關(guān)于GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

何晶晶　曾政祥

[摘要]本文主要概述了GPS的組成及其測(cè)量原理，并對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

[關(guān)鍵詞]GPS 工程測(cè)量 應(yīng)用發(fā)展

[中圖分類號(hào)] P258 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-210-1

1前言

GPS又稱為全球定位系統(tǒng)，于20世紀(jì)中期便得到了廣泛的研究和應(yīng)用，并經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單技術(shù)到高精度測(cè)量的發(fā)展過程。全球定位系統(tǒng)的工作原理是通過衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)距及測(cè)時(shí)，并構(gòu)成全球定位網(wǎng)絡(luò)。GPS具有時(shí)效性高、精度高、操作簡(jiǎn)單、信號(hào)穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)，在通信、工業(yè)測(cè)量、航天產(chǎn)業(yè)等均有不同程度的應(yīng)用。我國(guó)在工程測(cè)量中GPS的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，但已取得了較好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)階段，我國(guó)主要通過GPS與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合完成對(duì)工程項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，在測(cè)量精度以及效率方面均有了大幅提升。

GPS最早應(yīng)用是車輛導(dǎo)航，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，GPS已逐漸在多個(gè)領(lǐng)域中得以普及，其中最重要的就是工程測(cè)量，GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用為工程建設(shè)的質(zhì)量帶來(lái)了創(chuàng)造性的變革。我國(guó)GPS技術(shù)的首次應(yīng)用在20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的GPS系統(tǒng)主要用于航天航空事業(yè)。現(xiàn)在，GPS技術(shù)已經(jīng)逐漸深入到各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，在很大程度上推進(jìn)了我國(guó)科學(xué)研究、工程建設(shè)等諸多方面的迅速發(fā)展。

2 GPS的組成及其測(cè)量原理

2.1空間定位系統(tǒng)

GPS的定位功能主要由衛(wèi)星來(lái)完成。要完成精確的定位需要24顆衛(wèi)星在不同的軌道平面內(nèi)進(jìn)行全面的觀測(cè)。通常在一個(gè)軌道平面內(nèi)會(huì)分布3～4顆衛(wèi)星，不同軌道直接的夾角通常在60°左右，并與赤道平面保持55°夾角。每條軌道都在距離地球表面2萬(wàn)km的高空上。衛(wèi)星采用這一分布方式能夠保證始終有至少4顆衛(wèi)星在同一時(shí)刻檢測(cè)地球上的任意區(qū)域，繼而加強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性。

2.2地面信息接收部分

GPS系統(tǒng)核心部分是地面信息接收系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站三部分。地面信息接收系統(tǒng)的主要作用是及時(shí)接受衛(wèi)星發(fā)出的信息，并確認(rèn)衛(wèi)星的工作狀態(tài)，對(duì)GPS系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)控。地面信息接收系統(tǒng)需要接收并處理大量的信息數(shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及核對(duì)，排除數(shù)據(jù)誤差。核對(duì)后的數(shù)據(jù)還要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w信息，并將其輸入相應(yīng)的處理設(shè)備加以處理并保存。

2.3信息終端

信息終端主要由電源、信息處理器、天線等幾個(gè)部分組成。從大體上可以分為衛(wèi)星的選擇，定位數(shù)據(jù)的接收、分析、傳輸?shù)?。信息終端還承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的安全性維護(hù)的作用，并對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理。當(dāng)設(shè)備中出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，首先由信息終端進(jìn)行處理，并對(duì)故障予以排查。通過信息終端的運(yùn)行，整個(gè)GPS測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，衛(wèi)星發(fā)出的信息通過天線傳輸?shù)降孛娴慕邮障到y(tǒng)，并通過相關(guān)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算，由此得出目標(biāo)物的精確位置及位置變動(dòng)的實(shí)時(shí)情況。其次，系統(tǒng)內(nèi)部的程序會(huì)根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道推算出目標(biāo)物的精確數(shù)據(jù)。

2.4 GPS測(cè)量原理

其實(shí)GPS系統(tǒng)的測(cè)量原理比較的簡(jiǎn)單，它主要是利用高軌測(cè)距體制，將測(cè)量地點(diǎn)和空間衛(wèi)星之間的距離作為基礎(chǔ)的觀測(cè)量，從而對(duì)相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。在一般情況下，人們會(huì)采用偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量這兩種方法來(lái)獲取相關(guān)的觀測(cè)量。其中偽距測(cè)量是在按照接收設(shè)備所接收的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)對(duì)觀測(cè)站和空間衛(wèi)星之間的距離進(jìn)行計(jì)算測(cè)量，從而使得人們得到基本的觀測(cè)量。不過這種方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，存在著較大的測(cè)量誤差，這就容易造成GPS空間衛(wèi)星和接收設(shè)備的一致性，因此目前我們?cè)趯?duì)GPS測(cè)量的過程中很少材料這種方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

