淺析GPS定位技術(shù)的特點(diǎn)及在工程中的應(yīng)用

令紫娟 王中央

摘要：全球定位系統(tǒng)（GPS）彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高精度的實(shí)時(shí)定位測(cè)量。實(shí)踐證明這種方法可被廣泛應(yīng)用于多種測(cè)量工程中，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：GPS;RTK;工程測(cè)量;精度;應(yīng)用

1、GPS測(cè)量技術(shù)的概述

GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為工程測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化，從根本上改變了工程測(cè)量的工作方式。在測(cè)繪領(lǐng)域，隨著全站儀的推廣普及，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái)，隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測(cè)量通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求定測(cè)量點(diǎn)的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。現(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

1.1?GPS構(gòu)成

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。GPS用戶設(shè)備由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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)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(cè)站點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。

2、GPS測(cè)量技術(shù)的分類

GPS 的定位方法，若按用戶接收機(jī)天線在測(cè)量中所處的狀態(tài)來(lái)分，可分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位;

2.1、靜態(tài)相對(duì)定位

靜態(tài)定位技術(shù)指的是，對(duì)于靜態(tài)測(cè)量點(diǎn)，使用兩臺(tái)及以上接收器，通過(guò)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的位置信息進(jìn)行處理與計(jì)算，最后得到測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確空間信息，是精度最高的作業(yè)模式，可達(dá)到（ 2-5mm +1ppm ）。主要用于大地測(cè)量、控制測(cè)量、 變形測(cè)量、工程測(cè)量。

2.2?動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)

動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)是指運(yùn)用GPS技術(shù)對(duì)于移動(dòng)物體進(jìn)行位置、速度、加速度以及時(shí)間參數(shù)的測(cè)定。與靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)的區(qū)別是，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)需要在測(cè)量對(duì)象上安裝GPS信號(hào)收發(fā)裝置，適用于精度要求不高的碎部測(cè)量，精度一般為（ 10-20mm +1ppm ）。

2.3?RTK技術(shù)

RTK技術(shù)中文全稱載波相位差分技術(shù)，是目前在我國(guó)建設(shè)工程領(lǐng)域測(cè)量工程中應(yīng)用最多的GPS相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)被普遍運(yùn)用到地圖測(cè)繪、工程點(diǎn)測(cè)設(shè)等領(lǐng)域。RTK測(cè)量技術(shù)的工作原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，然后利用GPS連續(xù)觀測(cè)可見(jiàn)衛(wèi)星，然后基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將測(cè)得數(shù)據(jù)和觀測(cè)站坐標(biāo)信息傳輸給流動(dòng)站。流動(dòng)站也裝有GPS接收機(jī)，流動(dòng)站不但通過(guò)GPS接收衛(wèi)星信號(hào)，還通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站的信息，然后在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這樣移動(dòng)站就可以得到更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，最后在移動(dòng)站上根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度。適用于精度要求不高，測(cè)繪范圍10km 左右的施工放樣及碎部測(cè)量，精度可達(dá)到（ 10-20mm +1ppm ）。

3、GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

從工程測(cè)量的實(shí)施應(yīng)用中，我們可以充分看到GPS測(cè)量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

3.1?GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用GPS技術(shù)測(cè)設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡(jiǎn)單，點(diǎn)的疏密和邊的長(zhǎng)短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外，它解決了點(diǎn)位之間無(wú)法通視的困難，選點(diǎn)靈活和方便，不需要高標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，同時(shí)還可以保證外業(yè)施測(cè)不受天氣影響，可以全天候施工。測(cè)設(shè)大型（長(zhǎng)邊）方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí)，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。

（2）GPS測(cè)量技術(shù)精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲(chǔ)備。

（3）采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。

（4）采用GPS-RTK測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測(cè)量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，一個(gè)參考站可有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè)，流動(dòng)站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。

（5）GPS觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位只要20min，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位只需要幾秒。

（6）儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開(kāi)機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。

3.2?GPS測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)：

在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹(shù)木等對(duì)信號(hào)的影響，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差。

GPS測(cè)量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測(cè)點(diǎn)位的精度。

GPS測(cè)量成果與常規(guī)測(cè)量成果之間，不同型號(hào)GPS測(cè)量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。

