GPS測(cè)量技術(shù)探討

摘要：GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到測(cè)量的眾多方向中，但是測(cè)量生產(chǎn)中仍然會(huì)有很多問題存在，本文從GPS定位原理出發(fā)，對(duì)GPS定位中的誤差來源進(jìn)行了分析，進(jìn)而闡述了GPS平面與高程測(cè)量，最后對(duì)GPS測(cè)量所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：GPS 測(cè)量技術(shù) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

0 引言

GPS技術(shù)是測(cè)量技術(shù)的重要組成部分，隨著其廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)測(cè)量已被完全改革。原濤[1]對(duì)GPS技術(shù)的來歷及用途進(jìn)行概括介紹，同時(shí)對(duì)GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用以及GPS的最新測(cè)量方法RTK技術(shù)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，并就工程測(cè)量中GPS技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的結(jié)合方式及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。鄒德全[2]就GPS技術(shù)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用展開分析和討論，了解GPS技術(shù)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用效果以及具體的應(yīng)用形式。馮鈞森[3]介紹了GPS技術(shù)的概念，來源，儀器設(shè)備的組成，主要的技術(shù)特征和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及其主要應(yīng)用領(lǐng)域；從三方面闡述了GPS在地籍控制測(cè)量中的應(yīng)用，闡述了GPS系統(tǒng)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用，最后展望GPS技術(shù)的應(yīng)用前景。同時(shí)，還有專業(yè)技術(shù)人員[4][5]對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。本文系統(tǒng)的對(duì)GPS定位技術(shù)進(jìn)行了探討分析，包括：GPS定位原理、GPS定位中的誤差來源、GPS平面與高程測(cè)量、GPS測(cè)量所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

1 GPS定位原理及誤差源

GPS定位技術(shù)主要采用偽距空間后方交會(huì)法或載波相位測(cè)量，地面接收站至少需要四顆以上衛(wèi)星才能完成定位，這是因?yàn)樗蠖ǖ慕Y(jié)果中不但包括待定的點(diǎn)位X、Y、Z，還包括地面接收機(jī)的鐘差參數(shù)，因?yàn)閭尉嗍怯尚l(wèi)星信號(hào)在大氣中傳播的時(shí)間和速度乘積求得，時(shí)間微小的變化就會(huì)給偽距帶來不小的變動(dòng)，衛(wèi)星鐘差可以采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，而地面接收機(jī)采用的是穩(wěn)定性很差的石英鐘，因此無法用數(shù)學(xué)模型修正，只能作為未知參數(shù)看待，衛(wèi)星也就增加了一顆。這樣GPS定位測(cè)量時(shí)待定參數(shù)就是四個(gè)，需要列立四個(gè)方程才能完成求解，也就對(duì)應(yīng)有四顆以上衛(wèi)星需要被鎖定。

在GPS定位測(cè)量時(shí)其誤差的主要來源有三部分：衛(wèi)星部分、傳播路徑、信號(hào)接收和其他影響。衛(wèi)星的誤差有衛(wèi)星星歷差，衛(wèi)星鐘差，相對(duì)論效應(yīng)（影響的的是衛(wèi)星鐘)。衛(wèi)星鐘差可以通過電文傳給用戶。與接收機(jī)的誤差主要是鐘差、位置誤差、中心位置偏差、相位中心偏差。而主要時(shí)間誤差就是接收機(jī)鐘差，同步觀測(cè)求差即可消除。其他的地球自轉(zhuǎn)、地球潮汐改正或多或少也有影響。信號(hào)的傳播路徑上包括：電離層延遲、對(duì)流層延遲誤差和多路徑效用這三部分。電離層由于含有很多自由電子，所以發(fā)生折射。減弱的方法有雙頻法、改正模型、同步觀測(cè)求差。對(duì)流層最接近地面受地面氣候、壓力、溫度等影響密切，主要減弱方法是同步觀測(cè)或模型改正。多路徑效應(yīng)是由于信號(hào)是以弧面?zhèn)鞑サ?，這樣射到地面等面上發(fā)生反射或漫反射而被接收機(jī)接收，影響觀測(cè)結(jié)果?？梢园烟炀€做的大些，或者加上抑徑板、抑徑圈等阻擋多余信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)天線，還可以在設(shè)置測(cè)站時(shí)選擇合適的站址，遠(yuǎn)離水面、鏡面地面等。對(duì)于接收機(jī)部分的誤差則主要是天線對(duì)中誤差、幾何相位誤差等，同時(shí)還有地球潮汐的影響，日月引力、地球自轉(zhuǎn)的影響等。

