簡述GPS技術在工程測量中的應用

　　GPS技術給測繪界帶來了一場革命。利用載波相位差分技術（RTK），在實時處理兩個觀測站的載波相位的基礎上，可以達到厘米級的精度。與傳統的手工測量手段相比，GPS技術有著巨大的優勢： 測量精度高； 操作簡便，儀器體積小，便于攜帶； 全天候操作；觀測點之間無須通視；測量結果統一在WGS84坐標下，信息自動接收、存儲，減少繁瑣的中間處理環節。 當前，GPS技術已廣泛應用于大地測量、資源勘查、地殼運動、地籍測量等領域。本文介紹GPS在山區工程測量中的應用，并提出幾點體會。

　　1、GPS簡介

　　1.1GPS構成

　　GPS主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成。

　　（1）GPS的空間部分是由24顆工作衛星組成，它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），軌道傾角為55°。此外，還有3 顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星，并能在衛星中預存的導航信息。GPS的衛星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。

　　（2）地面控制系統由監測站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息，并計算衛星星歷、相對距離，大氣校正等數據。

　　（3）用戶設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的后處理軟件包構成完整的GPS 用戶設備。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現有單頻與雙頻兩種，但由于價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。

　　1.2GPS定位原理

　　GPS定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的[2].如圖1所示，在待測點Q設置GPS接收機，在某一時刻tk同時接收到3顆（或3顆以上）衛星S1、S2、S3所發出的信號。通過數據處理和計算，可求得該時刻接收機天線中心（測站點）至衛星的距離ρ1、ρ2、ρ3.根據衛星星歷可查到該時刻3顆衛星的三維坐標（Xj,Yj,Zj），j=1,2,3,從而由下式解算出Q點的三維坐標（X,Y,Z）：

　　1.3GPS測量的特點

　　相對于常規測量來說，GPS測量主要有以下特點：①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規測量，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達1×10-6,在大于1000km的基線上可達1×10-8.②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，靜態相對定位每站僅需20min左右，動態相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄。⑤全天候作業。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

　　2、應用實例

　　2.1工程概況

　　本文涉及的工程由某集團公司投資建造，是一個集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項目。工程位于城郊，占地66.7hm2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占三分之二。最高處約90m.山上樹木茂盛，地形復雜，通視困難，行走不便。為了該工程的設計和施工，需建立首級控制網。考慮到工程復雜，工期較緊，測區通視困難，地形起伏大等因素，決定采用GPS測量。

　　2.2GPS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》[3]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,最弱邊相對中誤差小于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）設計基準和網形如圖2所示，控制網共12個點，其中聯測已知平面控制點2個（I12,I13），高程控制點5個（I12,I13,105,109,110,其高程由四等水準測得）。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。

　　2.3GPS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：①每點最好與某一點通視，以便后續測量工作的使用；②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；③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；④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；⑤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3個點上同時安置3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。

　　2.4GPS測量的數據處理

　　GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段，采用隨機軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，得到GPS控制點的三維坐標（見表1），其各項精度指標符合技術設計要求。

　　3、結束語

　　通過GPS在測量中的應用，得到如下體會。

　　（1）GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優越性。但由于測區條件較差，邊長較短（平均邊長不到300m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1/10000.因此，當精度要求較高時，應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。

　　（2）GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業強度，觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛星的觀測及信號的質量，經重測后通過。因此，應嚴格按有關要求選點，擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等設備的使用。

　　（3）GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標。但由于聯測已知高程點較少（僅聯測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯測足夠的已知高程點。