淺談GPS衛星定位技術傳播應用

摘要:進入21世紀90年代以來，全球定位系統在應用領域的研究取得了迅速進展，GPS技術逐漸傳播到經濟建設和科學技術的許多領域。土地測量是我國經濟建設中一項不可或缺的工作，以往的測繪手段存在很大的局限性，隨著GPS技術的發展利用，它在土地測繪中起到必不可少的作用，筆者主要從以下幾個方面去探討GPS技術在土地測量中的傳播應用。

關鍵詞:GPS衛星定位技術;土地測量;應用

中圖分類號:N39文獻標識碼:A文章編號:1672-8122(2010)09-0191-02

GPS是目前世界上最先進、最完善的衛星導航與定位系統，它不僅具有全球性、全天候、實時精密三維導航與定位的能力，而且具有良好的抗干擾性和保密性，因此引起世界各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關注。由于GPS定位技術的高度自動化及其所達到的高精度和具有的潛力，也引起測繪界的高度重視，尤其是在近幾年來GPS定位技術在應用基礎的研究、新應用領域的開拓、軟件和硬件的開發等方面都取得了迅速發展。廣泛的科學試驗活動也為這一新技術的應用展現了極為廣闊的前景。

目前，GPS精密定位技術已廣泛的滲透到經濟建設和科學技術的許多領域，特別是在大地測量及其相關學科領域，如地球動力學、海洋大地測量學、地球物理勘探、資源勘察、航空與衛星遙感、工程測量學等方面的廣泛應用，充分地顯示了這一衛星定位技術的高精度和高效益。

一、傳統監測方法的弊端

傳統的野外監測采用的是簡易補測法或平板儀補測法。近代采用的遙感手段在土地利用現狀監測中，雖然對于宏觀變化有很強的適用性，但受限于成像條件和地形環境，目前還不能全面及時地反映動態的變化，特別在微觀監測方面仍多采用傳統技術方法。簡易補測法就是利用變更地物與周圍明顯地物之間的相關位置關系，使用皮尺或鋼尺根據比較法、截距法、延長線截距法、距離交會法、直角坐標法等幾何方法來進行實測丈量。簡易補測法只適用于小范圍變更且變更地物周圍有明顯地物點的情況。當已知明顯地物點較少，變更范圍較大的地區，傳統的監測方法是采用平板儀補測。平板儀補測法速度慢、效率低，并且實施過程中易受主觀因素干擾，使精度不能保持穩定，影響監測成果質量。應用手持差分型GPS接收機，采用最新衛星定位技術，將使監測速度和精度大大提高，克服了傳統監測方法的種種弊端，省時省工，適用于各種各樣復雜的變更情況，真正地實現了動態監測的實時性和數值化，保證了土地利用現狀調查的現時性。目前，國內土地動態監測系統還不完善，由此，把尖端的GPS技術應用于土地利用動態監測的大膽嘗試，將大大加快動態監測的進程，為形成實時、高效的動態監測體系奠定基礎。

二、GPS定位技術在大地測量中的優點

近年來，GPS精密定位技術在我國得到廣泛應用[1]。在大地測量、工程測量與變形測量、資源勘察及地殼運動監測等許多方面都取得了良好效果和成功經驗，充分地證明了GPS精密定位技術的優越性和巨大潛力。在21世紀，GPS導航與定位技術將會獲得進一步的發展，應用將更為廣泛，效益會更為顯著，將為我國的經濟建設、國防建設的發展和科學技術的進步發揮更大的作用。

GPS衛星定位技術與常規測量相比，具有以下優點:

1.GPS點之間不要求相互通視，對GPS網的幾何圖形也沒有嚴格要求，從而使GPS點位的選擇更為靈活，可以自由布設。

2.定位精度高。目前，采用載波相位進行相對定位，精度可達1×10-6。

3.觀測速度快。目前，利用靜態定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據要求的精度不同，一般為1～3h。如果采用快速靜態相對定位技術，觀測時間可縮短至數分鐘。

4.功能齊全。GPS測量可同時測定測點的平面位置和高程。采用實時動態測量還可進行施工放樣。

5.操作簡便。GPS測量的自動化程度很高，作業員在觀測中只需安置和開啟、關閉儀器、量取天線高度、監視儀器的工作狀態及采集環境的氣象數據，而其他(如捕獲、跟蹤)觀測衛星和記錄觀測數據等一系列測量工作均由儀器自動完成。

6.全天候、全球性作業。由于GPS衛星有24顆分布合理，在地球上任何地點、任何時刻均可連續同步觀測到4顆以上衛星，因此在任何地點、任何時間均可進行GPS測量。GPS測量一般不受天氣狀況的影響。

三、GPS衛星定位的基本原理

GPS衛星定位原理是空間距離交會法。根據測距原理，其定位方法主要有偽距法定位、載波相位測量定位和GPS差分定位。對于待定點位，根據其運動狀態可分為靜態定位和動態定位。