3 GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

GPS對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的精確性可以有效提高工程建筑的質(zhì)量，因此在工程測(cè)量得以普及，尤其在需要戶外作業(yè)的項(xiàng)目中，GPS的效果尤其顯著。

3.1靜態(tài)GPS相對(duì)定位的應(yīng)用

靜態(tài)相對(duì)定位是指通過兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的信息接收器來(lái)接受衛(wèi)星發(fā)出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析。靜態(tài)GPS的測(cè)量可以將衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為測(cè)量目標(biāo)的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并可以根據(jù)一個(gè)目標(biāo)物的空間位置得出另一目標(biāo)物的相對(duì)位置。靜態(tài)GPS相對(duì)定位的優(yōu)點(diǎn)是通過此類定位方式所得出的目標(biāo)位置具有較高的精確度，在戶外的工程數(shù)據(jù)測(cè)量中有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

靜態(tài)GPS應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域是高速公路的建設(shè)項(xiàng)目。由于高速公路對(duì)線路的精確度有較高的要求，而靜態(tài)GPS測(cè)量的方法才能滿足工程質(zhì)量的要求。高速公路的施工范圍大、定位點(diǎn)少，并且施工工作基本上都在戶外進(jìn)行，測(cè)量過程十分繁瑣。靜態(tài)GPS相對(duì)定位系統(tǒng)的應(yīng)用能有效解決這些問題。靜態(tài)GPS相對(duì)定位系統(tǒng)得出的位置誤差能夠控制在2 cm左右。傳統(tǒng)定位方式通常采用形成控制網(wǎng)的方式進(jìn)行經(jīng)緯度的測(cè)量和確定，這種方式無(wú)論是在數(shù)據(jù)的精確度還是運(yùn)算時(shí)間上都無(wú)法與靜態(tài)相對(duì)定位法相比較。靜態(tài)定位分析的另一顯著優(yōu)勢(shì)是其運(yùn)行過程幾乎不受任何天氣環(huán)境因素的影響，大大提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)運(yùn)算效率。這一測(cè)量方式除了在高速公路的建設(shè)中得以應(yīng)用外，在橋梁及隧道的建設(shè)中也有廣泛應(yīng)用。

3.2動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位的應(yīng)用

GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量通過采集目標(biāo)物的相對(duì)位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等信息來(lái)完成測(cè)量及計(jì)算過程。為獲取這些信息，首先需要在運(yùn)動(dòng)物體內(nèi)容安裝相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)接牧器。通過衛(wèi)星的觀測(cè)能夠得出物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)信息。動(dòng)態(tài)GPS定位法的的特點(diǎn)在于使用這種測(cè)量方式時(shí)只需要應(yīng)用一臺(tái)接收機(jī)，并以此作為目標(biāo)參照物以接收其他接收機(jī)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量法測(cè)定的是不同信號(hào)站數(shù)據(jù)的差異，并通過數(shù)據(jù)的對(duì)比得出不同運(yùn)動(dòng)物體的相對(duì)位移。GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量法的數(shù)據(jù)分析方式主要有兩種：首先即時(shí)處理法，即在接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后立即將數(shù)據(jù)返送到控制中心進(jìn)行分析比對(duì)。其次是滯后處理，即在接收機(jī)接收到信號(hào)后先在接收機(jī)內(nèi)部進(jìn)行一段時(shí)間的存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)的后期處理過程中再將數(shù)據(jù)傳入流通站進(jìn)行數(shù)據(jù)的整體處理。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著工程測(cè)量精度要求的不斷提高，GPS技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛，在傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的弊端逐漸顯現(xiàn)的今天，GPS所具有的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，不僅可以提高測(cè)繪的工作效率，還能提升測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前，GPS技術(shù)一系列的配套設(shè)施得到了改進(jìn)與創(chuàng)新，為測(cè)繪工程的進(jìn)一步發(fā)展提供了必要條件，為人類提供了更精確的數(shù)據(jù)，筆者相信在未來(lái)的工程測(cè)量領(lǐng)域， GPS技術(shù)必然會(huì)成為主導(dǎo)的測(cè)量手段。

參考文獻(xiàn)

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