簡述GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用
GPS技術(shù)給測(cè)繪界帶來了一場(chǎng)革命。利用載波相位差分技術(shù)（RTK），在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。與傳統(tǒng)的手工測(cè)量手段相比，GPS技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)： 測(cè)量精度高； 操作簡便，儀器體積小，便于攜帶； 全天候操作；觀測(cè)點(diǎn)之間無須通視；測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下，信息自動(dòng)接收、存儲(chǔ)，減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)。 當(dāng)前，GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘查、地殼運(yùn)動(dòng)、地籍測(cè)量等領(lǐng)域。本文介紹GPS在山區(qū)工程測(cè)量中的應(yīng)用，并提出幾點(diǎn)體會(huì)。
1、GPS簡介
1.1GPS構(gòu)成
GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。
?。?）GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成，它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4 顆），軌道傾角為55°。此外，還有3 顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息。GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐栴}，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。
?。?）地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitor Station）、地面天線（Ground Antenna）所組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。
（3）用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測(cè)使用。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價(jià)格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。
1.2GPS定位原理
GPS定位是根據(jù)測(cè)量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的[2].如圖1所示，在待測(cè)點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1、S2、S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心（測(cè)站點(diǎn)）至衛(wèi)星的距離ρ1、ρ2、ρ3.根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)（Xj,Yj,Zj），j=1,2,3,從而由下式解算出Q點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）：
1.3GPS測(cè)量的特點(diǎn)
相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來說，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：①測(cè)量精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6,在大于1000km的基線上可達(dá)1×10-8.②測(cè)站間無需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。③觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。
2、應(yīng)用實(shí)例
2.1工程概況
本文涉及的工程由某集團(tuán)公司投資建造，是一個(gè)集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項(xiàng)目。工程位于城郊，占地66.7hm2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占三分之二。最高處約90m.山上樹木茂盛，地形復(fù)雜，通視困難，行走不便。為了該工程的設(shè)計(jì)和施工，需建立首級(jí)控制網(wǎng)?？紤]到工程復(fù)雜，工期較緊，測(cè)區(qū)通視困難，地形起伏大等因素，決定采用GPS測(cè)量。
2.2GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)
?。?）設(shè)計(jì)依據(jù)GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測(cè)量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》[3]及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。
?。?）設(shè)計(jì)精度根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長小于1km,最弱邊相對(duì)中誤差小于1/10000,GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15mm,比例誤差系數(shù)b≤20×10-6.
?。?）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形如圖2所示，控制網(wǎng)共12個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)2個(gè)（I12,I13），高程控制點(diǎn)5個(gè)（I12,I13,105,109,110,其高程由四等水準(zhǔn)測(cè)得）。采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。
?。?）觀測(cè)計(jì)劃根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。
2.3GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施
?。?）選點(diǎn)GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測(cè)量工作的使用；②點(diǎn)周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；④點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測(cè)和日后使用；⑤選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點(diǎn)之記。
?。?）觀測(cè)根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè)，采取靜態(tài)相對(duì)定位，衛(wèi)星高度角15°，時(shí)段長度45min,采樣間隔10s.在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平、定向），量取天線高，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，開機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫測(cè)量手簿。
2.4GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理
GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用隨機(jī)軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測(cè)和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見表1），其各項(xiàng)精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。
3、結(jié)束語
通過GPS在測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)。
（1）GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測(cè)區(qū)條件較差，邊長較短（平均邊長不到300m），基線相對(duì)精度較低，個(gè)別邊長相對(duì)精度大于1/10000.因此，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。
?。?）GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量，經(jīng)重測(cè)后通過。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的使用。
?。?）GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測(cè)已知高程點(diǎn)較少（僅聯(lián)測(cè)5個(gè)），致使的控制點(diǎn)高程精度較低。因此，要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)。
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