摘要:随着我国经济的飞速发展,工程建设不断增多,工程测量技术的要求也越来越高。本文结合实际经验，就GPS在工程测量中的应用进行了分析。
关键词：工程测量；GPS；原理；实施
前言：
随着GPS定位技术的不断改进,软、硬件的不断完善,长期使用的测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术,正在逐步被一次性确定三维坐标的高速度、操作简单的GPS技术所代替。它是一种可以通过定时和测距进行空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息。
一．GPS系统的组成
GPS(全球定位系统)为美国第二代卫星导航系统。GPS定位系统由卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面部分)、GPS接收机(用户设备部分)组成。三者具有独立的功能和作用,又有机结合形成完整系统。
1．空间星座部分
空间部分由7颗试验卫星和24颗GPS工作卫星组成,GPS工作卫星均匀分布在倾角为55°的6个轨道上,轨道高度约为2×104km,各轨道升交点的赤经相差60°,每条轨道上均匀分布着4颗卫星,相邻轨道之间的卫星还要彼此之间叉开40°,以保证全球均匀覆盖的要求,并在任意时刻全球各处都能观测到高度角为15°以上的4颗卫星。
2．地面监控部分
地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。
3．用户设备部分
用户设备部分包括GPS接收机和数据处理软件等。GPS接收机主要由天线、信号处理器、显示装置、记录装置、电源等组成。其主要功能是通过天线接收GPS卫星发射的无线电信号,在信号处理器中进行中频放大、滤波和信号处理,解码得到广播电文、获得伪距定位结果,将观测数据存储并传递至电脑进行处理。
二．GPS系统的卫星定位原理
GPS定位属于无线电定位范畴,类似于传统的后方交会。如果已知空间GPS卫星的瞬时位置,若仅确定测站点的三维则GPS接收机只要接收到3颗GPS卫星所发射的信号,即测得卫星到测站点的几何距离,就可根据后方交会原理,确定出测站点的三维坐标。最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。
1．距离定位法
现假设S1、S2、S3为已知位置的3颗卫星,P为GPS接收机天线所在位置,即待求点位置。P点到S1、S2、S3的距离利用电磁波传播理论计算后,P点的位置按公式即可求出。也就是说,若分别S1、S2、S3为圆心,以PS1、PS2、PS3距离为半径做3个圆,其交点即为GPS接收机天线的位置,它具有经度、纬度、高程和时间的四维特性。
2．双曲线定位法
假设S1、S2、S3和S4表示已知位置的4颗卫星,P为接收机天线位置,即待求点位置。如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D,即D=|SiP|×|SjP|。
i≠j则可以Si和Sj为焦点,以D为焦距绘出3组空间曲面,3个曲面的交点即为P点的位置。这种方式需要3个距离差值,至少需要观测4个以上的GPS工作卫星,才能完成定位工作。
三．GPS系统在工程测量中的优点
1．用途广泛
对于测绘行业而言,GPS定位系统已应用于:大地测量,地壳板块运动监测,建立各种工程监测网和进行各种工程测量等。GPS技术在工程测量中的应用有着广泛的前景,特别是自动变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向之一。
2．定位精度高
短距离(15km以内)精度可达毫米级,中、长距离(几十公里甚至几百公里)相对粗度可达到10-7~10-8。差分导航的精度可达米级至厘米级。大型建筑物、构筑物变形监测,在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后,平面精度可达亚毫米级,高程精度可稳定在1mm左右。
3．自动化程度高。
用GPS接收机进行完成了野外数据采集任务。如果在一个测站上需要做长时间的连续测量,还可实行无人值守的数据采集,通过数据传输将所采集的定位数据传输到数据处理中心,实现自动化的GPS测量和计算。
4．全天候观测
应用GPS定位、导航,不受天气的影响,可以全天候地工作,这一特点,保证了变形监测的连续性和自动化。
3.5观测时间短,人力消耗少
用GPS进行静态相对定位,在<20km的短基线上,快速相对定位一般只需15～20min进行动态相对定位测量时,在初始化工作完成后,流动站可随时定位,每站观测仅需几秒钟。
