浅谈测绘新技术(GPS技术)在工程测量中的应用

　　摘要:文章论述了对测量新技术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在工程测量中的实施步骤,指出了应用GPS进行工程测量时的注意事项。
　　关键词:GPS，工程测量，技术应用
　　现今随着技术的不断发展，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(GlobalPositioningSystem)的简称，是美国国防部于1993年底建成的军民两用卫星导航定位系统。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。
　　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55°的6个轨道上,轨道高度约为20000km,各轨道升交点的赤经相差60°,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40°,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15°以上的4颗卫星。
　　1.2地面监控部分
　　地面控制系统由监测站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天线(GroundAntenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
　　1.3用户设备部分
　　用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
　　2GPS系统的卫星定位原理
　　GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示：

　　假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

　　上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。
　　di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
　　△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
　　c为GPS信号的传播速度（即光速）。
　　四个方程式中各个参数意义如下：
　　x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。
　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，
　　可由卫星导航电文求得。
　　Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
　　Vto为接收机的钟差。
　　由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。
　　GPS是根据什么来进行定位的?
　　GPS接收机在地面上接受位于天上的至少4颗GPS定位卫星的信号（电磁波）。根据定位信号到达GPS接收机的时间差，GPS接收机就可以计算出自己距离卫星的准确距离。又因为GPS定位卫星在天上的位置是已知的，所以可以通过公式，把这个位置和刚刚得到的距离，换算出GPS接收机在地面的位置（经纬度、海拔等等）。
　　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l0-7～l0-6。
　　(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。
　　4.2.1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≤±3°～5°。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:①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;②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、准确。
　　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10mm+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：
　　总之，GPS系统的卫星定位原理、优点、实施及其在实施注意事项，对高程测量工程将起到重要作用。
　　
　　
　　参考文献
　　［1］ 黄声享、郭英起、易庆林.GPS在测量工程中的应用.北京：中国测绘出版社，2007
　　［2］ 胡友健、罗昀、曾云.全球定位系统（GPS）原理与应用.北京：中国地质大学出版社，2003
　　［3］ 李征航、黄劲松.GPS测量与数据处理.武汉：武汉大学出版社，2005