工程測(cè)量中GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

李震章 代洪君

（1、牡丹江市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，黑龍江 牡丹江 157000 2、黑龍江地理信息工程院，黑龍江 牡丹江 157000）

GPS全稱為全球定位系統(tǒng)（Global Position System），硬件是由環(huán)球通訊衛(wèi)星和接收裝置組成，基于衛(wèi)星的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、導(dǎo)航與時(shí)間信息。隨著地球的數(shù)字化進(jìn)程，微電子技術(shù)和GIS技術(shù)獲得重大進(jìn)展，衛(wèi)星導(dǎo)航、定位的理論已趨成熟，同時(shí)各個(gè)領(lǐng)域都需要掌握對(duì)空間資料的處理和利用的基本技術(shù)，GPS將作為通用設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)用于科研和民用領(lǐng)域。

1 GPS系統(tǒng)由3部分組成：

1.1 空間部分：主動(dòng)式工作衛(wèi)星：26顆衛(wèi)星分布6個(gè)橢圓軌道上，長(zhǎng)半軸26600km，高度20200km，時(shí)間基準(zhǔn)10-12?/FONT>10-13秒。

1.2 控制部分：軌道預(yù)報(bào)（監(jiān)測(cè)和控制衛(wèi)星系統(tǒng)），確定系統(tǒng)時(shí)間，預(yù)報(bào)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘狀態(tài)，更新衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

1.3 用戶部分：不同類型的接收機(jī)（由帶前置放大器的天線、信號(hào)識(shí)別和處理的射頻倉(cāng)、微處理器、精密振蕩器、電源、顯示屏、內(nèi)存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成）。

2 觀測(cè)原理和信號(hào)結(jié)構(gòu)：

2.1 基本觀測(cè)量：衛(wèi)星發(fā)射天線和接收機(jī)天線間信號(hào)傳播時(shí)間。

2.2 偽距測(cè)量由時(shí)間系統(tǒng)同步誤差參數(shù)決定。

2.3 軌道確定和描述保證衛(wèi)星精確定位。

3 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 在科學(xué)研究方面，利用GPS的觀測(cè)精度（毫米級(jí)）和時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)地球的動(dòng)態(tài)變化，從而剖析地球內(nèi)部和地殼、大氣層、海洋等的變化情況；同時(shí)利用衛(wèi)星軌道的測(cè)定和影響參數(shù)的分析可對(duì)地球引力系數(shù)，自轉(zhuǎn)、潮汐、大氣、電離層等參數(shù)進(jìn)行研究。GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用大大推進(jìn)了地球科學(xué)及地震、氣象、海洋等各相關(guān)科學(xué)的發(fā)展。

目前中國(guó)首期地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)GPS網(wǎng)絡(luò)工程已經(jīng)完成。國(guó)家地震局、總參測(cè)繪局和科學(xué)院等部門聯(lián)合在全國(guó)各地建立了25個(gè)連續(xù)觀測(cè)基準(zhǔn)站、56個(gè)定期復(fù)測(cè)基準(zhǔn)站和1000多個(gè)不定期復(fù)測(cè)站，通過(guò)對(duì)大地板塊進(jìn)行以毫米/年為單位的長(zhǎng)期測(cè)量，分析地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而開(kāi)展地震預(yù)報(bào)、大地測(cè)量和國(guó)防等方面的研究工作。

3.2 在政府管理和民用領(lǐng)域，GPS的導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位測(cè)量等功能得到廣泛應(yīng)用。如在針對(duì)各類災(zāi)害的預(yù)防和快速反應(yīng)上，如地震、森林火災(zāi)、水災(zāi)等，可以快速確定發(fā)災(zāi)地點(diǎn)、受災(zāi)范圍和災(zāi)情的發(fā)展趨勢(shì)。在交通、環(huán)保、城市規(guī)劃、水利和旅游等方面GPS獲得了廣泛的運(yùn)用。

