浅谈GPS技术在工程测量中的应用实践

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　　【摘要】科学技术的快速发展推动了工程测绘水平的极大提升。GPS测量技术的快速发展，给工程测绘带来了革命性的变化，大大提升了工作效率和服务范围。本文对GPS在工程测绘中的实施进行了探析，供同行参考借鉴。
　　【关键词】GPS；工程测量；特点；应用
　　0.前言
　　 近年来，随着我国经济的发展，GPS 技术应用研究的逐步深入，全球定位系统已广泛应用于工程建设领域中，在道路与桥梁的建设中发挥着重大的作用。GPS 测量通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，且具有良好的抗干扰性和保密性。本文着重探讨一下GPS 在工程测量领域的应用。
　　一、全球定位系统（GPS）
　　 全球定位系统（GPS）是“卫星授时测距导航／全球定位系统”的简称。该系统由美国国防部于1973年组织研制，历经20年，耗资近300亿美元，于1993年建设成功，主要为军事导航与定位服务。GPS利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、侧速和授时功能，并具有良好的保密性和抗干扰性。GPS已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月计划之后的又一重大航天技术。GPS不但可以用于军事上各兵种和武器的导航定位，在民用上也具有广泛的应用。GPS定位技术的引入，引发了测绘技术的一场革命，使得测绘领域步入了一个崭新的时代。
　　二.GPS 构成
　　2.1 空间卫星星座
　　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20200km，运行周期为11h58min。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。
　　2.2 地面监控站
　　 GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个检测站组成。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。
　　2.3 用户设备
　　 GPS 用户设备由GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备等组成。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。
　　三.GPS 工程测量的特点
　　3.1 测站之间无需通视
　　 测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS 卫星信号不受干扰。
　　3.2 定位精度高
　　 一般双频GPS 接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS 测量精度与红外仪相当， 但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50 公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500 公里的基线上可达10-6～10-7。
　　3.3 观测时间短
　　 采用GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右， 采用快速静态定位方法， 观测时间更短。例如使用Timble4800GPS 接收机的RTK 法可在5s 以内求得测点坐标。
　　3.4 提供三维坐标
　　 GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
　　3.5 操作简便
　　GPS 测量的自动化程度很高。目前GPS 接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中，整平，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
　　3.6 全天候作业
　　GPS 观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。
　　四.GPS 在工程测量中的应用
　　4.1 常规静态测量
　　这种模式采用两台(或两台以上)GPS 接收机，分别安置在一条或数条基线的两端，同步观测4 颗以上卫星，每时段根据基线长度和测量等级观测45 分钟以上的时间。这种模式一般可以达到5mm+1ppm的相对定位精度。常规静态测量常用于建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。
　　4.2 快速静态测量
　　 这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS 接收机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机依次到各待测测站，每测站观测数分钟。这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5 颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km。
　　4.3 准动态测量
　　 这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS 接收机作为基准站，连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站，每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速静态，除了观测时间不一样外，它要求移动站在搬站过程中不能失锁，并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化。这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5 颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km。另外，有一种连续动态测量，也属于这种模式。这种测量是在一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星。流动接收机在初始化后开始连续运动，并按指定的时间间隔自动记录数据。这种方法常用于精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。
　　4.4 实时动态测量
　　 实时动态测量则是实时得到高精度的测量结果。这种模式具体方法是：在一个已知测站上架设GPS 基准站接收机和数据链，连续跟踪所有可见卫星，并通过数据链向移动站发送数据。移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据，并在机进行处理，从而实时得到移动站的高精度位置。DGPS 通常叫做实时差分测量，精度为亚米级到米级，这种方式是基准站将基准站上测量得到的RTCM 数据通过数据链传输到移动站，移动站接收到RTCM 数据后，自动进行解算，得到经差分改正以后的坐标。RTK 则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS 测量，它是GPS 测量技术发展中的一个新突破。它的工作思路与DGPS 相似，只不过是基准站将观测数据发送到移动站（而不是发射RTCM 数据）， 移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理，从而得到精度比DGPS 高得多的实时测量结果。这种方法的精度一般为2 厘米左右。
　　五.结束语
　　 综上所述，在工程测量领域中，由于GPS 定位技术自身独特而强大的功能， 充分显示了它在该领域实际测量工作中比常规控制测量具有更大的优越性和适应性，同时也存在一些不足，还有待于进一步研究改善来适应实际测量工作。随着该技术的飞速发展和普及，以及相关技术的应用，GPS 定位技术将在工程测量中得到更加广泛的应用。
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