摘要:文章論述了對測量新技術GPS的組成及定位原理,分析了GPS在工程測量中的優點,闡述了GPS在工程測量中的實施步驟,指出了應用GPS進行工程測量時的注意事項。
　　關鍵詞:GPS，工程測量，技術應用
　　現今隨著技術的不斷發展，全球定位系統的全稱是導航衛星定時測距/全球定位系統,通常所說的GPS是(GlobalPositioningSystem)的簡稱，是美國國防部于1993年底建成的軍民兩用衛星導航定位系統。它是一種可以通過定時和測距進行空間交會定點的導航系統,可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。
　　1GPS系統的組成
　　GPS定位系統由GPS工作衛星組成的空間部分、若干地面站組成的地面監控部分及以接收機為主的用戶部分組成。三者具有獨立的功能和作用,又有機結合形成完整系統。
　　1.1空間星座部分
　　空間部分由7顆試驗衛星和24顆GPS工作衛星組成,GPS工作衛星均勻分布在傾角為55°的6個軌道上,軌道高度約為20000km,各軌道升交點的赤經相差60°,每條軌道上均勻分布著4顆衛星,相鄰軌道之間的衛星還要彼此之間叉開40°,以保證全球均勻覆蓋的要求,并在任意時刻全球各處都能觀測到高度角為15°以上的4顆衛星。
　　1.2地面監控部分
　　地面控制系統由監測站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天線(GroundAntenna)所組成,主控制站位于美國科羅拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站負責收集由衛星傳回之訊息,并計算衛星星歷、相對距離,大氣校正等數據。
　　1.3用戶設備部分
　　用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。
　　2GPS系統的衛星定位原理
　　GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示：

　　假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式：

　　上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。
　　di(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。
　　△ti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。
　　c為GPS信號的傳播速度（即光速）。
　　四個方程式中各個參數意義如下：
　　x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。
　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，
　　可由衛星導航電文求得。
　　Vti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。
　　Vto為接收機的鐘差。
　　由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。
　　GPS是根據什么來進行定位的?
　　GPS接收機在地面上接受位于天上的至少4顆GPS定位衛星的信號（電磁波）。根據定位信號到達GPS接收機的時間差，GPS接收機就可以計算出自己距離衛星的準確距離。又因為GPS定位衛星在天上的位置是已知的，所以可以通過公式，把這個位置和剛剛得到的距離，換算出GPS接收機在地面的位置（經緯度、海拔等等）。
　　3GPS在工程測量中的優點
　　(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點,使得選點更加靈活方便,這樣可節省大量的造標費用。
　　(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1×10-6,而紅外儀標稱精度為5mm+5×10-6,GPS測量精度與紅外儀相當,但隨著距離的增長,GPS測量優越性愈加突出。實驗證明,在<50km的基線上,其相對定位精度可達12×10-6,而在100～500km的基線上可達l0-7～l0-6。
　　(3)觀測時間短,人力消耗少。用GPS進行靜態相對定位,在<20km的短基線上,快速相對定位一般只需15～20min;進行動態相對定位測量時,在初始化工作完成后,流動站可隨時定位,每站觀測僅需幾秒鐘。
