工程測量中GPS測量技術的優、缺點

李震章 代洪君

（1、牡丹江市市政工程設計研究院有限責任公司，黑龍江 牡丹江 157000 2、黑龍江地理信息工程院，黑龍江 牡丹江 157000）

GPS全稱為全球定位系統（Global Position System），硬件是由環球通訊衛星和接收裝置組成，基于衛星的無線電導航定位系統，為用戶提供精密的三維坐標、導航與時間信息。隨著地球的數字化進程，微電子技術和GIS技術獲得重大進展，衛星導航、定位的理論已趨成熟，同時各個領域都需要掌握對空間資料的處理和利用的基本技術，GPS將作為通用設備越來越多地應用于科研和民用領域。

1 GPS系統由3部分組成：

1.1 空間部分：主動式工作衛星：26顆衛星分布6個橢圓軌道上，長半軸26600km，高度20200km，時間基準10-12?/FONT>10-13秒。

1.2 控制部分：軌道預報（監測和控制衛星系統），確定系統時間，預報衛星星歷、衛星鐘狀態，更新衛星導航電文。

1.3 用戶部分：不同類型的接收機（由帶前置放大器的天線、信號識別和處理的射頻倉、微處理器、精密振蕩器、電源、顯示屏、內存和數據存儲器組成）。

2 觀測原理和信號結構：

2.1 基本觀測量：衛星發射天線和接收機天線間信號傳播時間。

2.2 偽距測量由時間系統同步誤差參數決定。

2.3 軌道確定和描述保證衛星精確定位。

3 GPS系統的應用

3.1 在科學研究方面，利用GPS的觀測精度（毫米級）和時空分辨率監測地球的動態變化，從而剖析地球內部和地殼、大氣層、海洋等的變化情況；同時利用衛星軌道的測定和影響參數的分析可對地球引力系數，自轉、潮汐、大氣、電離層等參數進行研究。GPS系統的廣泛應用大大推進了地球科學及地震、氣象、海洋等各相關科學的發展。

目前中國首期地殼運動觀測GPS網絡工程已經完成。國家地震局、總參測繪局和科學院等部門聯合在全國各地建立了25個連續觀測基準站、56個定期復測基準站和1000多個不定期復測站，通過對大地板塊進行以毫米/年為單位的長期測量，分析地殼運動規律，從而開展地震預報、大地測量和國防等方面的研究工作。

3.2 在政府管理和民用領域，GPS的導航和動態定位測量等功能得到廣泛應用。如在針對各類災害的預防和快速反應上，如地震、森林火災、水災等，可以快速確定發災地點、受災范圍和災情的發展趨勢。在交通、環保、城市規劃、水利和旅游等方面GPS獲得了廣泛的運用。

4 GPS測量的優點

4.1 采用GPS技術測設方格網，比常規方法適應性更強

網形構造簡單，點的疏密和邊的長短可靈活選取，即使離已知控制點較遠也可以連接，并進行控制網的定位和定向。另外，它解決了點位之間無法通視的困難，選點靈活，不需要高標，同時還可以保證外業施測不受天氣影響。測設大型(長邊)方格網和通視條件特別困難時，尤其能夠顯示其優越性。盡管GPS本身在進行測量時不受到通視條件的限制，但是，工程測量一般為小范圍測量并受到工程成本的限制。因此，在實際的工程測量中，仍然要考慮使用全站儀、經緯儀、水準儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點與點之間相互通視，特別是在布設控制網時，點與點不能通視將會給測量工作帶來較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網中，如果點與點不通視，勢必影響網的強度和精度，進而影響到橋梁本身的精度。因此，在工程測量中布設GPS控制網時，必要時應當盡量使較多的點互相通視。

4.2 GPS方格網點位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規范要求，而且具有較大的精度儲備。

4.3 采用點位中誤差作為方格網測量精度指標是可行的，它比用相對中誤差表示精度指標更為合理。

4.4 采用GPS方法布設大地控制網，因其圖形強度系數高，能夠有效地提高點位趨近速度。網形優化比較方便。

4.5 采用GPS-RTK測設建筑方格網與常規測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業人員的勞動強度。一個參考站可有多臺流動站作業，流動站不需基準站指揮，單人即可獨立作業。

