芻議測(cè)量工作中GPS的應(yīng)用及原理

于思博

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 GPS 在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

對(duì)于測(cè)量工作來(lái)說，必須滿足一定的精度，而導(dǎo)航定位并不適用，因此，需要采用相對(duì)定位的方式進(jìn)行測(cè)量，即在工作中適用兩臺(tái)以上的GPS 接收機(jī)進(jìn)行作業(yè)［1］。相對(duì)定位的優(yōu)勢(shì)在于，工作中不同接收機(jī)之間的誤差特性是相同的，因此在差分解算時(shí)可以有效的將這些誤差特性相互抵消，從而可以求出不同接收機(jī)之間的高精度的相對(duì)坐標(biāo)。在日常的測(cè)量工作中，通常固定一臺(tái)GPS 接收機(jī)位置不動(dòng)，此接收機(jī)作為已知站，其它接受機(jī)作為未知站，其方式可以分為固定與流動(dòng)兩種。接收機(jī)在同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，固定站將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給流動(dòng)站，移動(dòng)站以為基礎(chǔ)與自身觀測(cè)數(shù)據(jù)兩者進(jìn)行差分解算，這樣就可以算出兩者的相對(duì)位置，且具有較高的精度［2］。

在測(cè)量上，差分形式分為3 種類型:

1)實(shí)時(shí)差分。其意義是指在運(yùn)動(dòng)中利用偽距進(jìn)行實(shí)時(shí)差分的解算，其結(jié)果精度為米級(jí)。

2)靜態(tài)測(cè)量。其意義是指以靜態(tài)的采集載波相位為基礎(chǔ)，對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的處理，其結(jié)果精度為毫米級(jí)。

3)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。其意義是指在運(yùn)動(dòng)中利用載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)差分的解算，其結(jié)果精度為厘米級(jí)。

與傳統(tǒng)的測(cè)量相比，GPS 測(cè)量有如下幾點(diǎn)特點(diǎn):操作簡(jiǎn)單、觀測(cè)時(shí)間短、測(cè)站間不需要通視、全天候、定位精度高等。

正是因?yàn)镚PS 具有種種的優(yōu)點(diǎn)，因此它已經(jīng)成為了測(cè)量領(lǐng)域中不可缺少的儀器之一。例如，現(xiàn)階段工程中的控制測(cè)量;水上測(cè)量;地形測(cè)量等等。GPS 作為現(xiàn)今測(cè)量的前沿科學(xué)，與遙感、地理信息系統(tǒng)統(tǒng)成為3S。GPS 主要應(yīng)用在以下4個(gè)方面:

1)陸地應(yīng)用。包括工程測(cè)量中的施工放樣、車輛行駛速度的監(jiān)測(cè)、大氣的物理監(jiān)測(cè)、建筑物的變形監(jiān)測(cè)等。

2)航空應(yīng)用。包括攝影與遙感測(cè)量、飛機(jī)的自主導(dǎo)航、飛機(jī)探測(cè)災(zāi)區(qū)大小的測(cè)量等。

3)海洋應(yīng)用。包括水文測(cè)量、航海線路的測(cè)定、海底大地控制網(wǎng)的布設(shè)等。

4)航天應(yīng)用。包括載人航天器的在軌防護(hù)探測(cè)、低軌通訊衛(wèi)星群的實(shí)時(shí)軌道測(cè)量等［3］。

2 GPS 衛(wèi)星定位的原理

在測(cè)量學(xué)中，確定點(diǎn)的位置可以用交會(huì)法，而無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)與衛(wèi)星激光測(cè)距定位系統(tǒng)其原理也是與之相似的。無(wú)線電波導(dǎo)航定位的原理是假設(shè)在地面的某3個(gè)位置建有無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)，而且3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，GPS 接收機(jī)以無(wú)線電測(cè)距的方法測(cè)得了與電臺(tái)的距離，那么如果以電臺(tái)為中心，以距離為半徑，分別建立3個(gè)圓球，則其球面的焦點(diǎn)即是接收機(jī)所處的空間位置［4］。如果僅有兩個(gè)發(fā)射臺(tái)，那么可以交會(huì)出平面位置。

此種方法可以被廣泛的應(yīng)用到飛機(jī)與船只的導(dǎo)航定位。

衛(wèi)星激光定位也是應(yīng)用了交會(huì)定位的原理。雖然衛(wèi)星是處在不斷的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，但是如果地面上的三個(gè)已知點(diǎn)同時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，那么就可以解算出衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，此時(shí)假如地面上還有一個(gè)點(diǎn)同時(shí)對(duì)三個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，那么就可以利用解算出的三維坐標(biāo)求出該點(diǎn)的實(shí)際位置。

將衛(wèi)星與無(wú)線電信號(hào)發(fā)射臺(tái)相結(jié)合，形成衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)無(wú)線電測(cè)距交會(huì)的原理，以地面上3個(gè)已知點(diǎn)解算出衛(wèi)星的空間位置，從而用衛(wèi)星實(shí)際的空間位置計(jì)算地面為支點(diǎn)的坐標(biāo)。這就是GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。

