对GPS测量技术在城市建设中应用的探讨

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　　摘要 随着现代社会科学技术的发展和进步，建筑投资规模大，建筑使用功能复杂，使得对设计的要求新来越高。对于建筑工程，使用传统的测量方法已经显示出了它的局限性，而利用GPS 测量技术，可以有效的实现对于建筑物变形的监测。它具有传统测量方法无可比拟的优越性，已经在越来越多的测绘工程领域中得到了应用，有着显著的社会效益和经济效益。本文介绍了GPS 测量技术的GPS测量原理与测量方法，并重点论述了GPS测量在城市建设中的应用。
　　关键词 GPS 测量技术；；测量精度；城市建设
　　1 GPS 技术现状
　　GPS 全球卫星定位系统（Globle Positioning System）是一种结合卫星及通讯发展的技术，利用导航卫星进行测时和测距。全球卫星定位系统（简称GPS）是美国从上世纪70 年代开始研制，于1994 年全面建成，具有全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间等优点，成功地应用于大地测量、工程测量、工程变形测量、等多种学科。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，其是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，一般来说，双频GPS 接收机对比与单频接收机可以提供更为快速、更为精确、可靠的解算，具有安全有效地进行静态、快速静态和动态测量的功能，可升级的DSM232型号，也可以升级到包含RTK 功能；单频机适宜于短基线测量（例如不超过20km），最吸引人的是它良好的性能价格比。RTK 系统由GPS 接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备组成，它是建立在全球定位系统（GPS）基础之上的实时动态定位技术，完全可以满足控制测量、地形测图、工程放样的要求。但由于GPS 系统在轨卫星有限，在对空条件不好的测区，不能提供所保证的功能，是影响流动站定位精度的一个重要误差源。实践表明，单频GPS 系统由于不能有效消除电离层延迟影响，存在着很大的局限性和片面性。随着美国全球定位系统（GPS）和苏联全球导航卫星系统（CLONASS）的不断完善，这种高精度定位、高灵敏度快速定位模式为用户提供了更为完善的接收设备，实现了GPS 接收设备的新水平。
　　2 GPS 测量的优越性
　　1）测站间无须通视。GPS 测量不要求测站之间互相通视只需测站上空开阔即可因此可节省大量的造标费用。GPS 这一特点，使得图形注记更加快捷、方便，用户可根据实际情况自由设置其显示、输出的状态。CPS 测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通讯即可，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标；
　　2） 定位精度准确。 一般双频GPS 接收机（ 标称精度5mm+1ppm•D，D 以km 计），而红外仪器的标称分辨率为5mm+5ppm， GPS 测量精度与其旗鼓相当，但随着间隙距离的进一步增加，GPS 测量更具有优越性；
　　3）能够提供三维坐标。GPS 测量相对经典的测量技术，具有定位精度高、观测时间短、操作简便、全天候作业等优点，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。
　　3 GPS测量原理与测量方法
　　GPS定位是利用卫星基本三角定位原则。接收装置以测量无线电信号的传输时间测量距离，从而判定卫星在太空中的位置。GPS卫星信号的调制码与载波均可以用来测量，因此观测量通常为载波相位或伪距离。GPS测量原理根据观测量分为载波相位法与伪距法。
　　3.1 载波相位法
　　载波相位法也被称为“载波差拍相位法”。这种方法是测量卫星多普勒频移载波相位与接收机振荡器频率的相位之间的差值。由于这种测量方法是将编码从收到的信号中去掉后，用平方率信号的方式或与码相关的方法重建载波相位，因此又叫“重建载波相位法”。载波相位通常是在用户钟确定的历元取样的，与接收机和卫星参考振荡器间的补偿值有一个偏差。载波相位测量类似于只有载波整周数的精密伪距测量。
　　3.2 伪距法
　　伪距法的工作原理可以用三角测量来解释。GPS接收机可以接收所选的卫星发来的星钟校正参数和导航信息。根据这些信息到达的时间，可以算出接收机到卫星的距离。比如测量到3颗卫星的“距离”。就可以分别以3颗卫星发射时刻的卫星位置为中心，并根据所测的距离，画出3个球，交点就是用户的三维位置。但由于接收机本机钟对星载原子钟存在着偏差，因而所测的距离并不是接收机到卫星的实际距离。这种距离其实是伪距离，因而，伪距法由此得名。
