摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,工程建設(shè)不斷增多,工程測量技術(shù)的要求也越來越高。本文結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，就GPS在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
　　關(guān)鍵詞：工程測量；GPS；原理；實(shí)施
　　前言：
　　隨著GPS定位技術(shù)的不斷改進(jìn),軟、硬件的不斷完善,長期使用的測角、測距、測水準(zhǔn)為主體的常規(guī)地面定位技術(shù),正在逐步被一次性確定三維坐標(biāo)的高速度、操作簡單的GPS技術(shù)所代替。它是一種可以通過定時(shí)和測距進(jìn)行空間交會定點(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。
　　一．GPS系統(tǒng)的組成
　　GPS(全球定位系統(tǒng))為美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)由衛(wèi)星星座(空間部分)、地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面部分)、GPS接收機(jī)(用戶設(shè)備部分)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．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55°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(shí)刻全球各處都能觀測到高度角為15°以上的4顆衛(wèi)星。
　　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。
　　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,在信號處理器中進(jìn)行中頻放大、濾波和信號處理,解碼得到廣播電文、獲得偽距定位結(jié)果,將觀測數(shù)據(jù)存儲并傳遞至電腦進(jìn)行處理。
　　二．GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位原理
　　GPS定位屬于無線電定位范疇,類似于傳統(tǒng)的后方交會。如果已知空間GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置,若僅確定測站點(diǎn)的三維則GPS接收機(jī)只要接收到3顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號,即測得衛(wèi)星到測站點(diǎn)的幾何距離,就可根據(jù)后方交會原理,確定出測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。最基本的方法有距離定位法和雙曲線定位法兩種。
　　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．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。
　　三．GPS系統(tǒng)在工程測量中的優(yōu)點(diǎn)
　　1．用途廣泛
　　對于測繪行業(yè)而言,GPS定位系統(tǒng)已應(yīng)用于:大地測量,地殼板塊運(yùn)動監(jiān)測,建立各種工程監(jiān)測網(wǎng)和進(jìn)行各種工程測量等。GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用有著廣泛的前景,特別是自動變形監(jiān)測系統(tǒng)、工程施工的自動控制系統(tǒng)是未來應(yīng)用研究的重要方向之一。
　　2．定位精度高
　　短距離(15km以內(nèi))精度可達(dá)毫米級,中、長距離(幾十公里甚至幾百公里)相對粗度可達(dá)到10-7~10-8。差分導(dǎo)航的精度可達(dá)米級至厘米級。大型建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測,在采用特殊的觀測措施、精密星歷和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后,平面精度可達(dá)亞毫米級,高程精度可穩(wěn)定在1mm左右。
　　3．自動化程度高。
　　用GPS接收機(jī)進(jìn)行完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個(gè)測站上需要做長時(shí)間的連續(xù)測量,還可實(shí)行無人值守的數(shù)據(jù)采集,通過數(shù)據(jù)傳輸將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,實(shí)現(xiàn)自動化的GPS測量和計(jì)算。
　　4．全天候觀測
　　應(yīng)用GPS定位、導(dǎo)航,不受天氣的影響,可以全天候地工作,這一特點(diǎn),保證了變形監(jiān)測的連續(xù)性和自動化。
　　3.5觀測時(shí)間短,人力消耗少
　　用GPS進(jìn)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(jìn)行動態(tài)相對定位測量時(shí),在初始化工作完成后,流動站可隨時(shí)定位,每站觀測僅需幾秒鐘。
　　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。
　　（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(jìn)行靜態(tài)相對定位時(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≤±3°-5°。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。
　　（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(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,啟動接收機(jī)進(jìn)行觀測。
　　（3）觀測記錄
　　觀測記錄的方式一般有兩種:①由接收機(jī)自動形成,并保存在接收機(jī)存儲器中供隨時(shí)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(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理的唯一依據(jù),必須要真實(shí)、準(zhǔn)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)對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行校核,對于外業(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。
　　5.GPS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(shí)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）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。
　　（4）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。
　　（5）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.GPS衛(wèi)星定位誤差來源及消弱措施
　　6.1與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差
　　主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。這兩種誤差對GPSRTK來講都是很大的，在距離較遠(yuǎn)或流動站周圍有障礙時(shí)，誤差可達(dá)5～10cm。為了消除大氣折射誤差，在實(shí)際作業(yè)中，可采用雙頻觀測，衛(wèi)星高度角設(shè)置15°左右，不宜太小。在消除多路徑效應(yīng)方面，可在接收機(jī)設(shè)置時(shí)選取多徑抑制。適當(dāng)延長觀測時(shí)間也能消除多路徑效應(yīng)。
　　6.2與接收設(shè)備有關(guān)的誤差
　　主要包括天線相位中心位置偏差誤差和儀器對中誤差。天線相位中心位置偏差在毫米級，對GPSRTK來講不算很大，中樁放樣時(shí)可適當(dāng)延長觀測時(shí)間。為了消除儀器對中誤差，在架設(shè)基準(zhǔn)站時(shí)應(yīng)嚴(yán)格對中整平，盡量減小基準(zhǔn)站對中誤差。流動站放樣時(shí)，應(yīng)在圓水準(zhǔn)泡居中時(shí)查看點(diǎn)位精度，以消除流動站不對中帶來的誤差。另外，解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)采用的控制點(diǎn)坐標(biāo)的精度，控制點(diǎn)在測區(qū)分布的均勻程度等直接影響轉(zhuǎn)換模型的精度，從而影響坐標(biāo)的精度。
　　6結(jié)束語
　　總之，GPS定位技術(shù)已經(jīng)基本上淘汰了用常規(guī)測角、測距手段建立大地控制網(wǎng)的方法,其良好的精度、可觀的經(jīng)濟(jì)效益已為工程測量界所公認(rèn)。在程測量工程中起到重要作用。加強(qiáng)相關(guān)學(xué)科的研究,不斷拓寬工程測量服務(wù)新領(lǐng)域,開創(chuàng)工程測量發(fā)展新局面,為推動我國工程測量科技進(jìn)步而努力奮斗程測量工程將起到重要作用。

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