GPS技術(shù)在工程測量中的作用

潘文琴 周德標(biāo)

（1、云南省第三建筑工程公司，云南 昆明 650032 2、十四冶建設(shè)云南勘察設(shè)計有限公司，云南 昆明 650031）

1 GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成

GPS空間衛(wèi)星星座由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個軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20200km，運行周期為l1h 58min。

衛(wèi)星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個動態(tài)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(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

GPS地面監(jiān)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(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(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)來的導(dǎo)航電文注人到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。

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(如計算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運行，并對信號進(jìn)行交換、放大和處理，再通過計算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心(測站點)的三維坐標(biāo)。

2 GPS定位技術(shù)的優(yōu)越性

從工程測量的實施應(yīng)用中，我們可以充分看到GPS測量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

采用GPS技術(shù)測設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡單，點的疏密和邊的長短可靈活選取，即使離已知控制點較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外，它解決了點位之間無法通視的困難，選點靈活，不需要高標(biāo)，同時還可以保證外業(yè)施測不受天氣影響。測設(shè)大型(長邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測量時不受到通視條件的限制，但是，工程測量一般為小范圍測量并受到工程成本的限制。因此，在實際的工程測量中，仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點與點之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時，點與點不能通視將會給測量工作帶來較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中，如果點與點不通視，勢必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度，進(jìn)而影響到橋梁本身的精度。因此，在工程測量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時，必要時應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點互相通視。

GPS方格網(wǎng)點位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲備。采用點位中誤差作為方格網(wǎng)測量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。采用GPS-RTK測設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。一個參考站可有多臺流動站作業(yè)，流動站不需由基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨立作業(yè)。

3 GPS定位技術(shù)的不足

GPS技術(shù)以其獨特而強(qiáng)大的功能與優(yōu)點充分顯示了它在該領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)越性，以及更大、更廣闊的發(fā)展空間。但在該領(lǐng)域?qū)嶋H施工過程中和后續(xù)工程的建設(shè)和監(jiān)測中也暴露出了一些不足。GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計算，按照固定模式：距離=速度×?xí)r間，時問確定之后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態(tài)，信號要受到電離層和對流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對此進(jìn)行平均計算，在某些具體區(qū)域肯定存在誤差；在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對信號的影響，也會導(dǎo)致信號的非直線傳播，計算時也會引入一定的誤差。

與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測量一樣，使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點的精度，起算點應(yīng)為高等級的控制點，并且起算基準(zhǔn)點和觀測點之問具有較好的位置分布。當(dāng)使用動態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測時，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過3～5個高等級控制點的連測、復(fù)核，確?；鶞?zhǔn)站坐標(biāo)在各個方位觀測情況下具有一致的精度。

大量的工程實例證明，雖然GPS高程測量能夠達(dá)到一定的精度，但是GPS施測的市政工程測量控制點，應(yīng)進(jìn)一步用常規(guī)儀器進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，保證高程精度滿足市政工程建設(shè)的需要。

GPS測量中所選擇的控制點位置的差異直接影響到觀測點位的精度。由于GPS測量是通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到點位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號接收的因素出現(xiàn)干擾時，所測定的點位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測量點位時應(yīng)注意以下幾點：(1)點位視野開闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物；(2)盡量遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，間距應(yīng)不小于400m，遠(yuǎn)離高壓輸電線路，間距應(yīng)不小于200 m；(3)遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積的水域。

GPS測量更適用于視野開闊、障礙物較少的新區(qū)建設(shè)、野外勘探定位等，在老城區(qū)的建設(shè)中，使用GPS測量，或者接收不到信號，或者雖接收到信號，但一直處于浮動狀態(tài)，出現(xiàn)假同定或者不能固定，因此所得數(shù)據(jù)往往誤差較大，既無效率，又無精度，不能顯示出GPS測量的優(yōu)越性。GPS測量成果與常規(guī)測量成果之間，不同型號的GPS測量成果之問存在差異，有時相差比較大：GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計算時，邊長一般需要進(jìn)行兩項改正：(1)歸算至大地水準(zhǔn)向的改正；(2)算到高斯投影而上的改正。二維聯(lián)臺平差模型不能解決平而位置與高程位置統(tǒng)一的問題，而三維聯(lián)臺平差模型是一個多功能的可實現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點的三維空間位置及其精度，這對于點位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時，需要地面點有相應(yīng)精度要求的大地高觀測值，這在某些情況下是難以實現(xiàn)的。

GPS及其相關(guān)技術(shù)是一門新興起的技術(shù)，其運用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，目前我國還沒有頒布統(tǒng)一的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)商大多使用自己開發(fā)生產(chǎn)的電子地圖，這些電子地圖一般相互不兼容。

4 結(jié)語

綜上所述，GPS測量是通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求定測量點的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性?，F(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測量、航空攝影測量、工程變形測量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測量中得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPs測量原理及應(yīng)用[M].武：武漢大學(xué)出版社，2003.

[2]周建鄭.GPS 測量定位技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社2004.