4 GPS測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

4.1 采用GPS技術(shù)測(cè)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(jiǎn)單，點(diǎn)的疏密和邊的長(zhǎng)短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)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(diǎn)位之間無(wú)法通視的困難，選點(diǎn)靈活，不需要高標(biāo)，同時(shí)還可以保證外業(yè)施測(cè)不受天氣影響。測(cè)設(shè)大型(長(zhǎng)邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí)，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不受到通視條件的限制，但是，工程測(cè)量一般為小范圍測(cè)量并受到工程成本的限制。因此，在實(shí)際的工程測(cè)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(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中，如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視，勢(shì)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(cè)量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。

4.2 GPS方格網(wǎng)點(diǎn)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(chǔ)備。

4.3 采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對(duì)中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。

4.4 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(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。

4.5 采用GPS-RTK測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測(cè)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(dòng)強(qiáng)度。一個(gè)參考站可有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè)，流動(dòng)站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。

5 GPS技術(shù)的不足

5.1 GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對(duì)衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算，按照固定模式：距離=速度×?xí)r間，時(shí)間確定之后，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(hào)要受到電離層和對(duì)流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對(duì)此進(jìn)行平均計(jì)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(shù)木等對(duì)信號(hào)的影響，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差；

5.2 與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測(cè)量一樣，使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，起算點(diǎn)應(yīng)為高等級(jí)的控制點(diǎn)，并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過(guò)3-5個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)的連測(cè)、復(fù)核，確保基準(zhǔn)站坐標(biāo)在各個(gè)方位觀測(cè)情況下具有一致的精度。

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

5.4 GPS測(cè)量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測(cè)點(diǎn)位的精度。由于GPS測(cè)量是通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號(hào)接收的因素出現(xiàn)干擾時(shí)，所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測(cè)量點(diǎn)位時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：點(diǎn)位視野開(kāi)闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物；盡量遠(yuǎn)離大功率無(wú)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200m；遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，并盡量避開(kāi)大面積的水域。

5.5 GPS測(cè)量更適用于視野開(kāi)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(cè)量，或者接收不到信號(hào)，或者雖接收到信號(hào)，但一直處于浮動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)假固定或者不能固定，因此所得數(shù)據(jù)往往誤差較大，既無(wú)效率，又無(wú)精度，不能顯示出GPS測(cè)量的優(yōu)越性。

5.6 GPS測(cè)量成果與常規(guī)測(cè)量成果之間，不同型號(hào)GPS測(cè)量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，邊長(zhǎng)一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正：歸算至大地水準(zhǔn)面的改正；歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺(tái)平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問(wèn)題，而三維聯(lián)臺(tái)平差模型是一個(gè)多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級(jí)平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度，這對(duì)于點(diǎn)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(shí)，需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測(cè)值，這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。

5.7 GPS及其相關(guān)技術(shù)是一門新興起的技術(shù)，其運(yùn)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，目前我國(guó)還沒(méi)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(kāi)發(fā)生產(chǎn)的電子地圖，這些電子地圖一般相互不兼容。另外，產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品市場(chǎng)沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)，特別是軟件產(chǎn)品沒(méi)有形成統(tǒng)一的規(guī)范。這還待有關(guān)部門進(jìn)一步研究制定。

6 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前，空間信息數(shù)據(jù)是政府部門決策和行業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)高速公路上的主流內(nèi)容之一。利用GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)更新具有及時(shí)、高效、高精度、不受惡劣環(huán)境氣候影響等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的幾年內(nèi)，GPS連續(xù)觀測(cè)基準(zhǔn)站將會(huì)遍布全國(guó)，任何地區(qū)都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，GPS作為一種便捷的科學(xué)工具將在空間科學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，王澤民.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2000

[2]吉星升，董軍.《GPS技術(shù)在工程測(cè)量中應(yīng)用現(xiàn)狀及其局限性》中國(guó)測(cè)量，2002，6.

[3]吳英浩《GPS在工程測(cè)量中應(yīng)用的幾點(diǎn)體會(huì)》中國(guó)市政工程-2005年2期.