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GPS定位系統在工程測量中的應用

出處：作者：杭州繪天網 2008年10月15日

全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國從20世紀70年****始研制的用于軍事部門的新一代衛星導航與定位系統，歷時20年，耗資200多億美元，分三階段研制，陸續投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以衛星為基礎的無線電衛星導航定位系統，它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到了應用［1］，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領域展開了研究并得到廣泛應用。本文介紹GPS在山區工程測量中的應用，并提出幾點體會。
　　1　GPS簡介
　　1．1　GPS構成
　　GPS主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成。
　　（1）GPS空間衛星星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道平面的傾角為55°，衛星的平均高度為20 200 km，運行周期為11 h 58 min。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15°以上，平均可同時觀測到6顆衛星，最多可達到9顆。
　　（2）GPS地面監控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站根據各監測站對GPS衛星的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。

（3）GPS用戶設備由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。
　　1．2　GPS定位原理
　　GPS定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的［2］。如圖1所示，在待測點Q設置GPS接收機，在某一時刻tk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ρ1、ρ2、ρ3。根據衛星星歷可查到該時刻3顆衛星的三維坐標（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，從而由下式解算出Q點的三維坐標（X，Y，Z）：

　　1．3　GPS測量的特點
　　相對于常規測量來說，GPS測量主要有以下特點：①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規測量，在小于50 km的基線上，其相對定位精度可達1×10－6，在大于1 000 km的基線上可達1×10－8。②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，靜態相對定位每站僅需20 min左右，動態相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄。⑤全天候作業。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。
　　2　應用實例
　　2．1　工程概況
　　本文涉及的工程由某集團公司投資建造，是一個集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項目。工程位于城郊，占地66．7 hm2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占三分之二。最高處約90 m。山上樹木茂盛，地形復雜，通視困難，行走不便。為了該工程的設計和施工，需建立首級控制網。考慮到工程復雜，工期較緊，測區通視困難，地形起伏大等因素，決定采用GPS測量。
　　2．2　GPS測量的技術設計
　　（1）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》［3］及工程測量合同有關要求制定的。
　　（2）設計精度　根據工程需要和測區情況，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1 km，最弱邊相對中誤差小于1／10 000，GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15 mm，比例誤差系數b≤20×10－6。

　　（3）設計基準和網形　如圖2所示，控制網共12個點，其中聯測已知平面控制點2個（I12，I13），高程控制點5個（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水準測得）。采用3臺GPS接收機觀測，網形布設成邊連式。
　　（4）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。
　　2．3　GPS測量的外業實施
　　（1）選點　GPS測量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15°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，以免電磁場對信號的干擾；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，并填寫點之記。
　　（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15°，時段長度45min，采樣間隔10 s。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，觀測者填寫測量手簿。
　　2．4　GPS測量的數據處理
　　GPS網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（見表1），其各項精度指標符合技術設計要求。
　　3　結束語
　　通過GPS在測量中的應用，得到如下體會。
　　（1）GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優越性。但由于測區條件較差，邊長較短（平均邊長不到300 m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1／10 000。因此，當精度要求較高時，應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。
　　（2）GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業強度，觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛星的觀測及信號的質量，經重測后通過。因此，應嚴格按有關要求選點，擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等設備的使用。
　　（3）GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標。但由于聯測已知高程點較少（僅聯測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯測足夠的已知高程點。
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