簡(jiǎn)述GPS技術(shù)在工程測量中的應用

　　GPS技術(shù)給測繪界帶來(lái)了一場(chǎng)革命。利用載波相位差分技術(shù)（RTK），在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀(guān)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(shù)有著(zhù)巨大的優(yōu)勢： 測量精度高； 操作簡(jiǎn)便，儀器體積小，便于攜帶； 全天候操作；觀(guān)測點(diǎn)之間無(wú)須通視；測量結果統一在WGS84坐標下，信息自動(dòng)接收、存儲，減少繁瑣的中間處理環(huán)節。 當前，GPS技術(shù)已廣泛應用于大地測量、資源勘查、地殼運動(dòng)、地籍測量等領(lǐng)域。本文介紹GPS在山區工程測量中的應用，并提出幾點(diǎn)體會(huì )。

　　1、GPS簡(jiǎn)介

　　1.1GPS構成

　　GPS主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶(hù)設備三部分構成。

　?。?）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(gè)軌道面上（每個(gè)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(shí)間都可觀(guān)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(wèn)題，隨著(zhù)時(shí)間的推移，導航精度會(huì )逐漸降低。

　?。?）地面控制系統由監測站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitor Station）、地面天線(xiàn)（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。

　?。?）用戶(hù)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(xiàn)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(jìn)行定位計算，計算出用戶(hù)所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)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(hù)設備。GPS 接收機的結構分為天線(xiàn)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(shí)不中斷連續觀(guān)測。在用機外電源時(shí)機內電池自動(dòng)充電。關(guān)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(lèi)型的接受機體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀(guān)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(jià)格因素，一般使用者所購買(mǎi)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(huì )定點(diǎn)原理實(shí)現的[2].如圖1所示，在待測點(diǎn)Q設置GPS接收機，在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛星S1、S2、S3所發(fā)出的信號。通過(guò)數據處理和計算，可求得該時(shí)刻接收機天線(xiàn)中心（測站點(diǎn)）至衛星的距離ρ1、ρ2、ρ3.根據衛星星歷可查到該時(shí)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(diǎn)的三維坐標（X,Y,Z）：

　　1.3GPS測量的特點(diǎn)

　　相對于常規測量來(lái)說(shuō)，GPS測量主要有以下特點(diǎn)：①測量精度高。GPS觀(guān)測的精度明顯高于一般常規測量，在小于50km的基線(xiàn)上，其相對定位精度可達1×10-6,在大于1000km的基線(xiàn)上可達1×10-8.②測站間無(wú)需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。③觀(guān)測時(shí)間短。隨著(zhù)GPS測量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測量時(shí)，靜態(tài)相對定位每站僅需20min左右，動(dòng)態(tài)相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀(guān)測人員只需對中、整平、量取天線(xiàn)高及開(kāi)機后設定參數，接收機即可進(jìn)行自動(dòng)觀(guān)測和記錄。⑤全天候作業(yè)。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續進(jìn)行觀(guān)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(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標，其高程精度已可滿(mǎn)足四等水準測量的要求。

　　2、應用實(shí)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(gè)集休閑、娛樂(lè )、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(shù)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(wǎng)?？紤]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(shù)設計

　?。?）設計依據GPS測量的技術(shù)設計主要依據1999年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《城市測量規范》、1997年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《全球定位系統城市測量技術(shù)規程》[3]及工程測量合同有關(guān)要求制定的。

　?。?）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(wǎng)作為測區首級控制網(wǎng)。要求平均邊長(cháng)小于1km,最弱邊相對中誤差小于1/10000,GPS接收機標稱(chēng)精度的固定誤差a≤15mm,比例誤差系數b≤20×10-6.

　?。?）設計基準和網(wǎng)形如圖2所示，控制網(wǎng)共12個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測已知平面控制點(diǎn)2個(gè)（I12,I13），高程控制點(diǎn)5個(gè)（I12,I13,105,109,110,其高程由四等水準測得）。采用3臺GPS接收機觀(guān)測，網(wǎng)形布設成邊連式。

　?。?）觀(guān)測計劃根據GPS衛星的可見(jiàn)預報圖和幾何圖形強度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀(guān)測時(shí)段（衛星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調度表。

　　2.3GPS測量的外業(yè)實(shí)施

　?。?）選點(diǎn)GPS測量測站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續測量，選點(diǎn)時(shí)應著(zhù)重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續測量工作的使用；②點(diǎn)周?chē)叨冉?5°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠離大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射源、高壓電線(xiàn)等，以免電磁場(chǎng)對信號的干擾；④點(diǎn)位應選在視野開(kāi)闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀(guān)測和日后使用；⑤選點(diǎn)結束后，按要求埋設標石，并填寫(xiě)點(diǎn)之記。

　?。?）觀(guān)測根據GPS作業(yè)調度表的安排進(jìn)行觀(guān)測，采取靜態(tài)相對定位，衛星高度角15°，時(shí)段長(cháng)度45min,采樣間隔10s.在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺接收機天線(xiàn)（對中、整平、定向），量取天線(xiàn)高，測量氣象數據，開(kāi)機觀(guān)察，當各項指標達到要求時(shí)，按接收機的提示輸入相關(guān)數據，則接收機自動(dòng)記錄，觀(guān)測者填寫(xiě)測量手簿。

　　2.4GPS測量的數據處理

　　GPS網(wǎng)數據處理分為基線(xiàn)解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用隨機軟件完成。經(jīng)基線(xiàn)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（見(jiàn)表1），其各項精度指標符合技術(shù)設計要求。

　　3、結束語(yǔ)

　　通過(guò)GPS在測量中的應用，得到如下體會(huì )。

　?。?）GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優(yōu)越性。但由于測區條件較差，邊長(cháng)較短（平均邊長(cháng)不到300m），基線(xiàn)相對精度較低，個(gè)別邊長(cháng)相對精度大于1/10000.因此，當精度要求較高時(shí)，應避免短邊，無(wú)法避免時(shí)，要謹慎觀(guān)測。

　?。?）GPS接收機觀(guān)測基本實(shí)現了自動(dòng)化、智能化，且觀(guān)測時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強度，觀(guān)測質(zhì)量主要受觀(guān)測時(shí)衛星的空間分布和衛星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹(shù)木遮擋，影響對衛星的觀(guān)測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過(guò)。因此，應嚴格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀(guān)測，并注意手機、步話(huà)機等設備的使用。

　?。?）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(zhì)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(diǎn)三維坐標。但由于聯(lián)測已知高程點(diǎn)較少（僅聯(lián)測5個(gè)），致使的控制點(diǎn)高程精度較低。因此，要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測足夠的已知高程點(diǎn)。