GPS測量技術(shù)在工程中的運(yùn)用探討

薛征

【摘要】 GPS測量技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并廣泛運(yùn)用于工程的測量中。本文主要概述了GPS測量技術(shù)，并通過工程實(shí)例分析了GPS測量技術(shù)的具體實(shí)施。

【關(guān)鍵詞】GPS；測量；技術(shù)；通視

GPS主要是在衛(wèi)星為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有眾多優(yōu)點(diǎn)，不但能實(shí)現(xiàn)全天候和全球性的連續(xù)、實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航和定位，能確保很好的保密性，抗干擾性很強(qiáng)。所以，GPS測量技術(shù)被廣泛運(yùn)用在工程測量、大地測量、海洋測量、航空攝影測量和城市測量等領(lǐng)域，并且也在很多其他的領(lǐng)域得到了普遍運(yùn)用，比方說：被運(yùn)用在交通、軍事、通信和資源管理等領(lǐng)域。

一、GPS的組成和原理特點(diǎn)

（一）GPS構(gòu)成

GPS的構(gòu)成主要包括三部分：空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站和用戶設(shè)備。

1.GPS空間衛(wèi)星星座。這個(gè)星座的主要構(gòu)成是21顆工作衛(wèi)星與3顆在軌備用衛(wèi)星。這所有的24顆衛(wèi)星都均勻地分布在6個(gè)軌道平面中，軌道平面的傾角為550，衛(wèi)星的平均高度是20200km，運(yùn)行周期為1lh58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角150以上，平均可同時(shí)觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

2.GPS地面監(jiān)控站。它主要由分布于全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站組成。主控站會(huì)結(jié)合各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，來計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)與鐘差參數(shù)，并把這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，最后傳至注入站，再經(jīng)過注入站把主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文傳輸至相應(yīng)的衛(wèi)星存儲器中。

3.GPS用戶設(shè)備。它主要是由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對信號進(jìn)行交換、放大和處理，再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心（測站點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。

（二）GPS定位原理

GPS定位是結(jié)合測量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。具體見圖1所示，在待測點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻t 同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星s1、s2、s3所發(fā)出的信號。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心（測站點(diǎn)）至衛(wèi)星的距離p1、p2、p3。

（三）GPS測量技術(shù)的特點(diǎn)

跟一般的測量技術(shù)相比， GPS測量技術(shù)具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

第一， GPS測量技術(shù)具有較高的精度。使用GPS測量技術(shù)所得的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般的測量，確保在小于50km的基線上，讓定位精度達(dá)到1×10-6，在大于l000km的基線上達(dá)到1×10-8。

第二，不需要測站間的通視。使用GPS測量技術(shù)并無需測量站間的通視性，以便能在結(jié)合實(shí)際確定點(diǎn)位的基礎(chǔ)上，讓選點(diǎn)工作變得更為靈活方便。

第三，觀測需要較短的時(shí)間。GPS測量技術(shù)的逐漸完善，再加上軟件的不斷更新，在GPS測量時(shí)，靜態(tài)相對定位每站只需要20min的時(shí)間，而動(dòng)態(tài)相對定位只要幾秒鐘。

第四，儀器便于操作。現(xiàn)階段的GPS接收機(jī)的自動(dòng)化和智能化程度日益提高，觀測人員只要對中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)就能自動(dòng)觀測與記錄。

第五，能實(shí)現(xiàn)全天候工作。GPS衛(wèi)星所涉及的數(shù)目較多，且分布均勻，能確保在任時(shí)、任地的連續(xù)觀測，一般都不會(huì)受到天氣的影響。

第六，提供三維坐標(biāo)。GPS測量可以確保測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)十分精確，也能保證高程精度符合四等水準(zhǔn)測量的要求。

二、工程實(shí)際應(yīng)用分析

（一）工程概況

該工程占地66.7km2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占到了，最高處約90m；山上具有茂密的樹木，因?yàn)榈匦伪容^復(fù)雜，在通視上比較困難，為了便于設(shè)計(jì)與施工，需要建立起首級的控制網(wǎng)；又因?yàn)楣こ瘫容^復(fù)雜，時(shí)間上也比較緊迫，測區(qū)在通視時(shí)不能做到一覽無遺，因?yàn)榈匦纹鸱螅宰罱K確定使用GPS測量。

（二）GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)

首先，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)依據(jù)。GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》及工程測量合同有關(guān)要求制定的。

其次，一定要根據(jù)工程的實(shí)際需要來確保設(shè)計(jì)精度。選擇城市或工程二級GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)，要求平均邊長小于1km，最弱邊相對誤差小于1/10000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數(shù)b≤20×10-6 。

再次，制定周密的觀測計(jì)劃。根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測時(shí)段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。

（三）GPS測量的外部作業(yè)實(shí)施

1.選點(diǎn)。GPS測量的測站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續(xù)測量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測量工作的使用；②點(diǎn)周圍高度角150以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場對信號干擾；④ 點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；⑤選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點(diǎn)日記。

2.觀測。根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角150，時(shí)段長度45min，采樣間隔10S；在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺接收機(jī)天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機(jī)觀察；當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測者填寫測量手冊。

（四）GPS測量的數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用隨機(jī)軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其各項(xiàng)精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

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