摘要：GPS測量技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，極大地促進(jìn)了地籍測繪工作的進(jìn)步，不僅使地籍測繪的工作方式發(fā)生了根本性的變革，也大大提高了工程測繪的工作效率、拓廣了工程測繪的服務(wù)范圍。本文介紹了GPS測量的基本原理，對GPS在工程測繪中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
　　關(guān)鍵詞：GPS，工程測繪
　　
　　一、全球定位系統(tǒng)(GPS)
　　全球定位系統(tǒng)(GPS)是“衛(wèi)星授時(shí)測距導(dǎo)航／全球定位系統(tǒng)”的簡稱。該系統(tǒng)由美國國防部于1973年組織研制，歷經(jīng)20年，耗資近300億美元，于1993年建設(shè)成功，主要為軍事導(dǎo)航與定位服務(wù)。GPS利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號進(jìn)行導(dǎo)航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航、定位、側(cè)速和授時(shí)功能，并具有良好的保密性和抗干擾性。GPS已成為美國導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，被稱為本世紀(jì)繼阿波羅登月計(jì)劃之后的又一重大航天技術(shù)。GPS不但可以用于軍事上各兵種和武器的導(dǎo)航定位，在民用上也具有廣泛的應(yīng)用。GPS定位技術(shù)的引入，引發(fā)了測繪技術(shù)的一場革命，使得測繪領(lǐng)域步入了一個嶄新的時(shí)代。
　　全球定位系統(tǒng)(GPS)由三部分(見圖6—39)組成：空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備。
　　
　　圖1GPS組成示意圖
　　 經(jīng)過20年的發(fā)展，GPS己經(jīng)廣泛地滲透到了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其是對經(jīng)典測量學(xué)的各個方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在許多學(xué)科，如地球動力學(xué)、大地測量學(xué)、天文學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地球物理勘探、航空與衛(wèi)星遙感、工程變形監(jiān)測以及精密時(shí)間傳遞等方面的廣泛應(yīng)用，充分地顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度與高效益。
　　二、GPS定位原理
　　全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位基本原理，是空間距離交會定點(diǎn)原理。假設(shè)在地面上有3個無線電信號發(fā)射臺，其位置坐標(biāo)已知，用(xi,yi,zi)(其中i＝1，2，3)表示。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無線電測距的原理測得接收機(jī)到3個無線電發(fā)射臺的距離只Ri(i＝1，2，3)，則只需以3個發(fā)射臺為球心，以所測距離為半徑，即可用距離交會原理計(jì)算出用戶接收機(jī)的空間位置(xp，yp，zp，)。其數(shù)學(xué)模型如下：
　　Ri=
　　如果只有兩個無線電發(fā)射臺，則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會出接收機(jī)的平面位置。這種通過無線電測距交會定點(diǎn)的方法是目前仍在使用的飛機(jī)、輪船的導(dǎo)航定位方法。現(xiàn)在將無線電信號發(fā)射臺從地面搬到位于空間中的衛(wèi)星之上，組成一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無線電測距交會的原理，便可由3個以上地面已知點(diǎn)交會出衛(wèi)星的空間位置；反之，利用3個以上衛(wèi)星的已知空間位置，又可以交會出地面上未知點(diǎn)的空間位置。這就是GPS衛(wèi)星定位的基本原理。
　　與傳統(tǒng)測繪相比，GPS有其明顯的技術(shù)優(yōu)勢：(1)定位精度高。用載波相位做相對定位，觀測時(shí)間少于20min，可以達(dá)到±5mm的距離精度。若采用快速定位方法，觀測時(shí)問僅需1min左右，即能達(dá)到±0.1m的距離精度。(2)提供三維坐標(biāo)。GPS測量，在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，還可以精確測定觀測站的大地高程。(3)觀測站之間無須通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，一直是常規(guī)測量在實(shí)踐方面的難題之一。GPS測量可以節(jié)省常規(guī)測量所需的造標(biāo)費(fèi)用，減少測量時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。(4)全天候作業(yè)。GPS測量工程，通常可在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行。
　　二、GPS測量實(shí)施
　　GPS測量的外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)、建立觀測標(biāo)志、野外觀測以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測量實(shí)施的工作程序，則可分為技術(shù)設(shè)計(jì)、選點(diǎn)與建立標(biāo)志、外業(yè)觀測、成果檢核與處理等階段。現(xiàn)將GPS測量中最常用的精密定位方法——靜態(tài)相對定位方法的工作程序作一簡單介紹。
　　2.1GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)
　　GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作。這項(xiàng)工作應(yīng)根據(jù)網(wǎng)的用途和用戶的要求來進(jìn)行，其主要內(nèi)容包括精度指標(biāo)的確定和網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)等。
　　2.1.1GPS測量的精度指標(biāo)
　　精度指標(biāo)的確定取決于網(wǎng)的用途，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)用戶的實(shí)際需要和可以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備條件，恰當(dāng)?shù)卮_定GPS網(wǎng)的精度等級。精度指標(biāo)通常以網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離誤差mR來表示，其形式為：
　　（1）
　　式中D為相鄰點(diǎn)間的距離(km)。現(xiàn)將我國不同類級GPS網(wǎng)的精度指標(biāo)列于表1所示。
