GPS系統在工程測量中的應用之淺析

【摘要】GPS全球定位系統作為新形式測量系統，已廣泛用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個方面。GPS全球定位系統（Global Positioning System）在公路工程測量中的應用，在最近的兩年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統可以向全球任何用戶全天候地連續提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術參數。

【關鍵詞】全球定位系統；工程測量；特點；應用

0 引言

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空間衛星群GPS的空間衛星群由24顆高約20萬公里的GPS衛星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆GPS衛星發送出的信號。②GPS的地面控制系統GPS的地面控制系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站，主控站的作用是根據各監控站對GPS的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等并將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調度備用衛星等。監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態。③GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛星發出的信號，利用信號進行導航定位等。

1 GPS技術原理及其特點

1.1 GPS技術的工作原理

GPS系統是一個采用距離交會發為基礎的衛星導航定位系統。距離交會法的基本原理是：以GPS接收機所設置的位置為基準點，接收由GPS衛星發射出來的信息；然后由計算系統對接收信號的時間進行計算，算出GPS衛星與GPS接收機之間的距離；最后通過GPS衛星與GPS接收機之間的距離可以計算得出衛星的三維坐標，即空間距離。GPS主要采用的坐標系統有兩種：空間固定坐標系統和固定坐標系統。

1.2 GPS的組成部分

GPS系統的組成主要由三部分組成：衛星接收設備、地面控制系統和空間衛星群。以下是對這三部分的詳細介紹：（1）衛星接收設備，其作用是用來接收衛星發出的信號，同時使用接收的信號對衛星進行定位導航。主要構成部分有氣象儀、數據處理軟件和接收機。（2）地面控制系統，由兩個注入站，五個監測站和一個主控站組成。監控站的作用是接收衛星信號，注入站是的作用是將修改參數注入主控站，而主控站的作用是計算衛星的衛星鐘和星歷的修改參數。（3）空間衛星群，指的是分布在宇宙空間軌道上的二十四顆夾角均為六十度GPS衛星組成的一個群體。

1.3 GPS技術的特點

GPS測繪技術主要有用途廣、功能多、全天候作業、操作方便、提供三維坐標、測站間無需通視、觀測時間短和定位精度高等特點。GPS的自動化程度很高，由此就能體現其操作方便的特點；GPS技術不僅能夠用于給水工程中的定位測繪，還可以用于測時和測速，由此便體現出了其用途的廣泛性；由于GPS測繪中不需要有通視，這一點就解決了工程測量中信號被干擾的難題；在GPS的定位精度上面，其平面誤差已經達到了小于一毫米的程度。由上可知，GPS測繪技術有著很多明顯的優點，其技術的先進性將會不斷地在我們的測繪實踐中體現出來。

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。有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被廣泛的應用。

2 GPS測量的技術特點

2.1 測站之間無需通視

測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。

2.2 定位精度高

一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短

采用GPS布設控制網時，每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用接收機的rtk法可在5s以內求得測點坐標。

2.4 提供三維坐標

GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便

GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

3 GPS衛星定位系統在工程測量中的應用

3.1 GPS測量的技術設計

①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》、1997年建設部發布的行業標準《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。②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。③設計基準和網形。控制網共12個點，其中聯測已知平面控制點2個，高程控制點5個。采用3臺GPS接收機觀測，網形布設成邊連式。④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。

3.2 GPS測量的外業實施

①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：a.每點最好與某一點通視，以便后續測量工作的使用；b.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；c.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；d.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；e.選點結束后，按要求埋設標石，并填寫點之記。②觀測。根據GPS作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。在三個點上同時安置三臺接收機天線（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。

4 結束語

總而言之，通過對以上的GPS測量技術在工程測量中的應用，GPS系統在工程測量上將有很大的發展空間，為工程施工質量提供了有利的保障。我們逐漸充分把握了GPS測量技術的應用方法和過程，這為以后GPS更廣發展的應用奠定了基礎。隨著GPS技術的發展以及在工程測繪中的應用擴展，GPS技術的性能將會得到更加先進的發展，其功能也將更加的完善，與此同時，GPS技術將會給工程測繪帶來更好的發展。在GPS技術應用于給水工程測繪過程中，將會不斷提高我們的測繪成果的質量，而且還會為我們的社會經濟效益的提高做出貢獻。