摘要:隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,工程建設(shè)不斷增多,工程測量技術(shù)的要求也越來越高。本文結(jié)合實際經(jīng)驗，就GPS在工程測量中的應(yīng)用進行了分析。
　　關(guān)鍵詞：工程測量；GPS；原理；實施
　　前言：
　　隨著GPS定位技術(shù)的不斷改進,軟、硬件的不斷完善,長期使用的測角、測距、測水準為主體的常規(guī)地面定位技術(shù),正在逐步被一次性確定三維坐標的高速度、操作簡單的GPS技術(shù)所代替。它是一種可以通過定時和測距進行空間交會定點的導(dǎo)航系統(tǒng),可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。
　　一．GPS系統(tǒng)的組成
　　GPS(全球定位系統(tǒng))為美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)由衛(wèi)星星座(空間部分)、地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面部分)、GPS接收機(用戶設(shè)備部分)組成。三者具有獨立的功能和作用,又有機結(jié)合形成完整系統(tǒng)。
　　1．空間星座部分
　　空間部分由7顆試驗衛(wèi)星和24顆GPS工作衛(wèi)星組成,GPS工作衛(wèi)星均勻分布在傾角為55°的6個軌道上,軌道高度約為2×104km,各軌道升交點的赤經(jīng)相差60°,每條軌道上均勻分布著4顆衛(wèi)星,相鄰軌道之間的衛(wèi)星還要彼此之間叉開40°,以保證全球均勻覆蓋的要求,并在任意時刻全球各處都能觀測到高度角為15°以上的4顆衛(wèi)星。
　　2．地面監(jiān)控部分
　　地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成。
　　3．用戶設(shè)備部分
　　用戶設(shè)備部分包括GPS接收機和數(shù)據(jù)處理軟件等。GPS接收機主要由天線、信號處理器、顯示裝置、記錄裝置、電源等組成。其主要功能是通過天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號,在信號處理器中進行中頻放大、濾波和信號處理,解碼得到廣播電文、獲得偽距定位結(jié)果,將觀測數(shù)據(jù)存儲并傳遞至電腦進行處理。
　　二．GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理
　　GPS定位屬于無線電定位范疇,類似于傳統(tǒng)的后方交會。如果已知空間GPS衛(wèi)星的瞬時位置,若僅確定測站點的三維則GPS接收機只要接收到3顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號,即測得衛(wèi)星到測站點的幾何距離,就可根據(jù)后方交會原理,確定出測站點的三維坐標。最基本的方法有距離定位法和雙曲線定位法兩種。
　　1．距離定位法
　　現(xiàn)假設(shè)S1、S2、S3為已知位置的3顆衛(wèi)星,P為GPS接收機天線所在位置,即待求點位置。P點到S1、S2、S3的距離利用電磁波傳播理論計算后,P點的位置按公式即可求出。也就是說,若分別S1、S2、S3為圓心,以PS1、PS2、PS3距離為半徑做3個圓,其交點即為GPS接收機天線的位置,它具有經(jīng)度、緯度、高程和時間的四維特性。
　　2．雙曲線定位法
　　假設(shè)S1、S2、S3和S4表示已知位置的4顆衛(wèi)星,P為接收機天線位置,即待求點位置。如果已測量出P點到兩個已知衛(wèi)星間的距離D,即D=|SiP|×|SjP|。
　　i≠j則可以Si和Sj為焦點,以D為焦距繪出3組空間曲面,3個曲面的交點即為P點的位置。這種方式需要3個距離差值,至少需要觀測4個以上的GPS工作衛(wèi)星,才能完成定位工作。
　　三．GPS系統(tǒng)在工程測量中的優(yōu)點
　　1．用途廣泛
　　對于測繪行業(yè)而言,GPS定位系統(tǒng)已應(yīng)用于:大地測量,地殼板塊運動監(jiān)測,建立各種工程監(jiān)測網(wǎng)和進行各種工程測量等。GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用有著廣泛的前景,特別是自動變形監(jiān)測系統(tǒng)、工程施工的自動控制系統(tǒng)是未來應(yīng)用研究的重要方向之一。
　　2．定位精度高
　　短距離(15km以內(nèi))精度可達毫米級,中、長距離(幾十公里甚至幾百公里)相對粗度可達到10-7~10-8。差分導(dǎo)航的精度可達米級至厘米級。大型建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測,在采用特殊的觀測措施、精密星歷和適當?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后,平面精度可達亞毫米級,高程精度可穩(wěn)定在1mm左右。
　　3．自動化程度高。
　　用GPS接收機進行完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個測站上需要做長時間的連續(xù)測量,還可實行無人值守的數(shù)據(jù)采集,通過數(shù)據(jù)傳輸將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,實現(xiàn)自動化的GPS測量和計算。
　　4．全天候觀測
　　應(yīng)用GPS定位、導(dǎo)航,不受天氣的影響,可以全天候地工作,這一特點,保證了變形監(jiān)測的連續(xù)性和自動化。
　　3.5觀測時間短,人力消耗少
　　用GPS進行靜態(tài)相對定位,在<20km的短基線上,快速相對定位一般只需15～20min進行動態(tài)相對定位測量時,在初始化工作完成后,流動站可隨時定位,每站觀測僅需幾秒鐘。
　　4GPS在工程測量中的實施
　　4.1選點與建立標志
