GPS测量技术在工程中的运用探讨

薛征

【摘要】 GPS测量技术因其独特的优点，并广泛运用于工程的测量中。本文主要概述了GPS测量技术，并通过工程实例分析了GPS测量技术的具体实施。

【关键词】GPS；测量；技术；通视

GPS主要是在卫星为基础的基础上发展起来的无线电卫星导航定位系统，它具有众多优点，不但能实现全天候和全球性的连续、实时精密导航和定位，能确保很好的保密性，抗干扰性很强。所以，GPS测量技术被广泛运用在工程测量、大地测量、海洋测量、航空摄影测量和城市测量等领域，并且也在很多其他的领域得到了普遍运用，比方说：被运用在交通、军事、通信和资源管理等领域。

一、GPS的组成和原理特点

（一）GPS构成

GPS的构成主要包括三部分：空间卫星星座、地面监控站和用户设备。

1.GPS空间卫星星座。这个星座的主要构成是21颗工作卫星与3颗在轨备用卫星。这所有的24颗卫星都均匀地分布在6个轨道平面中，轨道平面的倾角为550，卫星的平均高度是20200km，运行周期为1lh58min。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150以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

2.GPS地面监控站。它主要由分布于全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站会结合各监测站对GPS卫星的观测数据，来计算各卫星的轨道参数与钟差参数，并把这些数据编制成导航电文，最后传至注入站，再经过注入站把主控站发来的导航电文传输至相应的卫星存储器中。

3.GPS用户设备。它主要是由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、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

（二）GPS定位原理

GPS定位是结合测量中的距离交会定点原理实现的。具体见图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻t 同时接收到3颗（或3颗以上）卫星s1、s2、s3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离p1、p2、p3。

（三）GPS测量技术的特点

跟一般的测量技术相比， GPS测量技术具有自己独特的优点：

第一， GPS测量技术具有较高的精度。使用GPS测量技术所得的精度远远高出一般的测量，确保在小于50km的基线上，让定位精度达到1×10-6，在大于l000km的基线上达到1×10-8。

第二，不需要测站间的通视。使用GPS测量技术并无需测量站间的通视性，以便能在结合实际确定点位的基础上，让选点工作变得更为灵活方便。

第三，观测需要较短的时间。GPS测量技术的逐渐完善，再加上软件的不断更新，在GPS测量时，静态相对定位每站只需要20min的时间，而动态相对定位只要几秒钟。

第四，仪器便于操作。现阶段的GPS接收机的自动化和智能化程度日益提高，观测人员只要对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机就能自动观测与记录。

第五，能实现全天候工作。GPS卫星所涉及的数目较多，且分布均匀，能确保在任时、任地的连续观测，一般都不会受到天气的影响。

第六，提供三维坐标。GPS测量可以确保测站点的三维坐标十分精确，也能保证高程精度符合四等水准测量的要求。

二、工程实际应用分析

（一）工程概况

该工程占地66.7km2多，属两山夹一沟地形，山地面积约占到了，最高处约90m；山上具有茂密的树木，因为地形比较复杂，在通视上比较困难，为了便于设计与施工，需要建立起首级的控制网；又因为工程比较复杂，时间上也比较紧迫，测区在通视时不能做到一览无遗，因为地形起伏大，所以最终确定使用GPS测量。

（二）GPS测量的技术设计

首先，严格遵循设计依据。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》、1997年建设部发布的行业标准《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。

其次，一定要根据工程的实际需要来确保设计精度。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，最弱边相对误差小于1/10000，GPS接收機标称精度的固定误差a≤15mm，比例误差系数b≤20×10-6 。

再次，制定周密的观测计划。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。

（三）GPS测量的外部作业实施

1.选点。GPS测量的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点周围高度角150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选点结束后，按要求埋设标石，并填写点日记。

2.观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角150，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，观测者填写测量手册。

（四）GPS测量的数据处理

GPS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，其各项精度指标符合技术设计要求。

参考文献：

[1]路伯祥，许提多，黄丁发.GPS在铁路隧道平面控制测量中的应用铁道学报[J].2008，17（2）.

[2]姚连壁，刘大杰，周全基.隧道GPS网对向贯通误差的影响[J].测绘学报.2007，8.

[3]管国斌.对中小城镇GPS控制网中几个问题的探讨[J].浙江测绘.2002，（2）：45-46.