摘要:文章論述了對(duì)測(cè)量新技術(shù)GPS的組成及定位原理,分析了GPS在工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn),闡述了GPS在工程測(cè)量中的實(shí)施步驟,指出了應(yīng)用GPS進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)。
　　關(guān)鍵詞:GPS，工程測(cè)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(shí)測(cè)距/全球定位系統(tǒng),通常所說的GPS是(GlobalPositioningSystem)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)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(shí)和測(cè)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。
　　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55°的6個(gè)軌道上,軌道高度約為20000km,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(cè)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(cè)站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天線(GroundAntenna)所組成,主控制站位于美國(guó)科羅拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息,并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)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(hào)接收機(jī)。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(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)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(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)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(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖所示：

　　假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)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(gè)方程式：

　　上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)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(jī)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(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。
　　c為GPS信號(hào)的傳播速度（即光速）。
　　四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：
　　x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。
　　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(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，
　　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(jī)的鐘差。
　　由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vto。
　　GPS是根據(jù)什么來進(jìn)行定位的?
　　GPS接收機(jī)在地面上接受位于天上的至少4顆GPS定位衛(wèi)星的信號(hào)（電磁波）。根據(jù)定位信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的時(shí)間差，GPS接收機(jī)就可以計(jì)算出自己距離衛(wèi)星的準(zhǔn)確距離。又因?yàn)镚PS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(gè)位置和剛剛得到的距離，換算出GPS接收機(jī)在地面的位置（經(jīng)緯度、海拔等等）。
　　3GPS在工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)
　　(1)測(cè)站之間無需通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)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(cè)量精度與紅外儀相當(dāng),但隨著距離的增長(zhǎng),GPS測(cè)量?jī)?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)l0-7～l0-6。
　　(3)觀測(cè)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(cè)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(cè)僅需幾秒鐘。
　　(4)提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí),可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。
　　(5)操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。在觀測(cè)中測(cè)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(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲,跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。
　　(6)全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(chǎng)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(cè)
　　GPS外業(yè)觀測(cè)主要包括天線安置、觀測(cè)作業(yè)和觀測(cè)記錄等。
　　4.2.1天線安置
　　天線安置的內(nèi)容包括對(duì)中、整平、定向和量測(cè)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≤±3°～5°。天線高是指天線的相位中心至觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)志中心的垂直距離。
　　4.2.2觀測(cè)作業(yè)
　　觀測(cè)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(cè)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(cè)。
　　4.2.3觀測(cè)記錄
　　觀測(cè)記錄的方式一般有兩種:①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;②測(cè)量手簿,由觀測(cè)人員填寫。觀測(cè)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(cè)成果應(yīng)進(jìn)行外業(yè)校核,這是確保外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)預(yù)期定位精度的重要環(huán)節(jié)。觀測(cè)任務(wù)結(jié)束后,必須及時(shí)對(duì)觀測(cè)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(cè)或補(bǔ)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)后應(yīng)及時(shí)導(dǎo)出所測(cè)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(cè)量觀測(cè)時(shí)要充分考慮影響GPS測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)粗差。
　　(7)GPS高程測(cè)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(cè)區(qū)重力成果,數(shù)字高程模型,重力場(chǎng)模型等資料不是一件輕而易舉的事情,況且GPS高程測(cè)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(cè)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(diǎn)、實(shí)施及其在實(shí)施注意事項(xiàng)，對(duì)高程測(cè)量工程將起到重要作用。
　　
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　［1］ 黃聲享、郭英起、易慶林.GPS在測(cè)量工程中的應(yīng)用.北京：中國(guó)測(cè)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(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2003
　　［3］ 李征航、黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005