GPS测量技术在土木工程领域中的应用研究

黄荣荣 吴小营

摘 要：近年来，随着我国经济的快速发展和科学技术水平的不断提高，越来越多的先进的工程技术被应用到工程建设的实际当中，特别是GPS测量技术在土木工程领域中的应用。随着土木工程的不断发展，对于一些技术的要求也越来越高，传统的技术水平已经不再适用于当下的工程建设，因而在土木工程的建设领域也开始注重对新技术，特别是GPS技术的应用。土木工程是我国基础设施建设中的重要组成部分，工程的建设质量对人们的正常生活和生产工作产生着重要的影响。在土木工程领域中引入GPS测量技术，不仅能够满足相关技术质量控制的要求，同时也为工程建设的效率实现了质的飞跃。本文以GPS测量技术为核心，对其在土木工程建设领域的应用进行了研究与探讨。

关键词：GPS测量技术；土木工程；应用

前 言：现代化的不断发展使得越来越的科学技术应用到工程建设的工作当中，特别是在土木工程的建设领域中应用了GPS测量技术，这对于现代的工程建设工作来说，具有非常重要的现实意义。GPS测量技术与其他技术相比，更为先进，它具有全天候、全球连续覆盖、定位精度高、静态定位观测高效等突出特点。特别是在近几年来，GPS测量技术在土木工程领域中的应用已经越来越广泛，不仅仅能够使工程的施工质量得到有效的控制，还能降低施工的难度，提高工作效率，同时又能节省工程施工的成本，推动了土木工程的持续发展。

一、GPS测量技术概述

1.GPS系统的组成

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

GPS空间卫星星座主要包括3颗在轨备用卫星和21颗工作卫星。这24颗卫星在6个轨道平面内均匀地分布，卫星的平均高度为20180km，运行周期为11小时58分钟、轨道平面的倾角为55°。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，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，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

GPS地面监控站主要包括分布在全球的一个主控站、五个监测站以及三个注入站。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用户设备包括了数据处理软件、GPS接收机和其终端设备。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大与处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、GPS网平差，最后得到GPS接收机中心的三维坐标，达到测量和定位的效果。

2.GPS測量技术的特点

2.1.观测位之间不需要通视

采用GPS技术测量，观测位之间是不需要通视的，只需要保证观测位上方是开阔的空间就可以。所以，在很大程度上节省了工程投入，据估算，大约可以节省总投入的40%左右。观测位置也较为灵活多变，可以根据实际需要安排观测站，这样就可以减少工作时间，提高工作效率。

2.2定位准确性好

GPS观测定位准确度在50公里之内可以达到10-6，100-500公里能够达到10-7，大于1000公里时能够达到10-9，在300-1500米施工项目的精确测量定位中，大于1小时的观测时间，其测量误差不大于1毫米。GPS传回的平面定位数据的准确度为5毫米，高度定位准确度为8毫米。

2.3观测效率高

GPS技术发展到现在为止，20公里之内的静态测量只需要15-20分钟；在进行高速相对静态定位时，在每个活动定位站和基准站距离小于15公里时，活动站定位时间仅仅需要1-2分钟；在进行动态相对定位时，活动站开始行动，定位时间仅仅需要1-2分钟，随后进行测量定位，所需时间约为几秒。可以看出GPS的观测效率是非常高的。

2.4提供坐标位置

经典大地定位在进行平面和高度定位时，是使用不同的方式分别进行测量。但是GPS技术不但可以进行平面和高度定位，还可以提供精确的坐标位置。

2.5便于操作

GPS技术的自动化程度比较高，甚至达到了完全自动化，控制人员仅需简单配置并开启关闭设备、查看数据、注意设备工作情况就可以完成测量定位，剩余工作都可以交给GPS自动完成。

2.624小时连续工作

GPS定位不会受到外在环境的影响，不受时间、地点的限制，全天连续进行观测活动。

3.GPS测量技术的原理

GPS 系统中的卫星会不断广播测距信号电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载波上发射。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

图：GPS测量原理示意图

二、GPS测量技术在土木工程领域中的应用

1.桥梁施工应用

GPS 测量技术在桥梁施工中主要是用来对控制网进行有效地构建，并对施工放样进行处理，GPS 测量技术的应用，可以对施工现场的各项施工数据进行准确地测量，如高程测量和跨河水准测量，其都能够得到精准的数据，从而有利于对桥梁施工的各个环节进行控制。施工人员可以通过 GPS 测量技术提供的三维定位信息，来进行桥梁工程的整体规划，使得桥梁施工更加可靠，有效的保障了桥梁施工的质量！虽然在目前的桥梁施工放样中，GPS 测量技术的应用还比较少，但是由于其能够提供较为准确的三维定位信息，因此，在桥梁施工中还有着很大的发展空间。为了能够更好地适应未来社会的发展，桥梁工程必须加强对 GPS 测量技术的应用，并且不断深化研究，使得其优势能够充分发挥出来，以保障桥梁施工质量。