摘要:隨著我國經濟的飛速發展,工程建設不斷增多,工程測量技術的要求也越來越高。本文結合實際經驗，就GPS在工程測量中的應用進行了分析。
　　關鍵詞：工程測量；GPS；原理；實施
　　前言：
　　隨著GPS定位技術的不斷改進,軟、硬件的不斷完善,長期使用的測角、測距、測水準為主體的常規地面定位技術,正在逐步被一次性確定三維坐標的高速度、操作簡單的GPS技術所代替。它是一種可以通過定時和測距進行空間交會定點的導航系統,可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。
　　一．GPS系統的組成
　　GPS(全球定位系統)為美國第二代衛星導航系統。GPS定位系統由衛星星座(空間部分)、地面監控系統(地面部分)、GPS接收機(用戶設備部分)組成。三者具有獨立的功能和作用,又有機結合形成完整系統。
　　1．空間星座部分
　　空間部分由7顆試驗衛星和24顆GPS工作衛星組成,GPS工作衛星均勻分布在傾角為55°的6個軌道上,軌道高度約為2×104km,各軌道升交點的赤經相差60°,每條軌道上均勻分布著4顆衛星,相鄰軌道之間的衛星還要彼此之間叉開40°,以保證全球均勻覆蓋的要求,并在任意時刻全球各處都能觀測到高度角為15°以上的4顆衛星。
　　2．地面監控部分
　　地面監控系統由1個主控站、3個注入站和5個監測站組成。
　　3．用戶設備部分
　　用戶設備部分包括GPS接收機和數據處理軟件等。GPS接收機主要由天線、信號處理器、顯示裝置、記錄裝置、電源等組成。其主要功能是通過天線接收GPS衛星發射的無線電信號,在信號處理器中進行中頻放大、濾波和信號處理,解碼得到廣播電文、獲得偽距定位結果,將觀測數據存儲并傳遞至電腦進行處理。
　　二．GPS系統的衛星定位原理
　　GPS定位屬于無線電定位范疇,類似于傳統的后方交會。如果已知空間GPS衛星的瞬時位置,若僅確定測站點的三維則GPS接收機只要接收到3顆GPS衛星所發射的信號,即測得衛星到測站點的幾何距離,就可根據后方交會原理,確定出測站點的三維坐標。最基本的方法有距離定位法和雙曲線定位法兩種。
　　1．距離定位法
　　現假設S1、S2、S3為已知位置的3顆衛星,P為GPS接收機天線所在位置,即待求點位置。P點到S1、S2、S3的距離利用電磁波傳播理論計算后,P點的位置按公式即可求出。也就是說,若分別S1、S2、S3為圓心,以PS1、PS2、PS3距離為半徑做3個圓,其交點即為GPS接收機天線的位置,它具有經度、緯度、高程和時間的四維特性。
　　2．雙曲線定位法
　　假設S1、S2、S3和S4表示已知位置的4顆衛星,P為接收機天線位置,即待求點位置。如果已測量出P點到兩個已知衛星間的距離D,即D=|SiP|×|SjP|。
　　i≠j則可以Si和Sj為焦點,以D為焦距繪出3組空間曲面,3個曲面的交點即為P點的位置。這種方式需要3個距離差值,至少需要觀測4個以上的GPS工作衛星,才能完成定位工作。
　　三．GPS系統在工程測量中的優點
　　1．用途廣泛
　　對于測繪行業而言,GPS定位系統已應用于:大地測量,地殼板塊運動監測,建立各種工程監測網和進行各種工程測量等。GPS技術在工程測量中的應用有著廣泛的前景,特別是自動變形監測系統、工程施工的自動控制系統是未來應用研究的重要方向之一。
　　2．定位精度高
　　短距離(15km以內)精度可達毫米級,中、長距離(幾十公里甚至幾百公里)相對粗度可達到10-7~10-8。差分導航的精度可達米級至厘米級。大型建筑物、構筑物變形監測,在采用特殊的觀測措施、精密星歷和適當的數據處理模型和軟件后,平面精度可達亞毫米級,高程精度可穩定在1mm左右。
　　3．自動化程度高。
　　用GPS接收機進行完成了野外數據采集任務。如果在一個測站上需要做長時間的連續測量,還可實行無人值守的數據采集,通過數據傳輸將所采集的定位數據傳輸到數據處理中心,實現自動化的GPS測量和計算。
　　4．全天候觀測
　　應用GPS定位、導航,不受天氣的影響,可以全天候地工作,這一特點,保證了變形監測的連續性和自動化。
　　3.5觀測時間短,人力消耗少
　　用GPS進行靜態相對定位,在<20km的短基線上,快速相對定位一般只需15～20min進行動態相對定位測量時,在初始化工作完成后,流動站可隨時定位,每站觀測僅需幾秒鐘。
　　4GPS在工程測量中的實施
　　4.1選點與建立標志
