GPS測量的技術設計主要依據1999年建設部發布的行業標準《城市測量規范》、GB/T19314-2001標準《全球定位系統城市測量技術規程》及工程測量合同有關要求制定的。設計精度根據工程需要和測區情況，選擇城市或工程二級GPS網作為測區首級控制網。要求平均邊長小于1km，最弱邊相對中誤差小于1/10000，GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數b≤20×10-6。

設計基準和網形如下圖所示，控制網共7個點，其中聯測已知平面控制點3個,采用3臺GPS接收機觀測，網形布設成邊連式，利用靜態觀測，求出測區內待定點3個，作為本工程的首級點，在工程規劃、設計、施工階段，利用本次求出的首級點，用動態觀測，對本工程進行測設。

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

2.3 GPS測量的外業實施

選點。GPS測量測站點之間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續測量，選點時應著重考慮:①每點最好與某一點通視，以便后續測量工作的使用；②點周圍高度為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射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；④點位應選在視野開闊、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選項點結束后，按要求埋設標石，并填寫點之記。

觀測。根據GPS作業調度表的安排進行觀測，采用靜態相對定位，衛星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。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，測量氣象數據，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關數據，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿。

2.4 GPS測量的數據數據處理

GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段，采用隨機軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，得到GPS控制點的三維坐標（見表1），其各項精度指標符合技術設計要求。

表1 GPS測量成導表

3 結束語

通過GPS在測量中的應用，得到如下體會。

GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優越性。但由于測區條件較差，邊長較短（平均邊長不到300m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1/10000。因此，當精度要求較高時，應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。

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

GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度，即可方便地求出符合精度的控制點三維坐標。

[1]《測量學》

[2]《GPS衛星測量原理與應用》