GPS在工程测量中的应用

陈绿爽

（揭阳市华维规划勘测大队，广东 揭阳 522000）

引言

全球定位系统 (简称GPS)是美国1973年12月开始研制用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到了广泛应用。本文介绍GPS在市区工程测量中的应用，并提出几点体会。

1 GPS的工作原理

1.1 GPS构成

GPS主要由工作卫星、地面监控系统及用户设备三部分构成。1GPS空间卫星由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平面高度为20200km，运行周期为11h58min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断的发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，高度角15°以上的天空能同时观测到4颗以上卫星。GPS地面监控站主要分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS接收机可捕获卫星的信号，跟踪并锁定卫星信号，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，以基线解算、网平差，求出GPS接收机天线中收的三维坐标、速度和时间。

1.2 GPS定位原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的三维坐标位置。从而用距离交会的方法求得该点的三维坐标。

在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在工程测量中常用地固坐标系统。

1.3 GPS测量的特点

相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点:①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10-8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互能视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

2 GPS在工程测量的应用实例

2.1 工程概况

本工程为某市新开发区，该区位于市南侧，占地面积约12Km2，开发区用地均为小山包及一些旱园，区内未布设控制点，本次为加快开发区建设，计划建设道路5km。道路呈丁字型分布，考虑到开发区树木茂盛、地形复杂、通视困难，行走不便，该工程复杂工期较紧，通视困难决定采用GPS测量。

2.2 GPS测量的技术设计

设计依据 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、GB/T19314-2001标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的。设计精度根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1km，最弱边相对中误差小于1/10000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm，比例误差系数b≤20×10-6。

设计基准和网形如下图所示，控制网共7个点，其中联测已知平面控制点3个,采用3台GPS接收机观测，网形布设成边连式，利用静态观测，求出测区内待定点3个，作为本工程的首级点，在工程规划、设计、施工阶段，利用本次求出的首级点，用动态观测，对本工程进行测设。

观测计划 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。

2.3 GPS测量的外业实施

选点。GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑:①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度为15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选项点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。

观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测，采用静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10s。在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。

2.4 GPS测量的数据数据处理

GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标（见表1），其各项精度指标符合技术设计要求。

表1 GPS测量成导表

3 结束语

通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。

GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1/10000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。

GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业的强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。

GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度的控制点三维坐标。

[1]《测量学》

[2]《GPS卫星测量原理与应用》