GPS在工程测量中的应用

[摘 要]文章简单介绍了了全球定位系统（GPS）的构成和定位原理,总结了GPS用于工程测量所具有的特点,介绍了GPS在工程测量中的应用,展开实例证明GPS技术可在测量工程中进一步推广应用.

[关 键 词]GPS；工程测量；特点

中图分类号：TU74文献标识号：A文章编号：2306-1499（2014）08-0219-02

1.前言

全球定位系统（GlobalPositioningSystem,简称GPS）是美国研制的新一代卫星导航与定位系统,主要用于军事部门.随着科学技术的进步以及工程测量的发展,传统的测量工具不断淘汰,继而被高精度、高效率的GPS测量技术所取代,工程测量技术正处于变革性发展时期.

2.GPS概述

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是由美国国防部联合美国海、陆、空三军为满足其军事导航定位而建立的无线电导航定位系统.其系统从1973年开始研究,到1993年完成全部卫星组网工作.该系统由24颗卫星组成,卫星分布在相隔60°的6个轨道面上,卫星轨道的长半轴为26609km,轨道倾角55°,卫星高度20230km,卫星运行周期718min,此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%,这样在地球上任何地点、任何时间都可以接收至少4颗卫星运行定位.

由于GPS具有实时提供三维坐标的能力,因此在民用、商业、科学研究上也得到了广泛应用.它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性.从上世纪中叶开始,全球定位系统（GPS）从最初的简单技术,发展至高精度的测绘手段,历经的无数次技术变更.我国一直以来,用常规的传统技术手段来实现工程的测量,比如用水准仪、全站仪以及测距器来定位工程的控制网,从静态定位到快速定位、动态定位,GPS技术已广泛应用于工程测量工作中.对于我们所熟知的GPS,可以说它是测量史上的一次变革,它为我们提供了全天候、高精度、高效率的测量方法.其为以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,且具有良好的抗干扰性和保密性.随着GPS的不断改进及技术的不断完善,应用领域正在不断地开拓,给测绘领域带来一场深刻的技术革命.

3.GPS构成

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成.

（1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成.24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55°,卫星的平均高度为20200km,运行周期为11h58min.卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点.在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15°以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗.

（2）相对空间卫星部分而言,地面控制才是GPS的核心,它基本包括主控站、注入站以及监测站三个结构.地面监控部分的首要任务是维护GPS整体运行状况,合理调控系统工作要素,用于监测各观察数据以及计算卫星时间,监控卫星各种误差并予以修正.其修正数据和准确的定位效果,合成数字信息,传入卫星相关设备,基于原子钟系统,高度维护着GPS工作状态.

（3）所谓用户是相对GPS系统而言,指的是一个怎么写作整体,即接收机的授时和定位等怎么写作,简单而言就是接收机.因此,主机、电源以及天线,构成用户的主题部分.作为用户核心,当然是主机,其主要任务是在设定的程序下进行最优卫星定位、定位信息的收集、整理、输送和存储,承担着整个设备的检查工作,并对相关故障进行排除,即全自动管理整个设备.

GPS信号接收机监测到需要跟踪的卫星信号后,通过内部构造计算出卫星与天线单元间的距离,及距离随时间的变化情况,然后由机内软件确定卫星轨道参数等导航数据.最后由计算机系统根据所得导航数据计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等相关信息.

4.GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置.如下图所示,在待测点Q设置GPS接收机,在某一时刻t同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1,S2,S3所发出的信号.通过数据处理和计算,可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离P1,P2,P3.根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维地心坐标（Xi,Yi,ij）,ij等于1,2,3,从而由下式解算出Q点的三维地心坐标（X,Y,Z）：

P21等于（X-X1）2+（Y-Y1）2+（Z-Z1）2.

P22等于（X-X2）2+（Y-Y2）2+（Z-Z2）2.

P23等于（X-X3）2+（Y-Y3）2+（Z-Z3）2.

5.GPS测量的特点

相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点：一是测量精度高.在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1×10-6；在大于1000km的基线上可达1×10-8.二是测站间无需通视.GPS测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便.三是观测时间短.在进行GPS测量时,静态相对定位每站仅需20min左右,动态相对定位仅需几秒钟.四是仪器操作简便.目前GPS接收机自动化程度越来越高,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录.五是全天候作业.GPS卫星数目多,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响.六是提供三维坐标.GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求.6.应用实例

6.1工程概况

工程由某集团公司投资建造,是一个集休闲、娱乐、旅游、渡检测等功能于一体的综合项目.工程位于城郊,占地66.7hm2多,属两山夹一沟地形,山地面积约占2/3.最高处约90m.山上树木茂盛,地形复杂,通视困难,行走不便.为了该工程的设计和施工,需建立首级控制网.考虑到工程复杂,工期较紧,测区通视困难,地形起伏大等因素,决定采用GPS测量.

6.2GPS测量的技术设计

（1）设计依据.GPS测量的技术设计主要依据2011年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、2010年建设部发布的行业标准《卫星定位城市测量技术规范》及工程测量合同有关要求制定的.

（2）设计精度.根据工程需要和测区情况,选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网.要求平均边长小于1km,最弱边相对中误差小于1/10000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤10mm,比例误差系数b≤2mm/km.

图2控制网设计（3）设计基准和网形如图2所示.控制网共12个点,其中联测已知平面控制点2个（I12,I13）,高程控制点5个（I12,I13,105,109,110,其高程由4等水准测得）.采用3台GPS接收机观测,网形布设成边连式.

（4）观测计划.根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP）,选择最佳观测时段（卫星多于4颗,且分布均匀,PDOP值小于6）,并编排作业调度表.

6.3GPS测量的外业实施

（1）选点.GPS测量测站点之间不要求一定通视,图形结构也比较灵活,因此,点位选择比较方便.但考虑GPS测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视,以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等,以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方,以便观测和日后使用；⑤选点结束后,按要求埋设标石,并填写点之记.

（2）观测.根据GPS作业调度表的安排进行观测,采取静态相对定位,卫星高度角15°,时段长度45min,采样间隔10s.在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向）,量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿.最后,得到三维坐标,其各项精度指标符合技术设计要求.

7.结语

通过实践充分显示了GPS技术在该领域实际测量工作中比常规控制测量具有更大的优越性和适应性.随着GPS技术的不断成熟,GPS定位技术在实际测量工作中的不足一定会逐步改善,从而在工程测量中得到更为广泛性的应用.