4GPS在工程测量中的实施
4.1选点与建立标志
选点应满足以下条件:点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方,且视场要开阔GPS点应避开对电磁波接收有干扰的物体,如微波站、电视台、高压线、大面积水域等。
4.2外业观测
GPS外业观测主要包括天线安置、观测作业和观测记录等。
（1）天线安置
天线安置的内容包括对中、整平、定向和量测天线高。进行静态相对定位时,天线应架设在三角架上,并安置在标志中心的上方直接对中,天线基座上的圆水准气泡须居中。定向是使天线的定向标志线指向正北,定向误差一般≤±3°-5°。天线高是指天线的相位中心至观测点标志中心的垂直距离。
（2）观测作业
观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号对其进行跟踪、接收和处理,以获取所需的定位信息和观测数据。天线安置完成后,将GPS接收机安置在距天线不远的安全处,接通接收机与电源、天线的连接电缆,经检查无误后,在约定的时间打开电源,启动接收机进行观测。
（3）观测记录
观测记录的方式一般有两种:①由接收机自动形成,并保存在接收机存储器中供随时调用和处理；②测量手簿,由观测人员填写。观测记录是GPS定位的原始数据,也是进行后续数据处理的唯一依据,必须要真实、准确。
4.3成果校核与数据处理
观测成果应进行外业校核,这是确保外业观测质量和实现预期定位精度的重要环节。观测任务结束后,必须及时对观测数据的质量进行校核,对于外业预处理成果,要按《规范》要求严格检查、分析,以便及时发现不合格成果,并根据情况采取重测或补测措施。成果校核无误后,即可进行内业数据处理。内业数据处理过程大体可分为:预处理,平差计算,坐标系统的转换或与已有地面网的联合平差。
5.GPS在工程测量实施中的注意事项
（1）开机后必须等卫星跟踪灯慢闪,表示正在跟踪4颗或4颗以上卫星后才可以按下数据存储键。
（2）数据存储灯开始会长亮表示正在存储,然后慢闪表示已存储够快速静态数据；需要注意的是外业观测过程中应时常注意查看数据存储灯和电池LED指示灯,如果数据存储灯快闪表示正在存储但数据快满,灯熄表示停止存储,数据PC卡已满；电池LED指示灯绿色表示正在使用,黄色表示正待用,常亮表示够用,绿灯慢闪表示低电,黄灯慢闪表示坏的,灯关闭表示无电。
（3）GPS仪器的选用要选择精度不低于基线精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6,性能较为稳定且受外界环境因素影响小的GPS。
（4）GPS高程测量观测时要充分考虑影响GPS测量精度,诸如GPS图形结构、电离层影响、正确量取天线高等因素。最大程度地减少误差影响。
（5）GPS高程测量虽然经过科学的数据处理可以保证精度满足需要,但由于搜集或建立测区重力成果,数字高程模型,重力场模型等资料不是一件轻而易举的事情,况且GPS高程测量数据经过处理才能达到相应等级的高程精度,再者相关规范也无明确规定,所以建议在生产中应有选择地使用GPS高程测量技术。
6.GPS卫星定位误差来源及消弱措施
6.1与卫星信号传播有关的误差
主要包括大气折射误差和多路径效应。这两种误差对GPSRTK来讲都是很大的，在距离较远或流动站周围有障碍时，误差可达5～10cm。为了消除大气折射误差，在实际作业中，可采用双频观测，卫星高度角设置15°左右，不宜太小。在消除多路径效应方面，可在接收机设置时选取多径抑制。适当延长观测时间也能消除多路径效应。
6.2与接收设备有关的误差
主要包括天线相位中心位置偏差误差和仪器对中误差。天线相位中心位置偏差在毫米级，对GPSRTK来讲不算很大，中桩放样时可适当延长观测时间。为了消除仪器对中误差，在架设基准站时应严格对中整平，尽量减小基准站对中误差。流动站放样时，应在圆水准泡居中时查看点位精度，以消除流动站不对中带来的误差。另外，解算坐标转换参数时采用的控制点坐标的精度，控制点在测区分布的均匀程度等直接影响转换模型的精度，从而影响坐标的精度。
6结束语
总之，GPS定位技术已经基本上淘汰了用常规测角、测距手段建立大地控制网的方法,其良好的精度、可观的经济效益已为工程测量界所公认。在程测量工程中起到重要作用。加强相关学科的研究,不断拓宽工程测量服务新领域,开创工程测量发展新局面,为推动我国工程测量科技进步而努力奋斗程测量工程将起到重要作用。
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