GPS在工程測量中的應(yīng)用探究

柳麗芳

（浙江省云和縣天一城鄉(xiāng)建設(shè)測繪隊(duì)，浙江 云和 323600）

從上世紀(jì)中葉開始，全球定位系統(tǒng)（GPS）從最初的簡單技術(shù)，發(fā)展至高精度的測繪手段，歷經(jīng)的無數(shù)次技術(shù)變更。我國一直以來，用常規(guī)的傳統(tǒng)技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)工程的測量，比如用水準(zhǔn)儀、全站儀以及測距器來定位工程的控制網(wǎng)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及工程測量的發(fā)展，高精度、高效率的GPS測量技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)的測量工具，工程測量技術(shù)正處于變革性發(fā)展時(shí)期。

1 GPS概述

眾所周知，GPS定位系統(tǒng)分為三個(gè)部分:空間衛(wèi)星部分、地面控制部分和用戶，其系統(tǒng)服務(wù)的空間從早期的導(dǎo)航延伸到工程測繪中來，GPS定位系統(tǒng)直接導(dǎo)致了工程測量技術(shù)的變革。早在上世紀(jì)80年代，我國開始全面進(jìn)行GPS接收機(jī)的研究工作，隨著全球航天技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入地球軌道的人造衛(wèi)星日益增多，使得GPS接收機(jī)日益普遍，GPS的應(yīng)用獲得了強(qiáng)有力的推動。

1.1 空間衛(wèi)星部分

GPS空間部分是與衛(wèi)星聯(lián)系著的。一共24顆衛(wèi)星，具備許多個(gè)不同的軌道平面，在這些軌道上，各分布著三到四顆，在不同軌道間，其軌道平面夾角為60°，并和赤道面呈55°傾角，各軌道距地球距離約為2萬千米。如此形式的衛(wèi)星分部，有利于時(shí)時(shí)刻刻使4顆以上的衛(wèi)星均能探測地球任意方位的控制點(diǎn)。

1.2 地面監(jiān)控部分

相對空間衛(wèi)星部分而言，地面控制才是GPS的核心，它基本包括主控站、注入站以及監(jiān)測站三個(gè)結(jié)構(gòu)。地面監(jiān)控部分的首要任務(wù)是維護(hù)GPS整體運(yùn)行狀況，合理調(diào)控系統(tǒng)工作要素，用于監(jiān)測各觀察數(shù)據(jù)以及計(jì)算衛(wèi)星時(shí)間，監(jiān)控衛(wèi)星各種誤差并予以修正。其修正數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的定位效果，合成數(shù)字信息，傳入衛(wèi)星相關(guān)設(shè)備，基于原子鐘系統(tǒng)，高度維護(hù)著GPS工作狀態(tài)。

1.3 用戶

所謂用戶是相對GPS系統(tǒng)而言，指的是一個(gè)服務(wù)整體，即接收機(jī)的授時(shí)和定位等服務(wù)，簡單而言就是接收機(jī)。因此，主機(jī)、電源以及天線，構(gòu)成用戶的主題部分。作為用戶核心，當(dāng)然是主機(jī)，其主要任務(wù)是在設(shè)定的程序下進(jìn)行最優(yōu)衛(wèi)星定位、定位信息的收集、整理、輸送和存儲，承擔(dān)著整個(gè)設(shè)備的檢查工作，并對相關(guān)故障進(jìn)行排除，即全自動管理整個(gè)設(shè)備。GPS信號接收機(jī)監(jiān)測到需要跟蹤的衛(wèi)星信號后，通過內(nèi)部構(gòu)造計(jì)算出衛(wèi)星與天線單元間的距離，及距離隨時(shí)間的變化情況，然后由機(jī)內(nèi)軟件確定衛(wèi)星軌道參數(shù)等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)所得導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等相關(guān)信息。

2 GPS在工程測量中的應(yīng)用

全球定位系統(tǒng)(GPS)在當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國工程測量領(lǐng)域中，特別是在野外作業(yè)，并相應(yīng)的進(jìn)行了實(shí)用開發(fā)研究。

2.1 靜態(tài)GPS相對定位的應(yīng)用

所謂靜態(tài)相對定位，指的是需要兩臺或以上的接收機(jī)，同時(shí)對衛(wèi)星信號進(jìn)行接收，然后處理相關(guān)數(shù)據(jù)，精確計(jì)算控制點(diǎn)三位坐標(biāo)，并根據(jù)其中某點(diǎn)的坐標(biāo)位置，精確求出另外一點(diǎn)的坐標(biāo)位置，靜態(tài)相對定位具有很強(qiáng)的精度，在我國野外工程測量中，用的最為頻繁。諸如位移監(jiān)測、地球定位測量、大型工程野外涵洞隧道精確定位。

