工程测量中GPS技术的定位原理及应用

　　摘要：笔者通过多年工作经验，主要介绍了GPS的组成及定位原理，分析了GPS在工程测量中的优点，阐述了GPS在工程测量中的各个实施步骤，并指出了应用GPS在进行工程测量时应该注意的事项。以供同行参考。
　　关键词：GPS；工程测量；定位原理；应用
　　引言
　　随着国家经济建设的飞速发展，测量显得越来越重要，与此同时测量方法与测量仪器也得到质的发展。自从有了GPS，正如人们所说：“GPS的应用，仅仅受人们想象力的制约”。
　　全球定位系统的全称是导航卫星定时测距／全球定位系统，通常所说的GPS是其字头缩写词NAVS2TAR／GPS的简称。它是一种可以通过定时和测距进行空间交会定点的导航系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息。美国建立的GPS全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天侯、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。另外还有由俄罗斯接替前苏联部署的GLONASS全球导航卫星系统，还有欧盟建立的伽俐略（Galileo）GNSS系统，还有中国建立的双星导航定位系统（北斗一号），各个系统均有其特点和用处，都是卫星定位技术的科学发展。
　　1GPS系统的组成
　　GPS定位系统由GPS工作卫星组成的空间部分、若干地面站组成的地面监控部分及以接收机为主的用户部分组成。三者具有独立的功能和作用，又有机结合形成完整系统。
　　1.1空间星座部分
　　空间部分由7颗试验卫星和24颗GPS工作卫星组成，GPS工作卫星均匀分布在倾角为550的6个轨道上，轨道高度约为2×104km，各轨道升交点的赤经相差600，每条轨道上均匀分布着4颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此之间叉开400，以保证全球均匀覆盖的要求，并在任意时刻全球各处都能观测到高度角为150以上的4颗卫星。
　　1.2地面监控部分
　　地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。
　　1.3用户设备部分
　　用户设备部分包括GPS接收机和数据处理软件等。GPS接收机主要由天线、信号处理器、显示装置、记录装置、电源等组成。其主要功能是通过天线接收GPS卫星发射的无线电信号，在信号处理器中进行中频放大、滤波和信号处理，解码得到广播电文、获得伪距定位结果，将观测数据存储并传递至电脑进行处理。
　　2GPS系统的卫星定位原理
　　GPS定位属于无线电定位范畴，用户只需通过地面接收设备接收卫星播发的信号，就能测定卫星信号的传播时间延迟或相位延迟，解算接收机到GPS卫星间的距离(称为伪距)，确定接收面位置及时间改正数。最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。
　　2.1距离定位法
　　现假设S1、S2、S3为已知位置的3颗卫星，P为GPS接收机天线所在位置，即待求点位置。P点到S1、S2、S3的距离利用电磁波传播理论计算后，P点的位置按公式即可求出。也就是说，若分别S1、S2、S3为圆心，以PS1、PS2、PS3距离为半径做3个圆，其交点即为GPS接收机天线的位置，它具有经度、纬度、高程和时间的四维特性。
　　2.2双曲线定位法
　　假设S1、S2、S3和S4表示已知位置的4颗卫星，P为接收机天线位置，即待求点位置。如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D，即D=∣SiP∣×∣SjP∣。i≠j则可以Si和Sj为焦点，以D为焦距绘出3组空间曲面，3个曲面的交点即为P点的位置。这种方式需要3个距离差值，至少需要观测4个以上的GPS工作卫星，才能完成定位工作。
　　3GPS在工程测量中的优点
　　(1)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便，这样可节省大量的造标费用。
　　(2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×10-6，而红外仪标称精度为5mm+5×10-6，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。实验证明，在<50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-7～10-6。
　　(3)观测时间短，人力消耗少。用GPS进行静态相对定位，在<20km的短基线上，快速相对定位一般只需15—20min；进行动态相对定位测量时，在初始化工作完成后，流动站可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
　　(4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
　　(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
　　(6)全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，也有布设成三角网、线形锁等形式。
　　4GPS在工程测量中的实施
　　4.1选点与建立标志
　　选点应满足以下条件：点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方，且视场要开阔：GPS点应避开对电磁波接收有干扰的物体，如微波站、电视台、高压线、大面积水域等。
　　4.2外业观测
　　GPS外业观测主要包括天线安置、观测作业和观测记录等。
　　4.21天线安置
　　天线安置的内容包括对中、整平、定向和量测天线高。进行静态相对定位时，天线应架设在三角架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡须居中。定向是使天线的定向标志线指向正北，定向误差一般≤±30～50天线高是指天线的相位中心至观测点标志中心的垂直距离。
　　4.2.2观测作业
　　观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号对其进行跟踪、接收和处理，以获取所需的定位信息和观测数据。天线安置完成后，将GPS接收机安置在距天线不远的安全处，接通接收机与电源、天线的连接电缆，经检查无误后，在约定的时间打开电源，启动接收机进行观测。
　　4.2.3观测记录
　　观测记录的方式一般有两种：由接收机自动形成，并保存在接收机存储器中供随时调用和处理：测量手簿，由观测人员填写。观测记录是GPS定位的原始数据，也是进行后续数据处理的唯一依据，必须要真实、；隹确。
　　4.3成果校核与数据处理
　　观测成果应进行外业校核，这是确保外业观测质量和实现预期定位精度的重要环节。观测任务结束后，必须及时对观测数据的质量进行校核，对于外业预处理成果，要按《规范》要求严格检查、分析，以便及时发现不合格成果，并根据情况采取重测或补测措施。成果校核无误后，即可进行内业数据处理。内业数据处理过程大体可分为：预处理，平差计算，坐标系统的转换或与已有地面网的联合平差。
　　5GPS在工程测量实施中的注意事项
　　(1)开机后必须等卫星跟踪灯慢闪，表示正在跟踪4颗或4颗以上卫星后才可以按下数据存储键。
　　(2)数据存储灯开始会长亮表示正在存储，然后慢闪表示已存储够快速静态数据：需要注意的是外业观测过程中应时常注意查看数据存储灯和电池LED指示灯，如果数据存储灯快闪表示正在存储但数据快满，灯熄表示停止存储，数据PC卡已满：电池LED指示灯绿色表示正在使用，黄色表示正待用，常亮表示够用，绿灯慢闪表示低电，黄灯慢闪表示坏的，灯关闭表示无电。
　　(3)外业观测后应及时导出所测数据，删除多余数据并为第二天留出记录空间。
　　(4)GPS仪器的选用要选择精度不低于基线精度5mm+1×10-6、高程精度1Omm+2×10-6，性能较为稳定且受外界环境因素影响小的GPS。
　　(5)GPS高程测量观测时要充分考虑影响GPS测量精度，诸如GPS图形结构、电离层影响、正确量取天线高等因素。最大程度地减少误差影响。
　　(6)外业实施过程中，要经常连测一些已知水准点，随时进行高程比较，以避免气候等不确定因素引起的观测数据粗差。
　　(7)GPS高程测量虽然经过科学的数据处理可以保证精度满足需要，但由于搜集或建立测区重力成果，数字高程模型，重力场模型等资料不是一件轻而易举的事情，况且GPS高程测量数据经过处理才能达到相应等级的高程精度，再者相关规范也无明确规定，所以建议在生产中应有选择地使用GPS高程测量技术。
　　6结束语
　　本文论述了在建筑工程中应用GPS定位技术有着传统方法所无法比拟的优越性,同时在理论上也具有可行性。GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响，整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。GPS系统的卫星定位原理、优点、实施及其在实施注意事项，对高程测量工程能起到重要作用。