5 GPS技術的不足

5.1 GPS系統精確定位的關鍵就在于對衛星和接收機之間距離的準確計算，按照固定模式：距離=速度×時間，時間確定之后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態，信號要受到電離層和對流層的重重干擾。GPS系統只能對此進行平均計算，在某些具體區域肯定存在誤差；在大城市或山區由于高層建筑物及樹木等對信號的影響，也會導致信號的非直線傳播，計算時也會引入一定的誤差；

5.2 與常規儀器進行的控制測量一樣，使用GPS-RTK技術應首先復核起算基準點的精度，起算點應為高等級的控制點，并且起算基準點和觀測點之間具有較好的位置分布。當使用動態GPS-RTK進行觀測時，基準站的精度要經過3-5個高等級控制點的連測、復核，確保基準站坐標在各個方位觀測情況下具有一致的精度。

5.3 大量的工程實例證明，雖然GPS高程測量能夠達到一定的精度，但用GPS施測的市政工程測量控制點，應進一步用常規儀器進行水準聯測，保證高程精度滿足市政工程建設的需要。

5.4 GPS測量中所選擇的控制點位置的差異直接影響到觀測點位的精度。由于GPS測量是通過接收衛星發射的信號經過數據處理而得到點位坐標(包括高程)的，任何可能影響信號接收的因素出現干擾時，所測定的點位坐標都可能產生誤差。為此，在選擇測量點位時應注意以下幾點：點位視野開闊，向上15°，視角范圍內應盡量避免有障礙物；盡量遠離大功率無線電發射源，間距應不小于400m，遠離高壓輸電線路，間距應不小于200m；遠離具有強烈干擾衛星信號接收的物體，并盡量避開大面積的水域。

5.5 GPS測量更適用于視野開闊、障礙物較少的新區建設、野外勘探定位等，在老城區的建設中，使用GPS測量，或者接收不到信號，或者雖接收到信號，但一直處于浮動狀態，出現假固定或者不能固定，因此所得數據往往誤差較大，既無效率，又無精度，不能顯示出GPS測量的優越性。

5.6 GPS測量成果與常規測量成果之間，不同型號GPS測量成果之間存在差異，有時相差比較大。GPS網在進行平差計算時，邊長一般需要進行兩項改正：歸算至大地水準面的改正；歸算到高斯投影面上的改正。二維聯臺平差模型不能解決平面位置與高程位置統一的問題，而三維聯臺平差模型是一個多功能的可實現平差模型轉換的高級平差系統，平差得到的結果是點的三維空間位置及其精度，這對于點位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯合平差時，需要地面點有相應精度要求的大地高觀測值，這在某些情況下是難以實現的。

5.7 GPS及其相關技術是一門新興起的技術，其運用的規范標準還不夠完善，目前我國還沒有頒布統一的地理信息標準，導航產品生產商大多使用自己開發生產的電子地圖，這些電子地圖一般相互不兼容。另外，產品沒有統一的標準規范，產品市場沒有形成標準，特別是軟件產品沒有形成統一的規范。這還待有關部門進一步研究制定。

6 結束語

在當前，空間信息數據是政府部門決策和行業發展規劃的重要依據，是網絡高速公路上的主流內容之一。利用GPS進行數據更新具有及時、高效、高精度、不受惡劣環境氣候影響等優勢，未來的幾年內，GPS連續觀測基準站將會遍布全國，任何地區都可以實現實時測量，GPS作為一種便捷的科學工具將在空間科學領域獲得廣泛的應用。

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，王澤民.GPS測量原理及應用[M].武漢測繪科技大學出版社，2000

[2]吉星升，董軍.《GPS技術在工程測量中應用現狀及其局限性》中國測量，2002，6.

[3]吳英浩《GPS在工程測量中應用的幾點體會》中國市政工程-2005年2期.