　　定位产生不定性是由于伪距使每次测量总有一个固定的距离偏差。如果再测量到第四颗卫星的伪距，就是由用户钟偏差所造成的定位不定性，就产生一个由4个相交球面围成的误差体积。从每个伪距测量中减去或加上这个固定值，就消去了误差体积，便可以得到4个球面相交于一点，这就是用户的三维坐标位置。只要观测到4颗星的伪距并接收卫星的导航信息，解算4个方程就可以得到。
　　3.3 GPS测量方法
　　GPS测量方法主要包括差分定位法、相对定位法及单点定位法。
　　3.3.1 差分定位法
　　差分定位法是采用两台以上的GPS接收机完成。其主要特点是，一方面它给出的位置信息不是相对定位的坐标测量，而是单点定位的绝对坐标，另一方面能给出消除公共误差的准确的位置信息。这种测量方法定位可达米级精度，是一种用途广泛的方法，尤其适合于车辆、飞机、船舶等导航定位，以及海洋石油勘探平台定位，航空物探及航空摄影等方面的应用。
　　1.3.2 相对定位法
　　相对定位法是能够得到最高精度的测量方法，也是与大地测量具有重大关系的方法，这种方法需要在多个地点同时观测，利用多台测地型接收机进行相对静态定位，常用于精度要求较高的测量中，如国家控制点的复测、设置；监视地壳形变；大地测量网的规划等。
　　3.3.3 单点定位法
　　单点定位法是GPS初期使用的方法，是利用一台GPS接收机进行绝对定位。通常几秒到几分钟的时间内就可以给出位置数据。定位精度取决于观测时间长短、接收机的类型及观测量的类型。
　　4 GPS测量的特点
　　相对于其他测量技术，GPS测量具有以下特点。
　　观测时间短。完成一条基线的精密定位所需的时间，在＜20km的短基线上快速相对定位通常只需5min观测时间。观测点无须通视，这样可以使点位的选择变得灵活，也可以建设测量工作的时间。
　　全天候观测。GPS观测可以在任何时间、任何地点进行连续作业，通常不受天气状况的影响。
　　操作简便。GPS测量的自动化程度较高，在观测中测量人员的任务只是监视仪器的工作状态，安装仪器，量取仪器高度。其他工作如卫星的捕获，跟踪观测均由仪器自动完成。而且GPS接收机体积小，重量轻，搬运方便。
　　提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同
　　时，可以精确地测定观测站的大地高程。
　　定位精度高。通常双频G P S 接收机基线精度为5mm+1×10-6D，而红外仪标称精度为5mm+5×10-6D，GPS测量精度与红外仪相当。然而随着距离的增长，GPS测量的优越性就愈加突出。在100～500km的基线上，其相对定位精度可以达到10-7～10-6D。
　　5 GPS在城市建设中的应用
　　5.1 城市网改造
　　在原有控制网的基础上，加密或扩大城市控制网，可以用于提高或检测旧网精度。目前，我国大部分城市已利用GPS测量，并进行了相关工作。GPS得到广泛应用后，常规网的作用与概念逐步减弱，作为替代，在一个地区内建立了数个主控站，站上有GPS接收机连续观测，测量用户只需将接收机放在测量的细部点上就可以了，而不需要先控制，后细部的常规作业程序。
　　5.2 建立城市控制网
　　建立各种形式的控制网是GPS技术最直接的应用。在GPS技术还处于初始实验阶段时，就已用在各种控制网上。
　　5.3 代替水准高程测量
　　GPS观测得到的高差指的是相对于椭球的大地高，经过大地水准面高差改正，可以推算出观测点的正常高与正高，已在国外进行过大量的实验研究。尤其是近些年来，已有很多应用实例。我国也进行过相当于Ⅱ等水准精度的应用与实验，而代替Ⅲ、Ⅳ等水准测量已经在很多地区得到了广泛应用。
　　5.4 城市规划与变形观测
　　可以利用GPS进行城市规划的相关测量，包括地下管线测量、地籍测量、桥梁、港口、道路建设、工程设计、市政工程测量等。也可以用在变形观测，包括桥梁等建筑物的变形观测、城市高层建筑物稳定性检测等，可以自动连续检测建筑物可能出现的变形及形变的过程。
　　6 结语
　　GPS 就是全球定位系统，它是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代紧密卫星导航定位系统。GPS 卫星定位测量是研究利用GPS 系统解决大地测量问题的一项空间技术。随着全球定位系统（GPS）技术的快速发展，GPS 测量技术也日益成熟，GPS 测量技术逐步在城市建设中得到应用。其技术的应用已遍及我国国民经济的各个领域，取得了好的经济效益和社会效益。
　　

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