GPS測量技術探討

摘要：GPS技術已經廣泛應用到測量的眾多方向中，但是測量生產中仍然會有很多問題存在，本文從GPS定位原理出發，對GPS定位中的誤差來源進行了分析，進而闡述了GPS平面與高程測量，最后對GPS測量所采用的坐標系統及坐標轉換進行了分析。

關鍵詞：GPS 測量技術 坐標轉換

0 引言

GPS技術是測量技術的重要組成部分，隨著其廣泛應用，傳統測量已被完全改革。原濤[1]對GPS技術的來歷及用途進行概括介紹，同時對GPS技術在工程測量中的應用以及GPS的最新測量方法RTK技術做了一個簡單的分析，并就工程測量中GPS技術與傳統測量技術的結合方式及發展趨勢進行預測。鄒德全[2]就GPS技術在土地測繪中的應用展開分析和討論，了解GPS技術在土地測繪中的應用效果以及具體的應用形式。馮鈞森[3]介紹了GPS技術的概念，來源，儀器設備的組成，主要的技術特征和技術優勢，以及其主要應用領域；從三方面闡述了GPS在地籍控制測量中的應用，闡述了GPS系統在土地測繪中的應用，最后展望GPS技術的應用前景。同時，還有專業技術人員[4][5]對GPS技術的應用進行了探討。本文系統的對GPS定位技術進行了探討分析，包括：GPS定位原理、GPS定位中的誤差來源、GPS平面與高程測量、GPS測量所采用的坐標系統及坐標轉換。

1 GPS定位原理及誤差源

GPS定位技術主要采用偽距空間后方交會法或載波相位測量，地面接收站至少需要四顆以上衛星才能完成定位，這是因為所求定的結果中不但包括待定的點位X、Y、Z，還包括地面接收機的鐘差參數，因為偽距是由衛星信號在大氣中傳播的時間和速度乘積求得，時間微小的變化就會給偽距帶來不小的變動，衛星鐘差可以采用數學模型進行修正，而地面接收機采用的是穩定性很差的石英鐘，因此無法用數學模型修正，只能作為未知參數看待，衛星也就增加了一顆。這樣GPS定位測量時待定參數就是四個，需要列立四個方程才能完成求解，也就對應有四顆以上衛星需要被鎖定。

在GPS定位測量時其誤差的主要來源有三部分：衛星部分、傳播路徑、信號接收和其他影響。衛星的誤差有衛星星歷差，衛星鐘差，相對論效應（影響的的是衛星鐘)。衛星鐘差可以通過電文傳給用戶。與接收機的誤差主要是鐘差、位置誤差、中心位置偏差、相位中心偏差。而主要時間誤差就是接收機鐘差，同步觀測求差即可消除。其他的地球自轉、地球潮汐改正或多或少也有影響。信號的傳播路徑上包括：電離層延遲、對流層延遲誤差和多路徑效用這三部分。電離層由于含有很多自由電子，所以發生折射。減弱的方法有雙頻法、改正模型、同步觀測求差。對流層最接近地面受地面氣候、壓力、溫度等影響密切，主要減弱方法是同步觀測或模型改正。多路徑效應是由于信號是以弧面傳播的，這樣射到地面等面上發生反射或漫反射而被接收機接收，影響觀測結果。可以把天線做的大些，或者加上抑徑板、抑徑圈等阻擋多余信號進入接收機天線，還可以在設置測站時選擇合適的站址，遠離水面、鏡面地面等。對于接收機部分的誤差則主要是天線對中誤差、幾何相位誤差等，同時還有地球潮汐的影響，日月引力、地球自轉的影響等。

對于GPS定位的誤差，可以采用數學模型的方法加以消除，或采用好的硬件和好的觀測環境加以消弱。如采用差分技術大部分誤差是可以消除。它主要有三種單機準站差分、局部區域差、分廣域差分。其中單機位置只能在小范圍觀測同一組衛星來實現，計算簡單，只是受范圍大小限制。偽距差分應用最廣，提供所有衛星的數據信息，可以任意觀測四個衛星即可。只是基準站距接收機的距離而增大誤差。載波差分的差分法比較正宗，將基準站的載波相位發送給用戶，進行差分結算。局部區域的范圍相對大些，有多個基準站。廣域差分地對于一個國家或幾個國家的范圍，是對誤差源加以改正區分。