　　
　　2.1.2網(wǎng)形設(shè)計(jì)
　　常規(guī)控制測量中，控制網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)十分重要。而在GPS測量時(shí)由于不需要點(diǎn)間通視，因此圖形設(shè)計(jì)靈活性比較大。GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個問題：
　　(1)網(wǎng)的可靠性設(shè)計(jì)。GPS測量有很多優(yōu)點(diǎn)，如測量速度快，測量精度高等，但是由于是無線電定位，受外界環(huán)境影響大，所以在圖形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮成果的準(zhǔn)確可靠和有較可靠的檢驗(yàn)方法。GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。
　　(2)GPS點(diǎn)雖然不需要通視，但是為了便于與常規(guī)方法聯(lián)測和擴(kuò)展，要求控制點(diǎn)至少與一個其他控制點(diǎn)通視，或者在控制點(diǎn)附近300m外布設(shè)一個通視良好的方位點(diǎn)。以便建立聯(lián)測方向。
　　(3)為了求定GPS網(wǎng)坐標(biāo)與原有地面控制網(wǎng)坐標(biāo)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，要求至少有三個GPS控制網(wǎng)點(diǎn)與地面控制網(wǎng)點(diǎn)重合。
　　(4)為了利用GPS進(jìn)行高程測量，在測區(qū)內(nèi)GPS點(diǎn)應(yīng)盡可能與水準(zhǔn)點(diǎn)重合，或者進(jìn)行等級水準(zhǔn)聯(lián)測。
　　(5)GPS點(diǎn)盡量選在天空視野開闊、交通方便地點(diǎn)，并要遠(yuǎn)離高壓線、變電所及微波輻射干擾源。
　　2.2選點(diǎn)與建立標(biāo)志
　　由于GPS測量觀測站之間不要求通視，而且網(wǎng)形結(jié)構(gòu)靈活，故選點(diǎn)工作遠(yuǎn)較常規(guī)大地測量簡便；并且省去了建立視標(biāo)的費(fèi)用，降低了成本。但GPS測量又有其自身的特點(diǎn)，因此選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)滿足以下要求：點(diǎn)位應(yīng)選在交通方便、易于安置接收設(shè)備的地方，且視野開闊，以便于同常規(guī)地面控制網(wǎng)的聯(lián)測；GPS點(diǎn)應(yīng)避開對電磁波接收有強(qiáng)烈吸收、反射等干擾影響的金屬和其他障礙物體，如高壓線、電臺、電視臺、高層建筑、大范圍水面等。
　　點(diǎn)位選定后，應(yīng)按要求埋置標(biāo)石，以便保存。最后，應(yīng)繪制點(diǎn)之記、GPS網(wǎng)選點(diǎn)圖，作為提交的選點(diǎn)技術(shù)資料。
　　2.3外業(yè)觀測
　　外業(yè)觀測是指利用GPS接收機(jī)采集來自GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，其作業(yè)過程大致可分為天線安置、接收機(jī)操作和觀測記錄。外業(yè)觀測應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)所擬定的觀測計(jì)劃進(jìn)行實(shí)施，只有這樣，才能協(xié)調(diào)好外業(yè)觀測的進(jìn)程，提高工作效率，保證測量成果的精度。為了順利地完成觀測任務(wù)，在外業(yè)觀測之前，還必須對所選定的接收設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。
　　天線的妥善安置是實(shí)現(xiàn)精密定位的重要條件之一，其具體內(nèi)容包括：對中、整平、定向并量取天線高。
　　接收機(jī)操作的具體方法步驟，詳見儀器使用說明書。實(shí)際上，目前GPS接收機(jī)的自動化程度相當(dāng)高，一般僅需按動若干功能鍵，就能順利地自動完成測量工作；并且每做一步工作，顯示屏上均有提示，做到實(shí)時(shí)記錄，減少外作用操作量。
　　觀測記錄的形式一般有兩種：一種由接收機(jī)自動形成，并保存在機(jī)載存儲器中，供隨時(shí)調(diào)用和處理，這部分內(nèi)容主要包括接收到的衛(wèi)星信號、實(shí)時(shí)定位結(jié)果及接收機(jī)本身的有關(guān)信息。另一種是測量手簿，工作量大，需要有人隨時(shí)記錄，其中包括觀測時(shí)的氣象元素等其他有關(guān)信息。觀測記錄是GPS定位的原始數(shù)據(jù)，也是進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理的惟一依據(jù)，必須妥善保管。
　　2.4成果檢核與數(shù)據(jù)處理
　　觀測成果的外業(yè)檢核是確保外業(yè)觀測質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)預(yù)期定位精度的重要環(huán)節(jié)。所以，當(dāng)觀測任務(wù)結(jié)束后，必須在測區(qū)及時(shí)對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的檢核；并根據(jù)情況采取淘汰或必要的重測、補(bǔ)測措施。只有按照《規(guī)范》要求，對各項(xiàng)檢核內(nèi)容嚴(yán)格檢查，確保準(zhǔn)確無誤，才能進(jìn)行后續(xù)的平差計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。
　　GPS測量采用連續(xù)同步觀測的方法，一般15秒鐘自動記錄一組數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)之多，信息量之大是常規(guī)測量方法無法相比的；同時(shí)，采用的數(shù)學(xué)模型、算法等形式多樣，數(shù)據(jù)處理的過程相當(dāng)復(fù)雜。在實(shí)際工作中，借助于電子計(jì)算機(jī)，使得數(shù)據(jù)處理工作的自動化達(dá)到了相當(dāng)高的程度，這也是GPS能夠被廣泛使用的重要原因之一。
　　四、結(jié)束語
　　與傳統(tǒng)測繪方法相比，GPS測繪具有定位速度快、成本低、不受天氣影響、點(diǎn)間無需通視、不用建標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，而且儀器設(shè)備小巧輕便，操作簡單便捷。經(jīng)過20余年的實(shí)踐證明，GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航、定位和定時(shí)的多功能系統(tǒng)。GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途、多機(jī)型的國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
　　
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