芻議測量工作中GPS的應用及原理

于思博

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 GPS 在測量領域的應用

對于測量工作來說，必須滿足一定的精度，而導航定位并不適用，因此，需要采用相對定位的方式進行測量，即在工作中適用兩臺以上的GPS 接收機進行作業［1］。相對定位的優勢在于，工作中不同接收機之間的誤差特性是相同的，因此在差分解算時可以有效的將這些誤差特性相互抵消，從而可以求出不同接收機之間的高精度的相對坐標。在日常的測量工作中，通常固定一臺GPS 接收機位置不動，此接收機作為已知站，其它接受機作為未知站，其方式可以分為固定與流動兩種。接收機在同時接收衛星信號的同時，固定站將觀測到的數據傳送給流動站，移動站以為基礎與自身觀測數據兩者進行差分解算，這樣就可以算出兩者的相對位置，且具有較高的精度［2］。

在測量上，差分形式分為3 種類型:

1)實時差分。其意義是指在運動中利用偽距進行實時差分的解算，其結果精度為米級。

2)靜態測量。其意義是指以靜態的采集載波相位為基礎，對此進行相應的處理，其結果精度為毫米級。

3)實時動態。其意義是指在運動中利用載波相位進行實時差分的解算，其結果精度為厘米級。

與傳統的測量相比，GPS 測量有如下幾點特點:操作簡單、觀測時間短、測站間不需要通視、全天候、定位精度高等。

正是因為GPS 具有種種的優點，因此它已經成為了測量領域中不可缺少的儀器之一。例如，現階段工程中的控制測量;水上測量;地形測量等等。GPS 作為現今測量的前沿科學，與遙感、地理信息系統統成為3S。GPS 主要應用在以下4個方面:

1)陸地應用。包括工程測量中的施工放樣、車輛行駛速度的監測、大氣的物理監測、建筑物的變形監測等。

2)航空應用。包括攝影與遙感測量、飛機的自主導航、飛機探測災區大小的測量等。

3)海洋應用。包括水文測量、航海線路的測定、海底大地控制網的布設等。

4)航天應用。包括載人航天器的在軌防護探測、低軌通訊衛星群的實時軌道測量等［3］。

2 GPS 衛星定位的原理

在測量學中，確定點的位置可以用交會法，而無線電導航定位系統與衛星激光測距定位系統其原理也是與之相似的。無線電波導航定位的原理是假設在地面的某3個位置建有無線電信號發射臺，而且3個點的坐標是已知的，GPS 接收機以無線電測距的方法測得了與電臺的距離，那么如果以電臺為中心，以距離為半徑，分別建立3個圓球，則其球面的焦點即是接收機所處的空間位置［4］。如果僅有兩個發射臺，那么可以交會出平面位置。

此種方法可以被廣泛的應用到飛機與船只的導航定位。

衛星激光定位也是應用了交會定位的原理。雖然衛星是處在不斷的運動當中，但是如果地面上的三個已知點同時對衛星進行觀測，那么就可以解算出衛星的三維坐標，此時假如地面上還有一個點同時對三個衛星進行觀測，那么就可以利用解算出的三維坐標求出該點的實際位置。

將衛星與無線電信號發射臺相結合，形成衛星定位導航系統，根據無線電測距交會的原理，以地面上3個已知點解算出衛星的空間位置，從而用衛星實際的空間位置計算地面為支點的坐標。這就是GPS 衛星定位的基本原理。

GPS 衛星發射出的信號中含有測距信號與導航電文，而導航電文中包含著衛星所處的位置信息。用戶使用GPS 接收機在某一時刻接收三顆以上的衛星所發射的信息，從而解算該點與衛星相距的距離并求出GPS 衛星的空間位置，據此用交會法求出未知點的位置。

在GPS 的定位過程中，其衛星的坐標值是不斷的變化的。因此需要實時地根據衛星的信號解算測站與衛星間的實際距離，實時的根據衛星發射的導航電文解算出衛星的空間位置，并進行待定點位置的解算。以測距的原理來說，主要分為差分GPS 定位、偽距法定位等。以待定點來說，主要分為動態定位與靜態定位。靜態定位的特點是待定點固定不變，觀測時間相對較長，用以確定點的三維坐標，又稱為絕對定位。

如果以兩臺接收機安置在不同的待定點上進行觀測，那么可以求出兩個待定點之間的相對位置，此方法叫做相對定位。而動態定位所說的是必須至少有一臺接收機在運動的狀態，其測點的是運動中的接收機的位置。

偽距定位是指用戶使用GPS 接收機在某一時刻測得4 顆以上GPS 衛星的偽距，然后與已知的衛星實際位置相結合采用交會法算出該點的三維坐標。其中所說的偽距其含義是衛星發射的信號到接收機的時間乘以光速即偽距。信號在傳播的過程中由于有電離層誤差、時鐘誤導等，因此所測的距離與實際距離并不相等。偽距分為C/A 碼偽距與P 碼偽距。雖然偽距定位的精度不高，但其特點是定位速度快，物多值性問題等優點，因此它也是GPS 導航的基本方法。

偽距測量中由于測距碼得碼元長度較大，使之很難應用到高精度的測量中。如果觀測的精度都取至測距碼波長的百分之一，那么C/A 與P 碼的精度分別為3m 與30cm 左右。而如果將載波作為測量的信號，由于載波具有較短的波長，因此其測量結果就具有很高的精度。

在GPS 信號中由于已用相對調整的方法調制了測距碼和導航電文，所以接收機的載波相位已不再連續，在進行載波相位測量之前，要先進行解調工作，用一定的方法將調制在載波上的測距碼和衛星電文去掉，從而獲得新的載波，這一項工作成為重建載波。差分技術在測量領域很早的時候就在應用了，比如，在一個測站上對兩個觀測值進行觀測，然后將兩個值求差分。差分技術的優點是可以有效地消除具有的公共誤差，從而提高了觀測值的精度。根據差分后的觀測值來求解兩個測站之間的基線向量，此種差分技術已經成功地應用在靜態相對定位當中。差分GPS 定位所說的是將一臺接收機安置在已知點上進行觀測，從而求出該點到衛星的距離改正數，并且將計算出的改正數發送給用戶，用戶以此來對自身的定位結果進行改正，這樣可以有效的提高其定位的精度。采用差分GPS 定位可以消除或減少星歷誤差、對流層誤差、衛星中誤差、多路徑效應等。

3 結 詰

GPS 對推動測量領域的發展有著重要的作用，它使測量的方法更加的簡便，更加的多樣化，相信在未來的發展中，它將會更好地服務于社會的建設。

［1］李濤. 礦區測量中GPS 測量內外業工作的應用分析［J］.科技信息，2009(25):48－49.

［2］張應學.GPS 在礦山測量中的工作原理及應用分析［J］.中國新技術新產品，2010(05):109.

［3］胡娟娟，李宏波，王迪. 論GPS 在工程測量工作中的應用［J］. 公路交通科技:應用技術版，2012(04):58－61.

［4］林抗旱. 論GPS 定位系統在工程測量工作中的應用［J］.建材與裝飾:下旬刊，2008(04):306－307.