工程测量中GPS测量技术的优、缺点

李震章 代洪君

（1、牡丹江市市政工程设计研究院有限责任公司，黑龙江 牡丹江 157000 2、黑龙江地理信息工程院，黑龙江 牡丹江 157000）

GPS全称为全球定位系统（Global Position System），硬件是由环球通讯卫星和接收装置组成，基于卫星的无线电导航定位系统，为用户提供精密的三维坐标、导航与时间信息。随着地球的数字化进程，微电子技术和GIS技术获得重大进展，卫星导航、定位的理论已趋成熟，同时各个领域都需要掌握对空间资料的处理和利用的基本技术，GPS将作为通用设备越来越多地应用于科研和民用领域。

1 GPS系统由3部分组成：

1.1 空间部分：主动式工作卫星：26颗卫星分布6个椭圆轨道上，长半轴26600km，高度20200km，时间基准10-12?/FONT>10-13秒。

1.2 控制部分：轨道预报（监测和控制卫星系统），确定系统时间，预报卫星星历、卫星钟状态，更新卫星导航电文。

1.3 用户部分：不同类型的接收机（由带前置放大器的天线、信号识别和处理的射频仓、微处理器、精密振荡器、电源、显示屏、内存和数据存储器组成）。

2 观测原理和信号结构：

2.1 基本观测量：卫星发射天线和接收机天线间信号传播时间。

2.2 伪距测量由时间系统同步误差参数决定。

2.3 轨道确定和描述保证卫星精确定位。

3 GPS系统的应用

3.1 在科学研究方面，利用GPS的观测精度（毫米级）和时空分辨率监测地球的动态变化，从而剖析地球内部和地壳、大气层、海洋等的变化情况；同时利用卫星轨道的测定和影响参数的分析可对地球引力系数，自转、潮汐、大气、电离层等参数进行研究。GPS系统的广泛应用大大推进了地球科学及地震、气象、海洋等各相关科学的发展。

目前中国首期地壳运动观测GPS网络工程已经完成。国家地震局、总参测绘局和科学院等部门联合在全国各地建立了25个连续观测基准站、56个定期复测基准站和1000多个不定期复测站，通过对大地板块进行以毫米/年为单位的长期测量，分析地壳运动规律，从而开展地震预报、大地测量和国防等方面的研究工作。

3.2 在政府管理和民用领域，GPS的导航和动态定位测量等功能得到广泛应用。如在针对各类灾害的预防和快速反应上，如地震、森林火灾、水灾等，可以快速确定发灾地点、受灾范围和灾情的发展趋势。在交通、环保、城市规划、水利和旅游等方面GPS获得了广泛的运用。

4 GPS测量的优点

4.1 采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强

网形构造简单，点的疏密和边的长短可灵活选取，即使离已知控制点较远也可以连接，并进行控制网的定位和定向。另外，它解决了点位之间无法通视的困难，选点灵活，不需要高标，同时还可以保证外业施测不受天气影响。测设大型(长边)方格网和通视条件特别困难时，尤其能够显示其优越性。尽管GPS本身在进行测量时不受到通视条件的限制，但是，工程测量一般为小范围测量并受到工程成本的限制。因此，在实际的工程测量中，仍然要考虑使用全站仪、经纬仪、水准仪等常用且投入较少的仪器。这些常用的仪器一般都需要点与点之间相互通视，特别是在布设控制网时，点与点不能通视将会给测量工作带来较多的麻烦和困难。特别是大型桥梁控制网中，如果点与点不通视，势必影响网的强度和精度，进而影响到桥梁本身的精度。因此，在工程测量中布设GPS控制网时，必要时应当尽量使较多的点互相通视。

4.2 GPS方格网点位精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。

4.3 采用点位中误差作为方格网测量精度指标是可行的，它比用相对中误差表示精度指标更为合理。

4.4 采用GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。网形优化比较方便。

4.5 采用GPS-RTK测设建筑方格网与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。一个参考站可有多台流动站作业，流动站不需基准站指挥，单人即可独立作业。

