GPS原理及在工程測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：簡(jiǎn)述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，總結(jié)了GPS用于工程測(cè)量所具有的特點(diǎn)，介紹了GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：GPS工程測(cè)量應(yīng)用實(shí)例

0 引言

GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)率先在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到廣泛應(yīng)用。

1GPS簡(jiǎn)介

1．1 GPS構(gòu)成 GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

1.1.1 GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20～200km，運(yùn)行周期為11h58min。

1.1.2 GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

1.1.3 GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等組成。

1.2 GPS定位原理 GPS定位是根據(jù)測(cè)量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，在待測(cè)點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1、S2、S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心（測(cè)站點(diǎn)）至衛(wèi)星的距離ρ1、ρ2、ρ3。根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，從而由下式解算出Q點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）：ρ12=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2，ρ22=(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2，ρ32=(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2。

1．3GPS測(cè)量的特點(diǎn) GPS測(cè)量與以往的測(cè)量方式相比，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：第一，GPS測(cè)量可以精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，其高程精度已經(jīng)達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求了；第二，測(cè)量時(shí)間短，進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘就可以了，而靜態(tài)相對(duì)定位雖然所需時(shí)間多一些，但也最多超不過20min，隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，時(shí)間還會(huì)進(jìn)一步縮短；第三，測(cè)量精度高。與以往的測(cè)量方式比，GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量；第四，儀器操作簡(jiǎn)單，目前觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。機(jī)器操作完全實(shí)現(xiàn)智能化，并且目前的趨勢(shì)是，智能化程度在逐步增高，這就給操作人員的工作帶來了便利條件；第五，測(cè)站間無需通視。GPS測(cè)量使得選點(diǎn)工作更加靈活方便，它可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，不需要測(cè)站間相互通視；第六，無時(shí)間限制，GPS測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。它可以在任何地點(diǎn)、任意時(shí)間連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，它具有分布均勻，衛(wèi)星點(diǎn)數(shù)目多的特點(diǎn)，且它一般不受天氣狀況影響，可以任意時(shí)間段觀測(cè)。

2應(yīng)用實(shí)例

2．1工程概況 本文涉及的工程是一個(gè)廠區(qū)的施工控制測(cè)量，工程位于城郊，廠區(qū)東西長(zhǎng)0.93KM，南北寬0.47KM，場(chǎng)地為吹填沙，地勢(shì)平坦。為了本工程設(shè)計(jì)和施工需要，需建立首級(jí)控制網(wǎng)。考慮到業(yè)主提供的兩個(gè)已知GPS點(diǎn)相距1.24公里較遠(yuǎn)且不通視等因素，決定采用GPS測(cè)量。本次測(cè)量屬于第二次控制點(diǎn)補(bǔ)充測(cè)量，隨著施工的進(jìn)展前期所做的5個(gè)GPS點(diǎn)已不能滿足施工需要，本次在原有基礎(chǔ)上增設(shè)4個(gè)GPS點(diǎn)。

2．2GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測(cè)量規(guī)范》、及《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》CJJ/T 73-2010，及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。

2.2.2 設(shè)計(jì)精度根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于0.5km，最弱邊相對(duì)中誤差小于1／45000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤10 mm，比例誤差系數(shù)b≤10×10－6。

2.2.3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形如圖2所示，控制網(wǎng)共由8個(gè)點(diǎn)組成，其中CM02和CM07為已知點(diǎn)；采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

2.2.4 觀測(cè)計(jì)劃根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度，選擇最佳觀測(cè)時(shí)段，并編排作業(yè)調(diào)度表。

2．3GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

2.3.1 選點(diǎn)GPS測(cè)量點(diǎn)位選擇比較方便，各測(cè)站點(diǎn)之間至少有一個(gè)方向通視即可，它的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活多樣，因此，GPS測(cè)量選點(diǎn)不是什么難事，但基于它測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，我們還應(yīng)注意一下一些問題：第一，考慮到廠區(qū)施工的復(fù)雜性，易破壞性，點(diǎn)盡量選在視野開闊，沿主要裝置軸線方向，且相距地下管線3米以上，點(diǎn)周圍應(yīng)少有載重車輛行駛；⑤選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點(diǎn)之記及控制點(diǎn)布置略圖。第二，為避免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾，點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等；第三，為避免信號(hào)被遮擋或吸收，點(diǎn)周圍高度角15°以上不要有障礙物；第四，為方便后續(xù)測(cè)量工作的使用，每點(diǎn)最好與多個(gè)方向通視。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集GPS測(cè)量采用南方測(cè)繪公司北極星9600 GPS接收機(jī)，采用靜態(tài)定位模式進(jìn)行同步觀測(cè)，儀器高準(zhǔn)確至mm。GPS 每時(shí)段觀測(cè)時(shí)間5KM以內(nèi)基線不少于45分鐘，5KM以上基線不少于60分鐘。衛(wèi)星高度角15°，采樣間隔10 s。在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平、定向），量取天線高，開機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫測(cè)量手簿。