　　選點應滿足以下條件:點位應選在交通方便、易于安置接收設備的地方,且視場要開闊GPS點應避開對電磁波接收有干擾的物體,如微波站、電視臺、高壓線、大面積水域等。
　　4.2外業觀測
　　GPS外業觀測主要包括天線安置、觀測作業和觀測記錄等。
　�。�1）天線安置
　　天線安置的內容包括對中、整平、定向和量測天線高。進行靜態相對定位時,天線應架設在三角架上,并安置在標志中心的上方直接對中,天線基座上的圓水準氣泡須居中。定向是使天線的定向標志線指向正北,定向誤差一般≤±3°-5°。天線高是指天線的相位中心至觀測點標志中心的垂直距離。
　�。�2）觀測作業
　　觀測作業的主要任務是捕獲GPS衛星信號對其進行跟蹤、接收和處理,以獲取所需的定位信息和觀測數據。天線安置完成后,將GPS接收機安置在距天線不遠的安全處,接通接收機與電源、天線的連接電纜,經檢查無誤后,在約定的時間打開電源,啟動接收機進行觀測。
　�。�3）觀測記錄
　　觀測記錄的方式一般有兩種:①由接收機自動形成,并保存在接收機存儲器中供隨時調用和處理；②測量手簿,由觀測人員填寫。觀測記錄是GPS定位的原始數據,也是進行后續數據處理的唯一依據,必須要真實、準確。
　　4.3成果校核與數據處理
　　觀測成果應進行外業校核,這是確保外業觀測質量和實現預期定位精度的重要環節。觀測任務結束后,必須及時對觀測數據的質量進行校核,對于外業預處理成果,要按《規范》要求嚴格檢查、分析,以便及時發現不合格成果,并根據情況采取重測或補測措施。成果校核無誤后,即可進行內業數據處理。內業數據處理過程大體可分為:預處理,平差計算,坐標系統的轉換或與已有地面網的聯合平差。
　　5.GPS在工程測量實施中的注意事項
　�。�1）開機后必須等衛星跟蹤燈慢閃,表示正在跟蹤4顆或4顆以上衛星后才可以按下數據存儲鍵。
　　（2）數據存儲燈開始會長亮表示正在存儲,然后慢閃表示已存儲夠快速靜態數據；需要注意的是外業觀測過程中應時常注意查看數據存儲燈和電池LED指示燈,如果數據存儲燈快閃表示正在存儲但數據快滿,燈熄表示停止存儲,數據PC卡已滿；電池LED指示燈綠色表示正在使用,黃色表示正待用,常亮表示夠用,綠燈慢閃表示低電,黃燈慢閃表示壞的,燈關閉表示無電。
　　（3）GPS儀器的選用要選擇精度不低于基線精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6,性能較為穩定且受外界環境因素影響小的GPS。
　�。�4）GPS高程測量觀測時要充分考慮影響GPS測量精度,諸如GPS圖形結構、電離層影響、正確量取天線高等因素。最大程度地減少誤差影響。
　�。�5）GPS高程測量雖然經過科學的數據處理可以保證精度滿足需要,但由于搜集或建立測區重力成果,數字高程模型,重力場模型等資料不是一件輕而易舉的事情,況且GPS高程測量數據經過處理才能達到相應等級的高程精度,再者相關規范也無明確規定,所以建議在生產中應有選擇地使用GPS高程測量技術。
　　6.GPS衛星定位誤差來源及消弱措施
　　6.1與衛星信號傳播有關的誤差
　　主要包括大氣折射誤差和多路徑效應。這兩種誤差對GPSRTK來講都是很大的，在距離較遠或流動站周圍有障礙時，誤差可達5～10cm。為了消除大氣折射誤差，在實際作業中，可采用雙頻觀測，衛星高度角設置15°左右，不宜太小。在消除多路徑效應方面，可在接收機設置時選取多徑抑制。適當延長觀測時間也能消除多路徑效應。
　　6.2與接收設備有關的誤差
　　主要包括天線相位中心位置偏差誤差和儀器對中誤差。天線相位中心位置偏差在毫米級，對GPSRTK來講不算很大，中樁放樣時可適當延長觀測時間。為了消除儀器對中誤差，在架設基準站時應嚴格對中整平，盡量減小基準站對中誤差。流動站放樣時，應在圓水準泡居中時查看點位精度，以消除流動站不對中帶來的誤差。另外，解算坐標轉換參數時采用的控制點坐標的精度，控制點在測區分布的均勻程度等直接影響轉換模型的精度，從而影響坐標的精度。
　　6結束語
　　總之，GPS定位技術已經基本上淘汰了用常規測角、測距手段建立大地控制網的方法,其良好的精度、可觀的經濟效益已為工程測量界所公認。在程測量工程中起到重要作用。加強相關學科的研究,不斷拓寬工程測量服務新領域,開創工程測量發展新局面,為推動我國工程測量科技進步而努力奮斗程測量工程將起到重要作用。

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