小议工程GPS技术的相关应用

摘　要：20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。本文简述了全球定位系统（GPS）的基本结构和测量原理，总结了GPS用于工程测量所具有的特点。

关键词：构成，特点，优点，实例，原理
一.关于GPS的构成
　　（1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20 200 km，运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。
　　 （2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监 测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。 
　　　（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。
二、GPS测量的特点
　　　相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1×10－6，在大于1 000 km的基线上可达1×10－8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。　　
三、GPS技术应用的优点
1.用途广泛
　　 GPS技术可以应用于国民经济的各个领域，对于测绘工作者而言，GPS定位系统己应用：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。
2.自动化程度高
　　　用GPS接收机进行测量时，仅需一人将天线准确地安置在测站上，量测天线高，接通电源，启动接收单元，仪器即自动开始工作，在结束测量时只需关闭电源，接收机便完成野外数据采集，若在一个测站上需要作长时间的连续测量，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。
3.定位精度高
　　　短距离(15公里以内)精度可达毫米级，中、长距离(几十公里甚至几百公里)相对精度可达到10-7至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。
4.全天候实时动态观测
　　　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。
5.可消除或削弱系统误差的影响 
　　　在变形监测中我们关注的是两期的变形量，而不是变形监测点本身的坐标，两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然只会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量。即在变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。
四、实例说明
1.工程概况
　　本文涉及的工程由某集团公司投资建造，是一个集休闲、娱乐、旅游、度假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊，占地66．7 hm2多，属两山夹一沟地形，山地面积约占三分之二。最高处约90 m。山上树木茂盛，地形复杂，通视困难，行走不便。为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏大等因素，决定采用GPS测量。
测量的技术设计
　　　（1）设计依据　
　　　 GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的。
　　　（2）设计精度　
　　　 根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1km，最弱边相对中误差小于1／10 000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm，比例误差系 数b≤20×10－6。
　　　（3）设计基准和网形
　　　 控制网共12个点，其中联测已知平面控制点2个（I12，I13），高程控制点5个（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水准测得）。采用3台GPS接收机观测，网形布设成边连式。
　　　（4）观测计划　
　　　 根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。
测量的外业实施
　　　（1）选点
　　　 GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。
　　　（2）观测
　　　 根据GPS作业调度表的安排进行观测，采 取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10 s。在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。
测量的数据处理
　　　GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标，其各项精度指标符合技术设计要求。
五、GPS测量的基本原理
    GPS定位原理，类似于传统的后方交会，如果在需要的位置某点P架设GPS接收机，在某一时刻同时接收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。GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息，用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测录出测站点(接收机天线中心) P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P的位置，在测站P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星s1，s2,s3的距离分别为?籽1，?籽2，?籽3，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标为（Xi，Yi，Zi），j=1，2，3用距离交会的方法求解P点的三维坐标的观测方程为：
    在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着，需要实时地由GPS卫星信号测出测站至卫星之间的距离，实时地测出卫星的导航电文解算出卫星的坐标值并进行测站点的定位，根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位，根据对GPS信号的不同观测量，可以区分两种定位方法：a.伪距定位法，用GPS卫星的伪噪声编码信号，测定接收机到GPS卫星的距离。b.载波相位测量，通过测量载波相位而求得接收机到GPS卫星的距离。
总结
    GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。