4、GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1、用于建立工程中施工控制網(wǎng)

施工控制網(wǎng)建立的主要目的是進(jìn)行施工放樣或竣工測(cè)量。施工控制網(wǎng)是工程施工的基準(zhǔn)，施工測(cè)量工作是其他施工的先導(dǎo)，因此施工控制網(wǎng)的質(zhì)量直接影響到工程的整體質(zhì)量。為此，在工程開(kāi)工以前，應(yīng)根據(jù)工程的規(guī)模和要求，對(duì)施工控制網(wǎng)的布設(shè)方案進(jìn)行認(rèn)真的研究，選擇合理的測(cè)量方法，以確保工程的順利施工和施工的高質(zhì)量。利用GPS技術(shù)建立施工控制網(wǎng)，在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低控制點(diǎn)間通視的要求以及降低觀測(cè)中對(duì)氣象條件的要求等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2?用于水下地形測(cè)量

水利工程測(cè)量最難的是水下地形測(cè)量，水下地形資料的準(zhǔn)確性對(duì)水利工程建設(shè)十分重要。水下地形復(fù)雜，人眼又看不見(jiàn)，水上作業(yè)條件差，傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法大多采用六分儀、三桿分度儀、全站儀配合測(cè)深儀，其缺點(diǎn)是精度不高，測(cè)量范圈有限，工作量大，人員配置多等。隨著GPS、RTK技術(shù)在測(cè)量中的空前發(fā)展，GPS水下地形測(cè)量也得到了廣泛的應(yīng)用。采用GPS技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量的步驟為：將GPS、測(cè)深儀和筆記本電腦連接成一起，導(dǎo)航軟件對(duì)測(cè)量船進(jìn)行定位，并指導(dǎo)測(cè)量船在指定測(cè)量斷面上航行，GPS和測(cè)深儀將實(shí)時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)人筆記本電腦，由海洋測(cè)量軟件處理生成水下地形圖或?qū)С?dat文件，再由南方測(cè)繪cass7.0地形地籍成圖軟件繪制水下地形圖。全球定位系統(tǒng)能較好地完成大面積水域地形測(cè)量，特別是在因氣候條件差、常規(guī)測(cè)量?jī)x器難以完成作業(yè)的區(qū)域。從近幾年測(cè)量結(jié)果來(lái)看，GPS技術(shù)在水下地形測(cè)量的應(yīng)用大大提高了測(cè)崖的精度，減少了工作量，縮短了工作日，并且輸出的數(shù)字化水下地形圖為今后地理信息系統(tǒng)的建立和管理創(chuàng)造了有利的條件。通過(guò)GPS，RTK模式測(cè)繪，提高了測(cè)量精度，大大減輕了測(cè)量人員的內(nèi)、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.3繪制精確的衛(wèi)星地圖

研究人員曾在新疆米蘭遺址操作測(cè)量?jī)x器，以繪制米蘭遺址的最精確衛(wèi)星地圖。由北京特種工程設(shè)計(jì)研究總院的一支測(cè)繪小組攜帶世界最先進(jìn)的測(cè)繪儀器進(jìn)駐新疆米蘭遺址，在40多平方公里范圍內(nèi)搜集與其有關(guān)的詳盡數(shù)據(jù)信息。在2006年年底前，測(cè)繪小組將通過(guò)先進(jìn)的GPS/RTK全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，最終繪制出米蘭遺址的衛(wèi)星地圖，以更好地保護(hù)已知的世界最早“帶翼天使”的棲身地。繪制出米蘭遺址的衛(wèi)星地圖后，中國(guó)有關(guān)部門將根據(jù)地圖所示的信息，對(duì)米蘭遺址展開(kāi)細(xì)致的修繕和保護(hù)行動(dòng)。

5、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在工程測(cè)量領(lǐng)域中，由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能，充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測(cè)量工作中比常規(guī)控制測(cè)量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性，GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測(cè)量中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

令紫娟，1987，女，漢族，研究生，中級(jí)講師，研究方向：測(cè)量工程;

王中央，男，1990.06.漢，陜西西安，本科，工程師

（作者單位：1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）