淺析GPS測(cè)量技術(shù)及其在工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)

季厚振

大慶油田工程有限公司勘察工程部，黑龍江 大慶 163712

1 GPS測(cè)量技術(shù)原理及特

1.1 原理

GPS是Global Poaitioning System的簡(jiǎn)稱——即全球定位系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代，由美國(guó)開始研究開發(fā)，歷時(shí)20年，耗資200億美元，終于在1994年全面建成，該系統(tǒng)可以對(duì)海陸空進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位，是新型衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)擁有的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)是：全天候、精度高、操作簡(jiǎn)便、高效益，因此受到了眾多測(cè)繪工作者的信賴。GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收了三顆以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)）。

1.2 特點(diǎn)

1）測(cè)站之間無需通視。GPS工程測(cè)量對(duì)各個(gè)測(cè)站間的要求很簡(jiǎn)單，相互之間不需要通視，僅要注意測(cè)站的上部空間需開闊，以保障GPS系統(tǒng)在接收衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)不被干擾。也正是由于這個(gè)特點(diǎn)為測(cè)量工程節(jié)省了大量的造標(biāo)費(fèi)用。因?yàn)楦鱾€(gè)測(cè)站無需通視，點(diǎn)位的選擇就很靈活、方便，可以根據(jù)具體工程的需要來選擇位置，省去了大地網(wǎng)測(cè)量中的過渡點(diǎn)、傳算點(diǎn)的測(cè)量工作；

2）定位精度高。一般的雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，紅外儀的精度則為5mm+5ppm，GPS測(cè)量出的精度相當(dāng)于紅外儀的精度，但距離越長(zhǎng)，GPS測(cè)量的精度優(yōu)勢(shì)就越明顯。在各種應(yīng)用實(shí)踐中證明，GPS相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)時(shí)，可以達(dá)到10-6，GPS相對(duì)定位精度在100km～500km時(shí)，可以達(dá)到10-7，GPS相對(duì)定位精度在1000km時(shí)，可以達(dá)到10-9。而在300 m～1500m的工程精密定位測(cè)量過程中，1小時(shí)以上觀測(cè)的解，其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定的邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm；

3）觀測(cè)時(shí)間短。在布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，各個(gè)測(cè)站的觀測(cè)時(shí)間大概是30min～40min，如果應(yīng)用快速靜態(tài)定位方法，其觀測(cè)的時(shí)間會(huì)更短。若是應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（RTK-Real-time kinematic）能在5s內(nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；

4）提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程；

5）操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量系統(tǒng)接收機(jī)也在不斷的改進(jìn)、完善，其自動(dòng)化的程度也在逐步提高：接收機(jī)的體積越來越小，重量越來越輕，這在很大程度上減輕了外業(yè)測(cè)量人員的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。而今GPS接收機(jī)已趨向于小型化和操作簡(jiǎn)便化，測(cè)量工作人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高、打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)，利用各種數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。另外，GPS觀測(cè)工作在一天之中的任一時(shí)間都可以進(jìn)行，各種惡劣天氣、氣候情況對(duì)它的影響不是很大。

2 GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

1）選點(diǎn)。點(diǎn)位應(yīng)選擇在易于安置接收設(shè)備、視野開闊的位置。選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：（1）每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，方便在后續(xù)的測(cè)量工作中繼續(xù)使用；（2）視野周圍高度角15°以上不應(yīng)有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；（3）點(diǎn)位附近不應(yīng)有大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、微波站等），棋局里不應(yīng)小于200m，距離高壓電線不得小于50m等，避免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾，減弱多路徑效應(yīng)的影響；（4）點(diǎn)位應(yīng)選在交通便利、地面基礎(chǔ)穩(wěn)定、易于保存、有利于其他觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)系的地方，以便觀測(cè)和日后使用；（5）選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，標(biāo)石要求必須堅(jiān)固、穩(wěn)定，并填寫點(diǎn)之記。

2）觀測(cè)。外業(yè)觀測(cè)主要包括以下內(nèi)容：天線安置、開機(jī)觀測(cè)、氣象參數(shù)測(cè)定、觀測(cè)記錄。并及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)設(shè)備上，觀測(cè)者填寫觀測(cè)手簿。

2.2 GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)處理主要流程如下：

圖1

將GPS接收機(jī)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備之后，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，即從原始記錄中，通過解碼將各種數(shù)據(jù)分類整理，剔除無效觀測(cè)值和冗余信息，形成各種數(shù)據(jù)文件，如星歷文件、觀測(cè)文件和測(cè)站信息文件等。統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式，將不同類型接收機(jī)的數(shù)據(jù)記錄格式、項(xiàng)目和采樣密度和觀測(cè)值數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)化的文件格式，以便統(tǒng)一處理。采用多項(xiàng)式擬合法，平滑GPS衛(wèi)星每小時(shí)發(fā)送的軌道參數(shù)，使觀測(cè)時(shí)段的衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化。探測(cè)周跳、修復(fù)載波相位觀測(cè)值。對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行必要修改，在GPS觀測(cè)值中加入對(duì)流層改正，單頻接收的觀測(cè)值中加入電離層改正。預(yù)處理的主要目的是凈化觀測(cè)值，提高觀測(cè)值的精度。一般的數(shù)據(jù)處理軟件都采用站星雙差觀測(cè)值。

影響基線解算結(jié)果的因素主要有：基線解算時(shí)所設(shè)定的起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確；少數(shù)衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間太短，導(dǎo)致這些衛(wèi)星的整周模糊度無法準(zhǔn)確確定；在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段里，有個(gè)別時(shí)間段里周跳太多，導(dǎo)致周跳修復(fù)不完善；在觀測(cè)時(shí)段里，多路徑效應(yīng)比較嚴(yán)重，觀測(cè)值的改正數(shù)普遍比較大；對(duì)流層或電離層折射影響過大。GPS控制網(wǎng)是由相對(duì)定位所求得的基線向量而構(gòu)成的空間基線向量網(wǎng)。在GPS控制網(wǎng)的平差中，是以基線向量及協(xié)方差為基本觀測(cè)量的。通常采用三維無約束平差、三維約束平差及三維聯(lián)合平差三種模型。

[1]全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]徐紹銓，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.

[3]陳斌.淺談新技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2006(12).