在我國公路的工程測量中，特別是高速公路，其線路的勘測定位有著十分高的精度。高速公路通暢延綿千里，已知的控制點(diǎn)少之又少，野外需要確定的控制點(diǎn)多不勝數(shù)，若是用常規(guī)工程測量手段，給工程帶來十分繁瑣的同時(shí)，還滿足不了工程的精度要求。GPS測量技術(shù)剛好能彌補(bǔ)這一缺陷。隨著我國GPS在公路工程的應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)利用GPS技術(shù)布控首級高精度的控制網(wǎng)，比如在杭金衡、滬杭、滬寧、石太等高速公路中都采用了GPS測量技術(shù)。在野外，用GPS技術(shù)定位公路的控制點(diǎn)，幾十公里出現(xiàn)的誤差在2cm范圍內(nèi)，這是常規(guī)測量手段無法比擬的。在一般的工程測量中，控制網(wǎng)的布置、檢測以及樁位的放樣都是測量在主要任務(wù)，在傳統(tǒng)的測量工程，一般采用的是將控制網(wǎng)設(shè)置成線形網(wǎng)或者是環(huán)狀網(wǎng)，經(jīng)常利用經(jīng)緯儀以及測距儀，更有甚者單面利用全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量工作，其實(shí)這樣的配合測量工作所需要的時(shí)間相當(dāng)長，花費(fèi)的財(cái)力也十分巨大，因此，GPS靜態(tài)定位呼之欲出。前面分析的GPS定位法，其進(jìn)行的靜態(tài)定位，幾乎不受到天氣環(huán)境等相關(guān)因素的困擾，使用十分方便，在監(jiān)測的同時(shí)，精確度相當(dāng)高，大力縮短了測量時(shí)間，提高了測量效率。

GPS工程測量技術(shù)除了在公路測量中應(yīng)用之外，在我國大型橋梁以及隧道工程測量中也不可或缺，GPS技術(shù)不需要全線通視，能形成畫面清晰的圖像，這點(diǎn)在無檢核的支點(diǎn)的量測應(yīng)用十分重要和方便。我們比較熟悉的江陰長江大橋，在其常規(guī)精密邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測時(shí)便應(yīng)用了此技術(shù)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)用普通測量方式，建立精度達(dá)到要求的邊角網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，使用GPS檢測邊角網(wǎng)，因?yàn)镚PS有著毫米計(jì)精度的優(yōu)勢，在測量邊角網(wǎng)時(shí)，能符合其精度。

在我國工程測量領(lǐng)域，航測是最需要技術(shù)以及最嚴(yán)精度要求的，GPS技術(shù)完全能滿足相關(guān)技術(shù)要求，因而在航測領(lǐng)域也有GPS一席之地。尤其在鐵路建設(shè)過程中，航測技術(shù)十分重要。當(dāng)前的航測成圖過程中，幾乎任何一對圖像都必須擁有滿足技術(shù)要求數(shù)量的共同控制點(diǎn)，只有如此，圖片之間才能產(chǎn)生自動糾正，我們所知道的傳統(tǒng)測量方法，必須占據(jù)很多平面以及高程二維坐標(biāo)，在占據(jù)坐標(biāo)位置的同時(shí)，必然浪費(fèi)大量時(shí)間，由于人為因素，往往使測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到技術(shù)要求。比如在深圳地鐵工程中，其工程測量就采用了GPS航測技術(shù)，所成的圖像沿一字排開，便于人工處理。

2.2 動態(tài)GPS相對定位的應(yīng)用

GPS動態(tài)測量就是用GPS信號實(shí)時(shí)地測得運(yùn)動目標(biāo)相對于某一參考系的位置、時(shí)間、姿態(tài)、速度和加速度等狀態(tài)參數(shù)。利用安設(shè)在運(yùn)動載體上的GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)測得GPS信號接收機(jī)天線所在的位置，稱為GPS實(shí)時(shí)動態(tài)定位。相對靜態(tài)GPS相對定位而言，動態(tài)GPS相對定位指的是固定一臺接收機(jī)，以此當(dāng)基準(zhǔn)站，同時(shí)，另外的接收機(jī)在不斷處于運(yùn)動狀態(tài)，以此當(dāng)流動站。動態(tài)GPS相對定位技術(shù)，利用比較兩站之間相互信號的差別，通過計(jì)算，得出各個(gè)流動站在任意時(shí)刻的位移以及位置坐標(biāo)。GPS動態(tài)測量的差分?jǐn)?shù)據(jù)一般有兩種處理方式，一種是即時(shí)處理，一種是滯后處理。所謂即時(shí)處理，指的是及時(shí)將基準(zhǔn)站的測量信息傳輸?shù)搅鲃诱荆M(jìn)行對比加工，其重要的步驟是及時(shí)形成數(shù)據(jù)鏈，用于實(shí)時(shí)傳送信息數(shù)據(jù)；所謂滯后處理，就是不需要及時(shí)將基準(zhǔn)站的測量信息傳輸?shù)搅鲃诱荆辉诤笃谶M(jìn)行處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

動態(tài)GPS相對定位一般用于道路勘測，這種技術(shù)在我國的應(yīng)用還在初級階段，還并不成熟，相反，動態(tài)GPS相對定位技術(shù)在國外已經(jīng)取得相當(dāng)大的成果。在加拿大卡，一所大學(xué)里有一種全新的動態(tài)定位系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由一臺捷聯(lián)式慣性系該、兩臺GPS接收機(jī)和一臺微機(jī)組成，其主要作用是為道路勘測作出直線以及曲線的定位，在養(yǎng)路方面有著十分重要的作用。

3 結(jié)語

隨著工程測量精度要求的提高，GPS技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛，在傳統(tǒng)測量儀器的弊端逐漸顯現(xiàn)的今天，GPS所具有的優(yōu)勢愈加明顯。我國無論是大型的橋梁工程，還是誤差精確的高級公路工程，GPS都能夠在很短的時(shí)間內(nèi)，作出精確的測量來進(jìn)行準(zhǔn)確定位。隨著GPS靜態(tài)以及動態(tài)相對定位技術(shù)的日益成熟，相信未來的工程測量領(lǐng)域，GPS技術(shù)必然是主導(dǎo)測量手段。

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