淺談GPS系統的構成原理及在公路工程測量中的應用

【摘 要】隨著科學技術的不斷進步，科技應用需求的不斷增加，GPS以全天候、高精度、自動化、高效率等特點，以及其獨具的定位導航、授時校頻、精密測量等多方面的強大功能，已涉足眾多的應用領域，建立以GPS設備為硬件基礎的公路工程管理控制系統，使用信息數字化管理手段，為各種工程管理決策和各項現場管理措施，提供精細而可靠的整體解決方案。

【關鍵詞】GPS系統；公路工程測量；應用

隨著公路設計行業軟件技術和硬件設備的發展，公路設計已實現CAD化，目前公路勘測中雖已采用電子全站儀等先進儀器設備，但常規測量方法受橫向通視和作業條件的限制，作業強度大且效率低，大大延長了設計周期。勘測技術的進步在于設備引進和技術改造，在目前的技術條件下引入GPS技術應當是首選。結合部分數據資料，對GPS的構成原理以及在公路領域的應用作以淺顯的探討。

１．GPS簡介

GPS（Global Positioning System）又叫全球衛星定位系統，是目前最先進的衛星導航定位系統，該系統是以衛星為基礎的無線電導航定位系統，具有全能型（陸地、海洋、航空和航天）全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位、和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。GPS全球定位系統由空間衛星群和地面監控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛星接收設備。

1.1空間部分

GPS的空間部分是由24顆衛星組成（21顆工作衛星；3顆備用衛星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），軌道傾角為55°。衛星的軌道運行周期為11小時58分，衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息，GPS的衛星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。

1.2地面控制系統

地面控制系統由監測站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，并計算衛星星歷、相對距離，大氣校正等數據。

1.3用戶設備部分

用戶設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。

2.GPS系統的原理

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P點架設GPS接收機，在某一時刻Ti同時接收了3顆A、B、C以上的GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置三維坐標，從而用距離交會的方法求得 P點的三維坐標Xp，Yp，Zp，其數學式為：

SAP2={（Xp-XA）2+（Yp-YA）2+（zp+za）2}；

SBP2 ={（Xp-XB）2+（Yp-YB）2+（zp+zb）2}；

SCP2 ={（Xp-XC）2+（Yp-YC）2+（zp+zc）2}

式中（XA，YA，ZA）、（XB，YB，ZB）、（XC，YC，ZC）分別為衛星A、B、C 在時刻Ti的空間直角坐標。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，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統（如： WGS-84世界大地坐標系和1980年西安大地坐系）。在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換，這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理 GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛應用。

全球定位系統的主要特點：

（1）定位精度高。

應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6 m，100-500KM可達10-7m，1000KM可達10-9m。在300-1500M工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。

（2）觀測時間短。

隨著GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前20KM以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15KM以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

3.GPS系統在公路工程測量中的應用

3.1快速靜態定位模式

要求GPS接收機在每一流動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛星的同步觀測數據，實時解算整周未知數和用戶站的三維坐標，如果解算結果的變化趨于穩定，且其精度已滿足設計要求，便可以結束實時觀測。一般應用在控制測量中，如控制網加密;若采用常規測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區實施比較困難，而采用RTK技術可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5-10min，隨著技術的不斷發展，定位時間還會縮短，不及靜態測量所需時間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導線測量等控制點加密工作。

3.2實時動態（RTK）定位技術

以載波相位觀測值為根據的實時差分 GPS（RTK）技術，是GPS測量技術發展的一個新突破，在公路工程中也有廣闊的應用前景。

3.2.1繪制大比例尺地形圖

高等級公路選線多是在大比例尺（1:1000或1:2000）帶狀地形圖上進行。用傳統方法測圖，先要建立控制點，然后進行碎部測量，繪制成大比例尺地形圖。這種方法工作量大，速度慢，花費時間長。用實時GPS動態測量可以完全克服這個缺點，只需在沿線每個碎部點上停留一兩分鐘，即可獲得每點的坐標、高程。結合輸入的點特征編碼及屬性信息，構成帶狀所有碎部點的數據，在室內即可用繪圖軟件成圖。

3.2.2道路中線放樣

設計人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標定出來。采用實時GPS測量，只需將中樁點坐標輸入至GPS電子手簿中，系統軟件就會自動定出放樣點的點位。由于每個點測量都是獨立完成的，不會產生累計誤差。各點放樣精度趨于一致。

3.2.3道路的橫、縱斷放樣和土石方量計算

縱斷放樣時，先把需要放樣的數據輸入到電子手簿中，生成一個施工測設放樣點文件，并儲存起來，隨時可以到現場放樣測設；橫斷放樣時，先確定出橫斷面形式（填、挖、半填半挖）。然后把橫斷面設計數據輸入到電子手簿中，生成一個施工測設放樣點文件儲存起來，并隨時可以到現場放樣測設。同時軟件可以自動與地面線銜接進行“戴帽”工作，并利用“斷面法”進行土方量計算。

4.結束語

全球定位系統GPS是近年來開發的最具有開創意義的高新技術之一， 其全球性、全能性、全天候性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的應用。目前，GPS技術在我國公路工程和交通管理中的應用已經起步，相信隨著我國經濟的不斷發展，以及GPS技術的應用研究會逐步深入，其在道公路工程中的應用也會更加廣泛，并發揮更大的作用。

【參考文獻】

［１］陳俊勇，胡建國.建立中國差分GPS實時定位系統的思考.測繪工程，1998.

［２］周忠漠等著.GPS衛星測量原理與應用(第二版).北京測繪出版社，1997，1.