GPS 衛(wèi)星發(fā)射出的信號(hào)中含有測(cè)距信號(hào)與導(dǎo)航電文，而導(dǎo)航電文中包含著衛(wèi)星所處的位置信息。用戶使用GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻接收三顆以上的衛(wèi)星所發(fā)射的信息，從而解算該點(diǎn)與衛(wèi)星相距的距離并求出GPS 衛(wèi)星的空間位置，據(jù)此用交會(huì)法求出未知點(diǎn)的位置。

在GPS 的定位過程中，其衛(wèi)星的坐標(biāo)值是不斷的變化的。因此需要實(shí)時(shí)地根據(jù)衛(wèi)星的信號(hào)解算測(cè)站與衛(wèi)星間的實(shí)際距離，實(shí)時(shí)的根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的空間位置，并進(jìn)行待定點(diǎn)位置的解算。以測(cè)距的原理來(lái)說，主要分為差分GPS 定位、偽距法定位等。以待定點(diǎn)來(lái)說，主要分為動(dòng)態(tài)定位與靜態(tài)定位。靜態(tài)定位的特點(diǎn)是待定點(diǎn)固定不變，觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，用以確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，又稱為絕對(duì)定位。

如果以兩臺(tái)接收機(jī)安置在不同的待定點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，那么可以求出兩個(gè)待定點(diǎn)之間的相對(duì)位置，此方法叫做相對(duì)定位。而動(dòng)態(tài)定位所說的是必須至少有一臺(tái)接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，其測(cè)點(diǎn)的是運(yùn)動(dòng)中的接收機(jī)的位置。

偽距定位是指用戶使用GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)得4 顆以上GPS 衛(wèi)星的偽距，然后與已知的衛(wèi)星實(shí)際位置相結(jié)合采用交會(huì)法算出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其中所說的偽距其含義是衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間乘以光速即偽距。信號(hào)在傳播的過程中由于有電離層誤差、時(shí)鐘誤導(dǎo)等，因此所測(cè)的距離與實(shí)際距離并不相等。偽距分為C/A 碼偽距與P 碼偽距。雖然偽距定位的精度不高，但其特點(diǎn)是定位速度快，物多值性問題等優(yōu)點(diǎn)，因此它也是GPS 導(dǎo)航的基本方法。

偽距測(cè)量中由于測(cè)距碼得碼元長(zhǎng)度較大，使之很難應(yīng)用到高精度的測(cè)量中。如果觀測(cè)的精度都取至測(cè)距碼波長(zhǎng)的百分之一，那么C/A 與P 碼的精度分別為3m 與30cm 左右。而如果將載波作為測(cè)量的信號(hào)，由于載波具有較短的波長(zhǎng)，因此其測(cè)量結(jié)果就具有很高的精度。

在GPS 信號(hào)中由于已用相對(duì)調(diào)整的方法調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，所以接收機(jī)的載波相位已不再連續(xù)，在進(jìn)行載波相位測(cè)量之前，要先進(jìn)行解調(diào)工作，用一定的方法將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，從而獲得新的載波，這一項(xiàng)工作成為重建載波。差分技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域很早的時(shí)候就在應(yīng)用了，比如，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)值進(jìn)行觀測(cè)，然后將兩個(gè)值求差分。差分技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地消除具有的公共誤差，從而提高了觀測(cè)值的精度。根據(jù)差分后的觀測(cè)值來(lái)求解兩個(gè)測(cè)站之間的基線向量，此種差分技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在靜態(tài)相對(duì)定位當(dāng)中。差分GPS 定位所說的是將一臺(tái)接收機(jī)安置在已知點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，從而求出該點(diǎn)到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并且將計(jì)算出的改正數(shù)發(fā)送給用戶，用戶以此來(lái)對(duì)自身的定位結(jié)果進(jìn)行改正，這樣可以有效的提高其定位的精度。采用差分GPS 定位可以消除或減少星歷誤差、對(duì)流層誤差、衛(wèi)星中誤差、多路徑效應(yīng)等。

3 結(jié) 詰

GPS 對(duì)推動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的作用，它使測(cè)量的方法更加的簡(jiǎn)便，更加的多樣化，相信在未來(lái)的發(fā)展中，它將會(huì)更好地服務(wù)于社會(huì)的建設(shè)。

［1］李濤. 礦區(qū)測(cè)量中GPS 測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)工作的應(yīng)用分析［J］.科技信息，2009(25):48－49.

［2］張應(yīng)學(xué).GPS 在礦山測(cè)量中的工作原理及應(yīng)用分析［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(05):109.

［3］胡娟娟，李宏波，王迪. 論GPS 在工程測(cè)量工作中的應(yīng)用［J］. 公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版，2012(04):58－61.

［4］林抗旱. 論GPS 定位系統(tǒng)在工程測(cè)量工作中的應(yīng)用［J］.建材與裝飾:下旬刊，2008(04):306－307.