　　(4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,可以精確測定觀測站的大地高程。
　　(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監視儀器的工作狀態,而其它觀測工作如衛星的捕獲,跟蹤觀測等均由儀器自動完成。
　　(6)全天候作業。GPS觀測可在任何地點,任何時間連續地進行,一般不受天氣狀況的影響。公路路線一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線形式,這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造物如大橋、特大橋、長大隧道等,也有布設成三角網、線形鎖等形式。
　　4GPS在工程測量中的實施
　　4.1選點與建立標志
　　選點應滿足以下條件:點位應選在交通方便、易于安置接收設備的地方,且視場要開闊;GPS點應避開對電磁波接收有干擾的物體,如微波站、電視臺、高壓線、大面積水域等。
　　4.2外業觀測
　　GPS外業觀測主要包括天線安置、觀測作業和觀測記錄等。
　　4.2.1天線安置
　　天線安置的內容包括對中、整平、定向和量測天線高。進行靜態相對定位時,天線應架設在三角架上,并安置在標志中心的上方直接對中,天線基座上的圓水準氣泡須居中。定向是使天線的定向標志線指向正北,定向誤差一般≤±3°～5°。天線高是指天線的相位中心至觀測點標志中心的垂直距離。
　　4.2.2觀測作業
　　觀測作業的主要任務是捕獲GPS衛星信號對其進行跟蹤、接收和處理,以獲取所需的定位信息和觀測數據。天線安置完成后,將GPS接收機安置在距天線不遠的安全處,接通接收機與電源、天線的連接電纜,經檢查無誤后,在約定的時間打開電源,啟動接收機進行觀測。
　　4.2.3觀測記錄
　　觀測記錄的方式一般有兩種:①由接收機自動形成,并保存在接收機存儲器中供隨時調用和處理;②測量手簿,由觀測人員填寫。觀測記錄是GPS定位的原始數據,也是進行后續數據處理的唯一依據,必須要真實、準確。
　　4.3成果校核與數據處理
　　觀測成果應進行外業校核,這是確保外業觀測質量和實現預期定位精度的重要環節。觀測任務結束后,必須及時對觀測數據的質量進行校核,對于外業預處理成果,要按《規范》要求嚴格檢查、分析,以便及時發現不合格成果,并根據情況采取重測或補測措施。成果校核無誤后,即可進行內業數據處理。內業數據處理過程大體可分為:預處理,平差計算,坐標系統的轉換或與已有地面網的聯合平差。
　　5GPS在工程測量實施中的注意事項
　　(1)開機后必須等衛星跟蹤燈慢閃,表示正在跟蹤4顆或4顆以上衛星后才可以按下數據存儲鍵。
　　(2)數據存儲燈開始會長亮表示正在存儲,然后慢閃表示已存儲夠快速靜態數據;需要注意的是外業觀測過程中應時常注意查看數據存儲燈和電池LED指示燈,如果數據存儲燈快閃表示正在存儲但數據快滿,燈熄表示停止存儲,數據PC卡已滿;電池LED指示燈綠色表示正在使用,黃色表示正待用,常亮表示夠用,綠燈慢閃表示低電,黃燈慢閃表示壞的,燈關閉表示無電。
　　(3)外業觀測后應及時導出所測數據,刪除多余數據并為第二天留出記錄空間。
　　(4)GPS儀器的選用要選擇精度不低于基線精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6,性能較為穩定且受外界環境因素影響小的GPS。
　　(5)GPS高程測量觀測時要充分考慮影響GPS測量精度,諸如GPS圖形結構、電離層影響、正確量取天線高等因素。最大程度地減少誤差影響。
　　(6)外業實施過程中,要經常連測一些已知水準點,隨時進行高程比較,以避免氣候等不確定因素引起的觀測數據粗差。
　　(7)GPS高程測量雖然經過科學的數據處理可以保證精度滿足需要,但由于搜集或建立測區重力成果,數字高程模型,重力場模型等資料不是一件輕而易舉的事情,況且GPS高程測量數據經過處理才能達到相應等級的高程精度,再者相關規范也無明確規定,所以建議在生產中應有選擇地使用GPS高程測量技術。
　　6結束語：
　　總之，GPS系統的衛星定位原理、優點、實施及其在實施注意事項，對高程測量工程將起到重要作用。
　　
　　
　　參考文獻
　　［1］ 黃聲享、郭英起、易慶林.GPS在測量工程中的應用.北京：中國測繪出版社，2007
　　［2］ 胡友健、羅昀、曾云.全球定位系統（GPS）原理與應用.北京：中國地質大學出版社，2003
　　［3］ 李征航、黃勁松.GPS測量與數據處理.武漢：武漢大學出版社，2005