1、GPS 在工程测量中的应用摘 要：简述了全球定位系统（GPS）的基本结构和测量原理，总结了 GPS 用于工程测量所具有的特点，介绍了 GPS 在工程测量中的应用实例。 关键词：GPS；工程测量；应用实例 全球定位系统（Global Positioning System ，简称 GPS）是美国从 20 世纪 70 年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时 20 年，耗资 200 多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于 1994 年全面建成。GPS 是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干
2、扰性和保密性。因此，GPS 技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用1，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。本文介绍 GPS 在山区工程测量中的应用，并提出几点体会。 1 GPS 简介 11 GPS 构成 GPS 主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。 （1）GPS 空间卫星星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道平面的倾角为 55，卫星的平均高度为 20 200 km，运行周期为 11 h 58 min。卫星用 L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不
3、断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角 15以上，平均可同时观测到 6 颗卫星，最多可达到 9 颗。 中国 3S 吧 （2）GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监 测站对 GPS 卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。 （3）GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选
4、择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出 GPS 接收机中心（测站点）的三维坐标。 12 GPS 定位原理 GPS 定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的2。如图 1 所示，在待 测点 Q 设置 GPS 接收机，在某一时刻 tk 同时接收到 3 颗（或 3 颗以上）卫星 S1、S2 、S3 所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离 1、2、3。根据卫星星历可查到该时刻 3 颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j1，2，3，从而由下式解算出 Q 点的三维坐标（X，Y，Z ）：
5、13 GPS 测量的特点 相对于常规测量来说，GPS 测量主要有以下特点： 测量精度高。GPS 观测的精度明显高于一般常规测量，在小于 50 km 的基线上，其相对定位精度可达 1106，在大于 1 000 km 的基线上可达1108。测站间无需通视。 GPS 测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。观测时间短。随着 GPS 测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行 GPS 测量时，静态相对定位每站仅需 20 min 左右，动态相对定位仅需几秒钟。仪器操作简便。目前 GPS 接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设
6、定参数，接收机即可进行自动观测和记录。全天候作业。GPS 卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。提供三维坐标。GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。 2 应用实例 21 工程概况本文涉及的工程由某集团公司投资建造，是一个集休闲、娱乐、旅游、渡假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊，占地 667 hm2 多，属两山夹一沟地形，山地面积约占三分之二。最高处约 90 m。山上树木茂盛，地形复杂，通视困难，行走不便。为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏大等
7、因素，决定采用 GPS 测量。 22 GPS 测量的技术设计 （1）设计依据 GPS 测量的技术设计主要依据 1999 年建设部发布的行业标准城市测量规范、1997 年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程3及工程测量合同有关要求制定的。（2）设计精度 根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级 GPS 网作为测区首级控制网。要求平均边长小于 1 km，最弱边相对中误差小于 110 000，GPS 接收机标称精度的固定误差 a15 mm，比例误差系 数 b20106。 （3）设计基准和网形 如图 2 所示，控制网共 12 个点，其中联测已知平面控制点 2 个（I12，I13 ），高程
8、控制点 5 个（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水准测得）。采用 3 台 GPS 接收机观测，网形布设成边连式。 专业的 3S 站 （4）观测计划 根据 GPS 卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子 PDOP），选择最佳观测时段卫星多于 4 颗，且分布均匀，PDOP 值小于 6），并编排作业调度表。 23 GPS 测量的外业实施 （1）选点 GPS 测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑 GPS 测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；点周围高度角 15以上不要有障碍物
9、，以免信号被遮挡或吸收；点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。 （2）观测 根据 GPS 作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角 15，时段长度45min，采样间隔 10 s。在 3 个点上同时安置 3 台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。 24 GPS 测量的数据处理 GPS 网数据处理分为基线解算和网平差两个阶
10、段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到 GPS 控制点的三维坐标（见表 1），其各项精度指标符合技术设计要求。3 结束语 通过 GPS 在测量中的应用，得到如下体会。 （1）GPS 控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到 300 m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于 110 000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。 （2）GPS 接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时
11、卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。 （3）GPS 测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少（仅联测 5 个），致使的控制点高程精度较低。因此，要保证控制点高程的精度，必须联测足够的已知高程点。 参考文献 1管国斌对中小城镇 GPS 控制网中几个问题的探讨J浙江测绘，2003，（2）：4546 2刘大杰全球定位系统（GPS）的原理与数据处理M上海：同济大学出版社，1996 3北京市测绘设计研究院CJJ7397，全球定位系统城市测量技术规程S北京：中国建筑工业出版社，1997