對(duì)于GPS定位的誤差，可以采用數(shù)學(xué)模型的方法加以消除，或采用好的硬件和好的觀測(cè)環(huán)境加以消弱。如采用差分技術(shù)大部分誤差是可以消除。它主要有三種單機(jī)準(zhǔn)站差分、局部區(qū)域差、分廣域差分。其中單機(jī)位置只能在小范圍觀測(cè)同一組衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算簡(jiǎn)單，只是受范圍大小限制。偽距差分應(yīng)用最廣，提供所有衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信息，可以任意觀測(cè)四個(gè)衛(wèi)星即可。只是基準(zhǔn)站距接收機(jī)的距離而增大誤差。載波差分的差分法比較正宗，將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶，進(jìn)行差分結(jié)算。局部區(qū)域的范圍相對(duì)大些，有多個(gè)基準(zhǔn)站。廣域差分地對(duì)于一個(gè)國家或幾個(gè)國家的范圍，是對(duì)誤差源加以改正區(qū)分。

2 GPS平面與高程測(cè)量

GPS平面坐標(biāo)的測(cè)量方法主要是單點(diǎn)定位。此種測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單，此方法的工作原理是利用衛(wèi)星發(fā)出的電波計(jì)算出某一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通常情況下，單點(diǎn)定位測(cè)量方法能夠接收四個(gè)以內(nèi)的衛(wèi)星的信號(hào)并做出分析。但是此種測(cè)量方法的缺陷是因?yàn)槠淅玫氖墙邮站€或天線來確定三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的，因此，該種測(cè)量方法在精度要求方面還不夠，測(cè)量定位時(shí)最好不采用單點(diǎn)定位。其次是相對(duì)定位。相對(duì)定位包含有：動(dòng)態(tài)側(cè)量、快速靜態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量三種。動(dòng)態(tài)測(cè)量的操作方法是在測(cè)定的區(qū)域選擇一個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，利用天線和接收機(jī)跟蹤可見衛(wèi)星，相比較于靜態(tài)測(cè)量法，動(dòng)態(tài)測(cè)量法的精度還達(dá)不到靜態(tài)測(cè)量?？焖凫o態(tài)測(cè)量的操作方法是需要首先選擇一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，保持一臺(tái)接收機(jī)在原控制點(diǎn)的基準(zhǔn)上保持不變，其他幾臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。靜態(tài)測(cè)量是的操作方法是在多天基準(zhǔn)線上的兩端放置兩臺(tái)以上的天線和接收機(jī)，接受和分析衛(wèi)星信號(hào)。此種測(cè)量方法在精度要求方面比較可靠。最后一種是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)處理主要是包含有兩個(gè)方面的內(nèi)容：數(shù)據(jù)的預(yù)處理和GPS網(wǎng)的平差處理。GPS網(wǎng)的平差處理的操作原理是利用一個(gè)點(diǎn)為三維坐標(biāo)點(diǎn)，一次進(jìn)行GPS網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與平差處理。