2 GPS平面與高程測量

GPS平面坐標的測量方法主要是單點定位。此種測量方法相對簡單，此方法的工作原理是利用衛星發出的電波計算出某一個點的三維坐標數據。通常情況下，單點定位測量方法能夠接收四個以內的衛星的信號并做出分析。但是此種測量方法的缺陷是因為其利用的是接收線或天線來確定三維坐標數據的，因此，該種測量方法在精度要求方面還不夠，測量定位時最好不采用單點定位。其次是相對定位。相對定位包含有：動態側量、快速靜態測量和靜態測量三種。動態測量的操作方法是在測定的區域選擇一個點作為基準點，利用天線和接收機跟蹤可見衛星，相比較于靜態測量法，動態測量法的精度還達不到靜態測量?？焖凫o態測量的操作方法是需要首先選擇一個基準點，保持一臺接收機在原控制點的基準上保持不變，其他幾臺接收機進行觀測。靜態測量是的操作方法是在多天基準線上的兩端放置兩臺以上的天線和接收機，接受和分析衛星信號。此種測量方法在精度要求方面比較可靠。最后一種是實時動態測量。測量數據處理主要是包含有兩個方面的內容：數據的預處理和GPS網的平差處理。GPS網的平差處理的操作原理是利用一個點為三維坐標點，一次進行GPS網坐標轉換與平差處理。

高程系統從原理上可以分為正高、正常高、大地高和力高。由于重力無法準確測量所以正高是無法準確求出的。但為了有一個統一的高程基準，我國采用平均重力的思想建立了基于似大地水準面的正常高。GPS顯然不同，它采用的是橢球面為基準面，測量的是空間點位對橢球面的法高，稱之為大地高。正常高與大地高之間存在一個差異值，稱之為高程異常，也就是說只要知道了一個區域的高程異常，其中某個點位的正常高即可通過采集的大地高進行轉換，這大大提高了高程的測量效率。力高主要解決緯度不等導致的高程不等與重力等位面之間的矛盾，主要在南北水域跨度大時才會采用。目前，GPS高程測量精度仍然較低，生產中一般會配合水準測量來進行高程測定。但近幾年多個省份完成了似大地水準面精化工作，為GPS高程測量提供了廣泛推廣應用的基礎。

3 坐標系統與坐標轉換

坐標系統的建立是測量工作能夠進行的基本工作。按照不同的分類模式，坐標系統可分為：地心坐標系、參心坐標系、天球坐標系、地球坐標系等。也可以分為：空間直角坐標系、大地坐標系、平面直角坐標系、獨立坐標系和極坐標系，也可以分為：左手坐標系和右手坐標系，還可以有：WGS-84坐標系、北京54坐標系、新北京54坐標系、西安80坐標系和國家2000坐標系。其中GPS采用的是WGS-84坐標系，衛星坐標系采用天球坐標，排除地球自傳的影響。而地面點可以采用地球坐標。我們采用GPS測繪時需要注意，測繪成果必須轉換為參心的北京54或西安80，或者正在推行的地心2000坐標成果提交，而不能采用WGS-84坐標。關注一個坐標系統，主要是鬧明白其如何定義，即：坐標原點在何處？Z軸指向何處？X軸指向何處？是左手系還是右手系？就像是WGS-84原點位于地球質心，Z軸指向協議地球極方向，X軸指向BIH1984-0的零子午面，和CTP赤道的交點，Y軸則根據右手坐標系。

坐標轉換其實是兩個不同坐標系之間的相互靠近一致過程，原點不同——平移到一起；軸系指向不同——旋轉扭正為一致；軸系尺度不同——縮放達到相同。由此：平面直角坐標之間的轉換參數需要的是一個尺度、一個旋轉和兩個平移；空間直角坐標之間的轉換參數則需要一個尺度、三個旋轉和三個平移。對于轉換公式，平移分量直接加上去，尺度分量乘上去，而較為麻煩的是旋轉分量。

其中七參法是最常用的。尺度、位置，角度全都不一致。轉換參數由公共點聯測獲得。即使如此，也要考慮公共點的融合性，剔除一些不太好的聯測點。除了七參數，如果聯測的公共點很多時可以采用多項式模型進行轉換，精度還不錯。七參數只適合局部區域，可對于較大范圍，采用多項式回歸模型是適用的。

4 結束語

GPS技術已經深入到測量工作的各個方向之中，如工程測量的GPS-RTK放樣，控制測量的GPS控制網建立，攝影測量的GPS輔助空中三角測量等，但是GPS定位測量中各種技術問題都難免存在，如果不能掌握定位原理及各項誤差的來源與消除辦法，就會面對問題而難以下手。為了更好的掌握該項技術以滿足各種生產要求，本文對GPS定位技術進行了全方位的探討，對GPS技術廣泛應用提供了理論參考，也為中國北斗導航定位系統的推出應用具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]原濤.淺談GPS技術在工程測量中的應用[J].江西測繪，2013(4):53-55.

[2]鄒德全.土地測繪中GPS技術的應用[J].中國科技信息，2013(24):93-94.

[3]安延云.淺談GPS測量技術的應用[J].科技傳播，2011(13).

作者簡介：周建偉（1986-），男，助理工程師，2009年畢業于中國礦業大學土地資源管理專業，現在神華神東煤炭集團地測公司工作。