摘要：筆者通過多年工作經(jīng)驗(yàn)，主要介紹了GPS的組成及定位原理，分析了GPS在工程測量中的優(yōu)點(diǎn)，闡述了GPS在工程測量中的各個(gè)實(shí)施步驟，并指出了應(yīng)用GPS在進(jìn)行工程測量時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)。以供同行參考。
　　關(guān)鍵詞：GPS；工程測量；定位原理；應(yīng)用
　　引言
　　隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，測量顯得越來越重要，與此同時(shí)測量方法與測量儀器也得到質(zhì)的發(fā)展。自從有了GPS，正如人們所說：“GPS的應(yīng)用，僅僅受人們想象力的制約”。
　　全球定位系統(tǒng)的全稱是導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)測距／全球定位系統(tǒng)，通常所說的GPS是其字頭縮寫詞NAVS2TAR／GPS的簡稱。它是一種可以通過定時(shí)和測距進(jìn)行空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息。美國建立的GPS全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天侯、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能。能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。另外還有由俄羅斯接替前蘇聯(lián)部署的GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，還有歐盟建立的伽俐略（Galileo）GNSS系統(tǒng)，還有中國建立的雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號(hào)），各個(gè)系統(tǒng)均有其特點(diǎn)和用處，都是衛(wèi)星定位技術(shù)的科學(xué)發(fā)展。
　　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(jī)為主的用戶部分組成。三者具有獨(dú)立的功能和作用，又有機(jī)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(yàn)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550的6個(gè)軌道上，軌道高度約為2×104km，各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差600，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400，以保證全球均勻覆蓋的要求，并在任意時(shí)刻全球各處都能觀測到高度角為150以上的4顆衛(wèi)星。
　　1.2地面監(jiān)控部分
　　地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測站組成。
　　1.3用戶設(shè)備部分
　　用戶設(shè)備部分包括GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件等。GPS接收機(jī)主要由天線、信號(hào)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(hào)，在信號(hào)處理器中進(jìn)行中頻放大、濾波和信號(hào)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(chǔ)并傳遞至電腦進(jìn)行處理。
　　2GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理
　　GPS定位屬于無線電定位范疇，用戶只需通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，就能測定衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間延遲或相位延遲，解算接收機(jī)到GPS衛(wèi)星間的距離(稱為偽距)，確定接收面位置及時(shí)間改正數(shù)。最基本的方法有距離定位法和雙曲線定位法兩種。
　　2.1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(jī)天線所在位置，即待求點(diǎn)位置。P點(diǎn)到S1、S2、S3的距離利用電磁波傳播理論計(jì)算后，P點(diǎn)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(gè)圓，其交點(diǎn)即為GPS接收機(jī)天線的位置，它具有經(jīng)度、緯度、高程和時(shí)間的四維特性。
　　2.2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(jī)天線位置，即待求點(diǎn)位置。如果已測量出P點(diǎn)到兩個(gè)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(diǎn)，以D為焦距繪出3組空間曲面，3個(gè)曲面的交點(diǎn)即為P點(diǎn)的位置。這種方式需要3個(gè)距離差值，至少需要觀測4個(gè)以上的GPS工作衛(wèi)星，才能完成定位工作。
　　3GPS在工程測量中的優(yōu)點(diǎn)
　　(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(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便，這樣可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。
　　(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1×10-6，而紅外儀標(biāo)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(shí)驗(yàn)證明，在<50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500km的基線上可達(dá)10-7～10-6。
　　(3)觀測時(shí)間短，人力消耗少。用GPS進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在<20km的短基線上，快速相對(duì)定位一般只需15—20min；進(jìn)行動(dòng)態(tài)相對(duì)定位測量時(shí)，在初始化工作完成后，流動(dòng)站可隨時(shí)定位，每站觀測僅需幾秒鐘。
　　(4)提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，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(dòng)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(dòng)完成。
　　(6)全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)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(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對(duì)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(shí)施
　　4.1選點(diǎn)與建立標(biāo)志
　　選點(diǎn)應(yīng)滿足以下條件：點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)避開對(duì)電磁波接收有干擾的物體，如微波站、電視臺(tái)、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。
　　4.21天線安置
　　天線安置的內(nèi)容包括對(duì)中、整平、定向和量測天線高。進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位時(shí)，天線應(yīng)架設(shè)在三角架上，并安置在標(biāo)志中心的上方直接對(duì)中，天線基座上的圓水準(zhǔn)氣泡須居中。定向是使天線的定向標(biāo)志線指向正北，定向誤差一般≤±30～50天線高是指天線的相位中心至觀測點(diǎn)標(biāo)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(hào)對(duì)其進(jìn)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(jī)安置在距天線不遠(yuǎn)的安全處，接通接收機(jī)與電源、天線的連接電纜，經(jīng)檢查無誤后，在約定的時(shí)間打開電源，啟動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行觀測。
　　4.2.3觀測記錄
　　觀測記錄的方式一般有兩種：由接收機(jī)自動(dòng)形成，并保存在接收機(jī)存儲(chǔ)器中供隨時(shí)調(diào)用和處理：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(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理的唯一依據(jù)，必須要真實(shí)、；隹確。
　　4.3成果校核與數(shù)據(jù)處理
　　觀測成果應(yīng)進(jìn)行外業(yè)校核，這是確保外業(yè)觀測質(zhì)量和實(shí)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(shí)對(duì)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行校核，對(duì)于外業(yè)預(yù)處理成果，要按《規(guī)范》要求嚴(yán)格檢查、分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格成果，并根據(jù)情況采取重測或補(bǔ)測措施。成果校核無誤后，即可進(jìn)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(jì)算，坐標(biāo)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(shí)施中的注意事項(xiàng)
　　(1)開機(jī)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(chǔ)鍵。
　　(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)燈開始會(huì)長亮表示正在存儲(chǔ)，然后慢閃表示已存儲(chǔ)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(shí)常注意查看數(shù)據(jù)存儲(chǔ)燈和電池LED指示燈，如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)燈快閃表示正在存儲(chǔ)但數(shù)據(jù)快滿，燈熄表示停止存儲(chǔ)，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(shí)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1Omm+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(shí)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(shí)施過程中，要經(jīng)常連測一些已知水準(zhǔn)點(diǎn)，隨時(shí)進(jìn)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(dá)到相應(yīng)等級(jí)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
　　本文論述了在建筑工程中應(yīng)用GPS定位技術(shù)有著傳統(tǒng)方法所無法比擬的優(yōu)越性,同時(shí)在理論上也具有可行性。GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響，整個(gè)作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理、優(yōu)點(diǎn)、實(shí)施及其在實(shí)施注意事項(xiàng)，對(duì)高程測量工程能起到重要作用。