高程系統(tǒng)從原理上可以分為正高、正常高、大地高和力高。由于重力無法準(zhǔn)確測(cè)量所以正高是無法準(zhǔn)確求出的。但為了有一個(gè)統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，我國采用平均重力的思想建立了基于似大地水準(zhǔn)面的正常高。GPS顯然不同，它采用的是橢球面為基準(zhǔn)面，測(cè)量的是空間點(diǎn)位對(duì)橢球面的法高，稱之為大地高。正常高與大地高之間存在一個(gè)差異值，稱之為高程異常，也就是說只要知道了一個(gè)區(qū)域的高程異常，其中某個(gè)點(diǎn)位的正常高即可通過采集的大地高進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這大大提高了高程的測(cè)量效率。力高主要解決緯度不等導(dǎo)致的高程不等與重力等位面之間的矛盾，主要在南北水域跨度大時(shí)才會(huì)采用。目前，GPS高程測(cè)量精度仍然較低，生產(chǎn)中一般會(huì)配合水準(zhǔn)測(cè)量來進(jìn)行高程測(cè)定。但近幾年多個(gè)省份完成了似大地水準(zhǔn)面精化工作，為GPS高程測(cè)量提供了廣泛推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3 坐標(biāo)系統(tǒng)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系統(tǒng)的建立是測(cè)量工作能夠進(jìn)行的基本工作。按照不同的分類模式，坐標(biāo)系統(tǒng)可分為：地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系、天球坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系等。也可以分為：空間直角坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系、獨(dú)立坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系，也可以分為：左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系，還可以有：WGS-84坐標(biāo)系、北京54坐標(biāo)系、新北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系和國家2000坐標(biāo)系。其中GPS采用的是WGS-84坐標(biāo)系，衛(wèi)星坐標(biāo)系采用天球坐標(biāo)，排除地球自傳的影響。而地面點(diǎn)可以采用地球坐標(biāo)。我們采用GPS測(cè)繪時(shí)需要注意，測(cè)繪成果必須轉(zhuǎn)換為參心的北京54或西安80，或者正在推行的地心2000坐標(biāo)成果提交，而不能采用WGS-84坐標(biāo)。關(guān)注一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，主要是鬧明白其如何定義，即：坐標(biāo)原點(diǎn)在何處？Z軸指向何處？X軸指向何處？是左手系還是右手系？就像是WGS-84原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984-0的零子午面，和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸則根據(jù)右手坐標(biāo)系。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換其實(shí)是兩個(gè)不同坐標(biāo)系之間的相互靠近一致過程，原點(diǎn)不同——平移到一起；軸系指向不同——旋轉(zhuǎn)扭正為一致；軸系尺度不同——縮放達(dá)到相同。由此：平面直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)需要的是一個(gè)尺度、一個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移；空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)則需要一個(gè)尺度、三個(gè)旋轉(zhuǎn)和三個(gè)平移。對(duì)于轉(zhuǎn)換公式，平移分量直接加上去，尺度分量乘上去，而較為麻煩的是旋轉(zhuǎn)分量。

其中七參法是最常用的。尺度、位置，角度全都不一致。轉(zhuǎn)換參數(shù)由公共點(diǎn)聯(lián)測(cè)獲得。即使如此，也要考慮公共點(diǎn)的融合性，剔除一些不太好的聯(lián)測(cè)點(diǎn)。除了七參數(shù)，如果聯(lián)測(cè)的公共點(diǎn)很多時(shí)可以采用多項(xiàng)式模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，精度還不錯(cuò)。七參數(shù)只適合局部區(qū)域，可對(duì)于較大范圍，采用多項(xiàng)式回歸模型是適用的。

4 結(jié)束語

GPS技術(shù)已經(jīng)深入到測(cè)量工作的各個(gè)方向之中，如工程測(cè)量的GPS-RTK放樣，控制測(cè)量的GPS控制網(wǎng)建立，攝影測(cè)量的GPS輔助空中三角測(cè)量等，但是GPS定位測(cè)量中各種技術(shù)問題都難免存在，如果不能掌握定位原理及各項(xiàng)誤差的來源與消除辦法，就會(huì)面對(duì)問題而難以下手。為了更好的掌握該項(xiàng)技術(shù)以滿足各種生產(chǎn)要求，本文對(duì)GPS定位技術(shù)進(jìn)行了全方位的探討，對(duì)GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用提供了理論參考，也為中國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的推出應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]原濤.淺談GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].江西測(cè)繪，2013(4):53-55.

[2]鄒德全.土地測(cè)繪中GPS技術(shù)的應(yīng)用[J].中國科技信息，2013(24):93-94.

[3]安延云.淺談GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用[J].科技傳播，2011(13).

作者簡(jiǎn)介：周建偉（1986-），男，助理工程師，2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)土地資源管理專業(yè)，現(xiàn)在神華神東煤炭集團(tuán)地測(cè)公司工作。