5 GPS技术的不足

5.1 GPS系统精确定位的关键就在于对卫星和接收机之间距离的准确计算，按照固定模式：距离=速度×时间，时间确定之后，速度按电磁波的传播速度定。众所周知电磁波在真空中的传播速度很快，但大气层不是真空状态，信号要受到电离层和对流层的重重干扰。GPS系统只能对此进行平均计算，在某些具体区域肯定存在误差；在大城市或山区由于高层建筑物及树木等对信号的影响，也会导致信号的非直线传播，计算时也会引入一定的误差；

5.2 与常规仪器进行的控制测量一样，使用GPS-RTK技术应首先复核起算基准点的精度，起算点应为高等级的控制点，并且起算基准点和观测点之间具有较好的位置分布。当使用动态GPS-RTK进行观测时，基准站的精度要经过3-5个高等级控制点的连测、复核，确保基准站坐标在各个方位观测情况下具有一致的精度。

5.3 大量的工程实例证明，虽然GPS高程测量能够达到一定的精度，但用GPS施测的市政工程测量控制点，应进一步用常规仪器进行水准联测，保证高程精度满足市政工程建设的需要。

5.4 GPS测量中所选择的控制点位置的差异直接影响到观测点位的精度。由于GPS测量是通过接收卫星发射的信号经过数据处理而得到点位坐标(包括高程)的，任何可能影响信号接收的因素出现干扰时，所测定的点位坐标都可能产生误差。为此，在选择测量点位时应注意以下几点：点位视野开阔，向上15°，视角范围内应尽量避免有障碍物；尽量远离大功率无线电发射源，间距应不小于400m，远离高压输电线路，间距应不小于200m；远离具有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积的水域。

5.5 GPS测量更适用于视野开阔、障碍物较少的新区建设、野外勘探定位等，在老城区的建设中，使用GPS测量，或者接收不到信号，或者虽接收到信号，但一直处于浮动状态，出现假固定或者不能固定，因此所得数据往往误差较大，既无效率，又无精度，不能显示出GPS测量的优越性。

5.6 GPS测量成果与常规测量成果之间，不同型号GPS测量成果之间存在差异，有时相差比较大。GPS网在进行平差计算时，边长一般需要进行两项改正：归算至大地水准面的改正；归算到高斯投影面上的改正。二维联台平差模型不能解决平面位置与高程位置统一的问题，而三维联台平差模型是一个多功能的可实现平差模型转换的高级平差系统，平差得到的结果是点的三维空间位置及其精度，这对于点位及其分量的全面分析和研究是极有利的。但在三维联合平差时，需要地面点有相应精度要求的大地高观测值，这在某些情况下是难以实现的。

5.7 GPS及其相关技术是一门新兴起的技术，其运用的规范标准还不够完善，目前我国还没有颁布统一的地理信息标准，导航产品生产商大多使用自己开发生产的电子地图，这些电子地图一般相互不兼容。另外，产品没有统一的标准规范，产品市场没有形成标准，特别是软件产品没有形成统一的规范。这还待有关部门进一步研究制定。

6 结束语

在当前，空间信息数据是政府部门决策和行业发展规划的重要依据，是网络高速公路上的主流内容之一。利用GPS进行数据更新具有及时、高效、高精度、不受恶劣环境气候影响等优势，未来的几年内，GPS连续观测基准站将会遍布全国，任何地区都可以实现实时测量，GPS作为一种便捷的科学工具将在空间科学领域获得广泛的应用。

[1]徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民.GPS测量原理及应用[M].武汉测绘科技大学出版社，2000

[2]吉星升，董军.《GPS技术在工程测量中应用现状及其局限性》中国测量，2002，6.

[3]吴英浩《GPS在工程测量中应用的几点体会》中国市政工程-2005年2期.