　　選點應(yīng)滿足以下條件:點位應(yīng)選在交通方便、易于安置接收設(shè)備的地方,且視場要開闊GPS點應(yīng)避開對電磁波接收有干擾的物體,如微波站、電視臺、高壓線、大面積水域等。
　　4.2外業(yè)觀測
　　GPS外業(yè)觀測主要包括天線安置、觀測作業(yè)和觀測記錄等。
　　（1）天線安置
　　天線安置的內(nèi)容包括對中、整平、定向和量測天線高。進行靜態(tài)相對定位時,天線應(yīng)架設(shè)在三角架上,并安置在標志中心的上方直接對中,天線基座上的圓水準氣泡須居中。定向是使天線的定向標志線指向正北,定向誤差一般≤±3°-5°。天線高是指天線的相位中心至觀測點標志中心的垂直距離。
　　（2）觀測作業(yè)
　　觀測作業(yè)的主要任務(wù)是捕獲GPS衛(wèi)星信號對其進行跟蹤、接收和處理,以獲取所需的定位信息和觀測數(shù)據(jù)。天線安置完成后,將GPS接收機安置在距天線不遠的安全處,接通接收機與電源、天線的連接電纜,經(jīng)檢查無誤后,在約定的時間打開電源,啟動接收機進行觀測。
　　（3）觀測記錄
　　觀測記錄的方式一般有兩種:①由接收機自動形成,并保存在接收機存儲器中供隨時調(diào)用和處理；②測量手簿,由觀測人員填寫。觀測記錄是GPS定位的原始數(shù)據(jù),也是進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理的唯一依據(jù),必須要真實、準確。
　　4.3成果校核與數(shù)據(jù)處理
　　觀測成果應(yīng)進行外業(yè)校核,這是確保外業(yè)觀測質(zhì)量和實現(xiàn)預(yù)期定位精度的重要環(huán)節(jié)。觀測任務(wù)結(jié)束后,必須及時對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行校核,對于外業(yè)預(yù)處理成果,要按《規(guī)范》要求嚴格檢查、分析,以便及時發(fā)現(xiàn)不合格成果,并根據(jù)情況采取重測或補測措施。成果校核無誤后,即可進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程大體可分為:預(yù)處理,平差計算,坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換或與已有地面網(wǎng)的聯(lián)合平差。
　　5.GPS在工程測量實施中的注意事項
　　（1）開機后必須等衛(wèi)星跟蹤燈慢閃,表示正在跟蹤4顆或4顆以上衛(wèi)星后才可以按下數(shù)據(jù)存儲鍵。
　　（2）數(shù)據(jù)存儲燈開始會長亮表示正在存儲,然后慢閃表示已存儲夠快速靜態(tài)數(shù)據(jù)；需要注意的是外業(yè)觀測過程中應(yīng)時常注意查看數(shù)據(jù)存儲燈和電池LED指示燈,如果數(shù)據(jù)存儲燈快閃表示正在存儲但數(shù)據(jù)快滿,燈熄表示停止存儲,數(shù)據(jù)PC卡已滿；電池LED指示燈綠色表示正在使用,黃色表示正待用,常亮表示夠用,綠燈慢閃表示低電,黃燈慢閃表示壞的,燈關(guān)閉表示無電。
　　（3）GPS儀器的選用要選擇精度不低于基線精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6,性能較為穩(wěn)定且受外界環(huán)境因素影響小的GPS。
　　（4）GPS高程測量觀測時要充分考慮影響GPS測量精度,諸如GPS圖形結(jié)構(gòu)、電離層影響、正確量取天線高等因素。最大程度地減少誤差影響。
　　（5）GPS高程測量雖然經(jīng)過科學(xué)的數(shù)據(jù)處理可以保證精度滿足需要,但由于搜集或建立測區(qū)重力成果,數(shù)字高程模型,重力場模型等資料不是一件輕而易舉的事情,況且GPS高程測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理才能達到相應(yīng)等級的高程精度,再者相關(guān)規(guī)范也無明確規(guī)定,所以建議在生產(chǎn)中應(yīng)有選擇地使用GPS高程測量技術(shù)。
　　6.GPS衛(wèi)星定位誤差來源及消弱措施
　　6.1與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差
　　主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。這兩種誤差對GPSRTK來講都是很大的，在距離較遠或流動站周圍有障礙時，誤差可達5～10cm。為了消除大氣折射誤差，在實際作業(yè)中，可采用雙頻觀測，衛(wèi)星高度角設(shè)置15°左右，不宜太小。在消除多路徑效應(yīng)方面，可在接收機設(shè)置時選取多徑抑制。適當延長觀測時間也能消除多路徑效應(yīng)。
　　6.2與接收設(shè)備有關(guān)的誤差
　　主要包括天線相位中心位置偏差誤差和儀器對中誤差。天線相位中心位置偏差在毫米級，對GPSRTK來講不算很大，中樁放樣時可適當延長觀測時間。為了消除儀器對中誤差，在架設(shè)基準站時應(yīng)嚴格對中整平，盡量減小基準站對中誤差。流動站放樣時，應(yīng)在圓水準泡居中時查看點位精度，以消除流動站不對中帶來的誤差。另外，解算坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)時采用的控制點坐標的精度，控制點在測區(qū)分布的均勻程度等直接影響轉(zhuǎn)換模型的精度，從而影響坐標的精度。
　　6結(jié)束語
　　總之，GPS定位技術(shù)已經(jīng)基本上淘汰了用常規(guī)測角、測距手段建立大地控制網(wǎng)的方法,其良好的精度、可觀的經(jīng)濟效益已為工程測量界所公認。在程測量工程中起到重要作用。加強相關(guān)學(xué)科的研究,不斷拓寬工程測量服務(wù)新領(lǐng)域,開創(chuàng)工程測量發(fā)展新局面,為推動我國工程測量科技進步而努力奮斗程測量工程將起到重要作用。

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