靜態定位是指用GPS測定相對于地球不運動的點位。GPS接收機安置在該點上，接收數分鐘乃至更長時間，以確定其三維坐標，又稱為絕對定位。

動態定位是確定運動物體的三維坐標。

若將兩臺或兩臺以上GPS接收機分別安置在固定不變的待定點上，通過同步接收衛星信號，確定待測點之間的相對位置，稱為相對定位。

GPS接收機接收的衛星信號有偽距觀測值、載波相位觀測值及衛星廣播星歷。利用偽距和載波相位均可進行靜態定位。利用偽距定位精度較低。高精度定位常采用載波相位觀測值的各種線性組合，即差分，以減弱衛星軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差、電離層和對流層延遲等誤差影響。這樣獲得的兩點間的坐標差即基線向量，其測量精度可達到±(5mm+1×10-6D)，D為相鄰點間距離，以km為單位。

四、GPS測量的作業模式

GPS測量的作業模式是指利用GPS定位技術確定觀測站之間相對位置所采用的作業方式，它與GPS接收設備的硬件和軟件密切相關。不同的作業模式，其作業方法、觀測時間及應用范圍亦不同[2]。

今年來，由于GPS測量數據處理軟件系統的發展，目前已有多種作業模式可供選擇。作業模式主要有靜態定位、快速靜態定位、準動態定位及動態定位等。

(一)靜態定位模式

靜態定位模式是將GPS接收機安置在基線端點上，觀測中保持固定不動，以便能通過重復觀測取得足夠多的觀測數據，以提高定位的精度。這種作業模式一般是采用兩套或兩套以上GPS接收設備，分別安置在一條或數條基線的端點上，同步觀測4顆以上衛星。可觀測數個時段，每個時段長1～3h。靜態定位一般采用載波相位觀測量。靜態定位模式所觀測的基線邊應構成某種閉合圖形，這樣有利于觀測成果的驗核，增加網的強度，提高成果的可靠性及平差后的精度。靜態定位測量是當前GPS測量中精度最高的作業模式。

(二)快速靜態定位模式

快速靜態定位模式是在測區的中部選擇一個基準站，并安置一臺接收機，連續跟蹤所有可見衛星;另一臺接收機依次到各點流動設站，并且在每個流動站上靜止觀測數分鐘，以快速解算法解算整周未知數。這種作業模式要求在觀測中必須至少跟蹤4顆衛星，而且流動站距基準站一般不少過15km。由于流動站的接收機在遷站過程中無須保持對所測衛星的連續跟蹤，因而可以關閉電源以節約電能。這種作業模式觀測速度快，精度也較高，流動站相對基準站的基線中誤差可達±[(5～10)mm+1×10-6D]，但由于直接觀測邊不夠成閉合圖形，所以缺少核驗條件。因此，快速靜態定位一般用于工程控制測量及其加密、地籍測量和碎部測量等。

(三)準動態定位模式

在測區選擇一基準站，安置接收機連續跟蹤所有可見衛星，另一臺接收機為流動站的接收機。該作業模式在作業時必須至少有4顆以上的衛星可供觀測。在觀測過程中，流動的接收機對所測衛星信號不能失鎖，如果發生失鎖現象，應在失鎖后的流動點上，將觀測時間延長至數分鐘。流動點與基準站距離不超過15km。準動態定位適用于開闊地區的控制點加密、路線測量、工程定位及碎部測量等。

(四)動態定位模式

先建立一個基準站，并在其上安置接收機連續跟蹤觀測所有可見衛星。另一臺接收機安裝在運動的載體上，在出發點靜止觀測數分鐘，以便快速解算整周未知數。動態定位的觀測速度快，并可實現載體的連續實時定位。運動點相對基準站的基線精度一般可達±[(10～20)mm+1×10-6D]，適用于測定運動目標的軌跡、路線中線測量、開闊地區的斷面測量及航道測量。

五、GPS測量的實施

GPS測量按照其性質可分為外業和內業兩部分。外業工作主要包括選點、野外觀測工作及成果質量檢核等，內業工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數據處理及技術總結等。

(一)GPS測量的外業實施

GPS選點測量測站點之間不要求一定通視，而且網的圖形選擇也比較靈活，正由于GPS具有布點靈活、全天候、速度快、精度高等優點，才使GPS技術在國內各省市的城鎮地籍控制測量中得以廣泛應用。所以選點工作遠較傳統的控制測量選點工作簡便。但考慮測量的特殊性，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.選點結束后，按要求埋設標石，并填寫點之記。

(二)GPS測量的內業實施

內業實施就是根據已知的起始數據和外業的觀測成果、記錄各種參數進行計算或繪制圖象，提出科學的設計、規劃方案。

初期的土地勘測定界主要使用常規測量儀器，它們存在觀測范圍小、測量精度低、測程短、受外界環境和人為因素影響較大等缺陷，同時外業工作量大、勞動強度高。隨著GPS技術的出現，GPS技術己成為現代測繪技術的重要組成部分，同時也在土地勘測定界工作上的應用越來越廣泛，它不僅能快速、高效地完成各項勘界工作，而且能夠保證土地勘界成果的準確性和正確性。

參考文獻:

[1]何習平.測量技術基礎[M].重慶:重慶大學出版社，2004.

[2]馮曉.現代工程測量儀器應用手冊[M].北京:人民交通出版社，2005.