GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

陳綠爽

（揭陽(yáng)市華維規(guī)劃勘測(cè)大隊(duì)，廣東 揭陽(yáng) 522000）

引言

全球定位系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱GPS)是美國(guó)1973年12月開始研制用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密導(dǎo)航與定位功能，而且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了廣泛應(yīng)用。本文介紹GPS在市區(qū)工程測(cè)量中的應(yīng)用，并提出幾點(diǎn)體會(huì)。

1 GPS的工作原理

1.1 GPS構(gòu)成

GPS主要由工作衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。1GPS空間衛(wèi)星由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)星的平面高度為20200km，運(yùn)行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無(wú)線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷的發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，高度角15°以上的天空能同時(shí)觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星。GPS地面監(jiān)控站主要分布在全球的一個(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(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。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。GPS接收機(jī)可捕獲衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，以基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)天線中收的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。

1.2 GPS定位原理

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3顆以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)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(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的三維坐標(biāo)位置。從而用距離交會(huì)的方法求得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

在GPS測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠こ虦y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.3 GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn):①測(cè)量精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-8。②測(cè)站間無(wú)需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互能視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。③觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)定位每站僅需20min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，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。⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況影響。⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

2 GPS在工程測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本工程為某市新開發(fā)區(qū)，該區(qū)位于市南側(cè)，占地面積約12Km2，開發(fā)區(qū)用地均為小山包及一些旱園，區(qū)內(nèi)未布設(shè)控制點(diǎn)，本次為加快開發(fā)區(qū)建設(shè)，計(jì)劃建設(shè)道路5km。道路呈丁字型分布，考慮到開發(fā)區(qū)樹木茂盛、地形復(fù)雜、通視困難，行走不便，該工程復(fù)雜工期較緊，通視困難決定采用GPS測(cè)量。

2.2 GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

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》、GB/T19314-2001標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。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1km，最弱邊相對(duì)中誤差小于1/10000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數(shù)b≤20×10-6。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形如下圖所示，控制網(wǎng)共7個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)3個(gè),采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式，利用靜態(tài)觀測(cè)，求出測(cè)區(qū)內(nèi)待定點(diǎn)3個(gè)，作為本工程的首級(jí)點(diǎn)，在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段，利用本次求出的首級(jí)點(diǎn)，用動(dòng)態(tài)觀測(cè)，對(duì)本工程進(jìn)行測(cè)設(shè)。

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（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。

2.3 GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

選點(diǎn)。GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮:①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測(cè)量工作的使用；②點(diǎn)周圍高度為15°以上不要有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；④點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測(cè)和日后使用；⑤選項(xiàng)點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點(diǎn)之記。

觀測(cè)。根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè)，采用靜態(tài)相對(duì)定位，衛(wèi)星高度角15°，時(shí)段長(zhǎng)度45min，采樣間隔10s。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，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，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。

2.4 GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)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，采用隨機(jī)軟件完成。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），其各項(xiàng)精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

表1 GPS測(cè)量成導(dǎo)表

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)GPS在測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)。

GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測(cè)區(qū)條件較差，邊長(zhǎng)較短（平均邊長(zhǎng)不到300m），基線相對(duì)精度較低，個(gè)別邊長(zhǎng)相對(duì)精度大于1/10000。因此，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無(wú)法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。

GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)的強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量，經(jīng)重測(cè)后通過(guò)。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的使用。

GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，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，即可方便地求出符合精度的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。

[1]《測(cè)量學(xué)》

[2]《GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用》