GPS測量技術在工程中的運用探討

薛征

【摘要】 GPS測量技術因其獨特的優點，并廣泛運用于工程的測量中。本文主要概述了GPS測量技術，并通過工程實例分析了GPS測量技術的具體實施。

【關鍵詞】GPS；測量；技術；通視

GPS主要是在衛星為基礎的基礎上發展起來的無線電衛星導航定位系統，它具有眾多優點，不但能實現全天候和全球性的連續、實時精密導航和定位，能確保很好的保密性，抗干擾性很強。所以，GPS測量技術被廣泛運用在工程測量、大地測量、海洋測量、航空攝影測量和城市測量等領域，并且也在很多其他的領域得到了普遍運用，比方說：被運用在交通、軍事、通信和資源管理等領域。

一、GPS的組成和原理特點

（一）GPS構成

GPS的構成主要包括三部分：空間衛星星座、地面監控站和用戶設備。

1.GPS空間衛星星座。這個星座的主要構成是21顆工作衛星與3顆在軌備用衛星。這所有的24顆衛星都均勻地分布在6個軌道平面中，軌道平面的傾角為550，衛星的平均高度是20200km，運行周期為1lh58min。衛星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號，導航定位信號中含有衛星的位置信息，使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角150以上，平均可同時觀測到6顆衛星，最多可達到9顆。

2.GPS地面監控站。它主要由分布于全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站會結合各監測站對GPS衛星的觀測數據，來計算各衛星的軌道參數與鐘差參數，并把這些數據編制成導航電文，最后傳至注入站，再經過注入站把主控站發來的導航電文傳輸至相應的衛星存儲器中。

3.GPS用戶設備。它主要是由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算機）等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，跟蹤衛星的運行，并對信號進行交換、放大和處理，再通過計算機和相應軟件，經基線解算、網平差，求出GPS接收機中心（測站點）的三維坐標。

（二）GPS定位原理

GPS定位是結合測量中的距離交會定點原理實現的。具體見圖1所示，在待測點Q設置GPS接收機，在某一時刻t 同時接收到3顆（或3顆以上）衛星s1、s2、s3所發出的信號。通過數據處理和計算，可求得該時刻接收機天線中心（測站點）至衛星的距離p1、p2、p3。

（三）GPS測量技術的特點

跟一般的測量技術相比， GPS測量技術具有自己獨特的優點：

第一， GPS測量技術具有較高的精度。使用GPS測量技術所得的精度遠遠高出一般的測量，確保在小于50km的基線上，讓定位精度達到1×10-6，在大于l000km的基線上達到1×10-8。

第二，不需要測站間的通視。使用GPS測量技術并無需測量站間的通視性，以便能在結合實際確定點位的基礎上，讓選點工作變得更為靈活方便。

第三，觀測需要較短的時間。GPS測量技術的逐漸完善，再加上軟件的不斷更新，在GPS測量時，靜態相對定位每站只需要20min的時間，而動態相對定位只要幾秒鐘。

第四，儀器便于操作。現階段的GPS接收機的自動化和智能化程度日益提高，觀測人員只要對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機就能自動觀測與記錄。

第五，能實現全天候工作。GPS衛星所涉及的數目較多，且分布均勻，能確保在任時、任地的連續觀測，一般都不會受到天氣的影響。

第六，提供三維坐標。GPS測量可以確保測站點的三維坐標十分精確，也能保證高程精度符合四等水準測量的要求。

二、工程實際應用分析

（一）工程概況

該工程占地66.7km2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占到了，最高處約90m；山上具有茂密的樹木，因為地形比較復雜，在通視上比較困難，為了便于設計與施工，需要建立起首級的控制網；又因為工程比較復雜，時間上也比較緊迫，測區在通視時不能做到一覽無遺，因為地形起伏大，所以最終確定使用GPS測量。

（二）GPS測量的技術設計

首先，嚴格遵循設計依據。GPS測量的技術設計主要依據1999年建設部發布的行業標準《城市測量規范》、1997年建設部發布的行業標準《全球定位系統城市測量技術規程》及工程測量合同有關要求制定的。

其次，一定要根據工程的實際需要來確保設計精度。選擇城市或工程二級GPS網作為測區首級控制網，要求平均邊長小于1km，最弱邊相對誤差小于1/10000，GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數b≤20×10-6 。

再次，制定周密的觀測計劃。根據GPS衛星的可見預報圖和幾何圖形強度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測時段（衛星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業調度表。

（三）GPS測量的外部作業實施

1.選點。GPS測量的測站點之間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續測量，選點時應著重考慮：①每點最好與某一點通視，以便后續測量工作的使用；②點周圍高度角150以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點位要遠離大功率無線電發射源、高壓電線等，以免電磁場對信號干擾；④ 點位應選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；⑤選點結束后，按要求埋設標石，并填寫點日記。

2.觀測。根據GPS作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角150，時段長度45min，采樣間隔10S；在3個點上同時安置3臺接收機天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數據，開機觀察；當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關數據，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手冊。

（四）GPS測量的數據處理

GPS數據處理分為基線解算和網平差兩個階段，采用隨機軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，得到GPS控制點的三維坐標，其各項精度指標符合技術設計要求。

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