刍议GPS技术在工程测量中的应用
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摘 要: 本文主要介绍了GPS的组成及定位原理，分析了GPS在工程测量中的优点，阐述了GPS在工程测量中的实施步骤，指出了应用GPS 进行工程测量时的注意事项。
关键词： GPS；组成与原理；工程测量；应用；体会
全球定位系统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。
1 GPS 系统的组成
GPS定位系统由GPS工作卫星组成的空间部分、若干地面站组成的地面监控部分及以接收机为主的用户部分组成。三者具有独立的功能和作用, 又有机结合形成完整系统。
1.1 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。
1.2 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。
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。
1.3 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。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。
2 GPS系统的卫星定位原理
GPS定位属于无线电定位范畴，用户只需通过地面接收设备接收卫星播发的信号，就能测定卫星信号的传播时间延迟或相位延迟。解算接收机到GPS卫星间的距离(称为伪距)，确定接收面位置及时间改正数。最基本的方法有距离定位法和双曲线定位法两种。GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。
3 GPS 在工程测量中的优点
(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，这样可节省大量的造标费用。
(2) 定位精度高。一般双频GPS 接收机基线解精度为5mm+1×10ˉ6，而红外仪标称精度为5mm+5×10ˉ6，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。
(3) 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。
(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。
(5) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，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。
(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。
4 GPS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。
4.2.1 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。
4.2.2 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。
4.2.3 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。
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) 外业观测后应及时导出所测数据，删除多余数据并为第二天留出记录空间。
( 4) GPS仪器的选用要选择精度不低于基线精度5mm+1×10ˉ6、高程精度10mm+2×10ˉ6，性能较为稳定且受外界环境因素影响小的GPS。
( 5) 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。
( 6) 外业实施过程中, 要经常连测一些已知水准点，随时进行高程比较，以避免气候等不确定因素引起的观测数据粗差。
( 7) 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 结束语
GPS系统的卫星定位原理、优点、实施及其在实施注意事项，对高程测量工程将起到重要作用。通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。
(1) GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制。特别是在地形复杂，通视困难的测区，更显其优越性。
(2) GPS接收机观测基本实现了自动化，智能化。观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。
(3) GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度。即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。
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