2．4GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

2.4.1 起算點(diǎn)數(shù)據(jù)精度檢查 本工程擬采用業(yè)主提供中央子午線為106°的HN-72坐標(biāo)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)GPS測(cè)量發(fā)現(xiàn)擬建廠區(qū)經(jīng)度位于105°，如采用中央子午線106°的坐標(biāo)系統(tǒng)，距離將產(chǎn)生每公里約16厘米的坐標(biāo)投影變形。利用業(yè)主提供的GPS01，GPS03的中央子午線分別為105°、106°的HN-72坐標(biāo)反算該兩點(diǎn)之間距離分別為1230.718米，1230.879米，相差約16厘米。現(xiàn)場(chǎng)GPS實(shí)測(cè)距離為1230.746米。所以本工程若采用中央子午線為105°的HN-72坐標(biāo)系統(tǒng)比較準(zhǔn)確。因?yàn)楸竟こ淌┕ぴO(shè)計(jì)圖紙均采用106°的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了跟旁邊的相關(guān)單位位置銜接，以及與現(xiàn)在的設(shè)計(jì)圖紙坐標(biāo)系統(tǒng)相吻合，建議仍采用106°的坐標(biāo)系統(tǒng)。因此：為了使現(xiàn)有的中央子午線106°的HN-72坐標(biāo)投影誤差不影響廠區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)的精度，簡(jiǎn)單可行的方法是：以GPS03的理論坐標(biāo)為準(zhǔn)，按GPS03與GPS01現(xiàn)有理論方位角292.122272°定向，以GPS3——GPS1實(shí)測(cè)的距離1230.746米作為廠區(qū)控制點(diǎn)測(cè)量的起算數(shù)據(jù)。

2.4.2GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理 GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用南方GPS隨機(jī)處理軟件，基線解算結(jié)果，取雙差固定解，對(duì)不合格基線剔除。然后把已知起算點(diǎn)數(shù)據(jù)代入平差計(jì)算。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測(cè)和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見表1），進(jìn)外業(yè)檢查，發(fā)現(xiàn)本次測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)間互檢坐標(biāo)符合性不太好，某些點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)與理論坐標(biāo)相差多達(dá)2.5cm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，GPS03點(diǎn)周圍由于高壓電桿施工打樁，樁位與該點(diǎn)相距僅一米，GPS03點(diǎn)已發(fā)生位移，經(jīng)GPS實(shí)測(cè)檢查，本次GPS01-GPS03基線長(zhǎng)與上一次相差約1cm。為保持兩次坐標(biāo)良好的銜接性，所以采用上次所做GPS點(diǎn)CM02，CM07為起算點(diǎn)。經(jīng)檢查CM02，CM07兩點(diǎn)精度滿足規(guī)范要求。

經(jīng)全站儀實(shí)測(cè)檢查，兩次共用點(diǎn)GCM4，GCM5本次坐標(biāo)與第一次相差小于5mm，符合性良好。

3結(jié)束語

通過GPS在本測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)：

3.1 在不同的地方測(cè)量，要注意起算點(diǎn)數(shù)據(jù)的投影變形。如投影變形超過使用要求，因建議獨(dú)立坐標(biāo)系或采用本工程使用方法。

3.2 要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)。GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，要想方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，只要保證接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度就行了。但由于聯(lián)測(cè)已知高程點(diǎn)較少，致使的控制點(diǎn)高程精度較低，所以不得不聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)，以保證測(cè)量的精度。

3.3 GPS控制網(wǎng)不受通視、網(wǎng)形的限制，選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便。但由于基線相對(duì)精度較低，個(gè)別邊長(zhǎng)相對(duì)精度大于1／30000，應(yīng)避免短邊測(cè)量，在測(cè)量地形復(fù)雜、通視困難的地區(qū)時(shí)，必須要謹(jǐn)慎觀測(cè)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3.4 GPS測(cè)量雖然實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化、智能化，大大提高了工作效率，但也不可避免地受到一些因素的干擾，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一，受地形因素影響，由于樹木遮擋，影響觀測(cè)效果，影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量；第二，受衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響，觀測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了避免這一系列情況的產(chǎn)生，我們應(yīng)選擇最佳時(shí)段觀測(cè)，選擇好地點(diǎn)，并避免手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的信號(hào)干擾。

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