摘要:文章論述了對測量新技術(shù)GPS的組成及定位原理,分析了GPS在工程測量中的優(yōu)點,闡述了GPS在工程測量中的實施步驟,指出了應(yīng)用GPS進行工程測量時的注意事項。
　　關(guān)鍵詞:GPS，工程測量，技術(shù)應(yīng)用
　　現(xiàn)今隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，全球定位系統(tǒng)的全稱是導(dǎo)航衛(wèi)星定時測距/全球定位系統(tǒng),通常所說的GPS是(GlobalPositioningSystem)的簡稱，是美國國防部于1993年底建成的軍民兩用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。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。
　　1GPS系統(tǒng)的組成
　　GPS定位系統(tǒng)由GPS工作衛(wèi)星組成的空間部分、若干地面站組成的地面監(jiān)控部分及以接收機為主的用戶部分組成。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)。
　　1.1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20000km,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。
　　1.2地面監(jiān)控部分
　　地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天線(GroundAntenna)所組成,主控制站位于美國科羅拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。
　　1.3用戶設(shè)備部分
　　用戶設(shè)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(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，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(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。
　　2GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理
　　GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示：

　　假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：

　　上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數(shù)，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。
　　di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。
　　△ti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。
　　c為GPS信號的傳播速度（即光速）。
　　四個方程式中各個參數(shù)意義如下：
　　x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。
　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，
　　可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。
　　Vti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。
　　Vto為接收機的鐘差。
　　由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。
　　GPS是根據(jù)什么來進行定位的?
　　GPS接收機在地面上接受位于天上的至少4顆GPS定位衛(wèi)星的信號（電磁波）。根據(jù)定位信號到達GPS接收機的時間差，GPS接收機就可以計算出自己距離衛(wèi)星的準確距離。又因為GPS定位衛(wèi)星在天上的位置是已知的，所以可以通過公式，把這個位置和剛剛得到的距離，換算出GPS接收機在地面的位置（經(jīng)緯度、海拔等等）。
　　3GPS在工程測量中的優(yōu)點
　　(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點,使得選點更加靈活方便,這樣可節(jié)省大量的造標費用。
　　(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1×10-6,而紅外儀標稱精度為5mm+5×10-6,GPS測量精度與紅外儀相當(dāng),但隨著距離的增長,GPS測量優(yōu)越性愈加突出。實驗證明,在<50km的基線上,其相對定位精度可達12×10-6,而在100～500km的基線上可達l0-7～l0-6。
　　(3)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。
　　(4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,可以精確測定觀測站的大地高程。
　　(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài),而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲,跟蹤觀測等均由儀器自動完成。
　　(6)全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點,任何時間連續(xù)地進行,一般不受天氣狀況的影響。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)。其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式,這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長大隧道等,也有布設(shè)成三角網(wǎng)、線形鎖等形式。
　　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。
　　4.2.1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。
　　4.2.2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。
　　4.2.3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。
　　5GPS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)外業(yè)觀測后應(yīng)及時導(dǎo)出所測數(shù)據(jù),刪除多余數(shù)據(jù)并為第二天留出記錄空間。
　　(4)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。
　　(5)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。
　　(6)外業(yè)實施過程中,要經(jīng)常連測一些已知水準點,隨時進行高程比較,以避免氣候等不確定因素引起的觀測數(shù)據(jù)粗差。
　　(7)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結(jié)束語：
　　總之，GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理、優(yōu)點、實施及其在實施注意事項，對高程測量工程將起到重要作用。
　　
　　
　　參考文獻
　�。�1］ 黃聲享、郭英起、易慶林.GPS在測量工程中的應(yīng)用.北京：中國測繪出版社，2007
　�。�2］ 胡友健、羅昀、曾云.全球定位系統(tǒng)（GPS）原理與應(yīng)用.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003
　�。�3］ 李征航、黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005