摘要：GPS測量技術的出現和不斷發展，極大地促進了地籍測繪工作的進步，不僅使地籍測繪的工作方式發生了根本性的變革，也大大提高了工程測繪的工作效率、拓廣了工程測繪的服務范圍。本文介紹了GPS測量的基本原理，對GPS在工程測繪中的應用進行了分析。
　　關鍵詞：GPS，工程測繪
　　
　　一、全球定位系統(GPS)
　　全球定位系統(GPS)是“衛星授時測距導航／全球定位系統”的簡稱。該系統由美國國防部于1973年組織研制，歷經20年，耗資近300億美元，于1993年建設成功，主要為軍事導航與定位服務。GPS利用衛星發射的無線電信號進行導航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速實時三維導航、定位、側速和授時功能，并具有良好的保密性和抗干擾性。GPS已成為美國導航技術現代化的重要標志，被稱為本世紀繼阿波羅登月計劃之后的又一重大航天技術。GPS不但可以用于軍事上各兵種和武器的導航定位，在民用上也具有廣泛的應用。GPS定位技術的引入，引發了測繪技術的一場革命，使得測繪領域步入了一個嶄新的時代。
　　全球定位系統(GPS)由三部分(見圖6—39)組成：空間衛星星座、地面監控系統和用戶設備。
　　
　　圖1GPS組成示意圖
　　 經過20年的發展，GPS己經廣泛地滲透到了經濟建設和科學技術的許多領域，尤其是對經典測量學的各個方面產生了極其深刻的影響。它在許多學科，如地球動力學、大地測量學、天文學、大氣科學、海洋科學、地球物理勘探、航空與衛星遙感、工程變形監測以及精密時間傳遞等方面的廣泛應用，充分地顯示了這一衛星定位技術的高精度與高效益。
　　二、GPS定位原理
　　全球定位系統(GPS)的定位基本原理，是空間距離交會定點原理。假設在地面上有3個無線電信號發射臺，其位置坐標已知，用(xi,yi,zi)(其中i＝1，2，3)表示。用戶接收機在某一時刻采用無線電測距的原理測得接收機到3個無線電發射臺的距離只Ri(i＝1，2，3)，則只需以3個發射臺為球心，以所測距離為半徑，即可用距離交會原理計算出用戶接收機的空間位置(xp，yp，zp，)。其數學模型如下：
　　Ri=
　　如果只有兩個無線電發射臺，則可根據用戶接收機的概略位置交會出接收機的平面位置。這種通過無線電測距交會定點的方法是目前仍在使用的飛機、輪船的導航定位方法。現在將無線電信號發射臺從地面搬到位于空間中的衛星之上，組成一個衛星導航定位系統，應用無線電測距交會的原理，便可由3個以上地面已知點交會出衛星的空間位置；反之，利用3個以上衛星的已知空間位置，又可以交會出地面上未知點的空間位置。這就是GPS衛星定位的基本原理。
　　與傳統測繪相比，GPS有其明顯的技術優勢：(1)定位精度高。用載波相位做相對定位，觀測時間少于20min，可以達到±5mm的距離精度。若采用快速定位方法，觀測時問僅需1min左右，即能達到±0.1m的距離精度。(2)提供三維坐標。GPS測量，在精確測定觀測站平面位置的同時，還可以精確測定觀測站的大地高程。(3)觀測站之間無須通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網的良好結構，一直是常規測量在實踐方面的難題之一。GPS測量可以節省常規測量所需的造標費用，減少測量時間，經濟效益十分顯著。(4)全天候作業。GPS測量工程，通常可在任何地點、任何時間連續地進行。
　　二、GPS測量實施
　　GPS測量的外業工作主要包括選點、建立觀測標志、野外觀測以及成果質量檢核等；內業工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數據處理以及技術總結等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則可分為技術設計、選點與建立標志、外業觀測、成果檢核與處理等階段。現將GPS測量中最常用的精密定位方法——靜態相對定位方法的工作程序作一簡單介紹。
　　2.1GPS網的技術設計
　　GPS網的技術設計是一項基礎性的工作。這項工作應根據網的用途和用戶的要求來進行，其主要內容包括精度指標的確定和網的圖形設計等。
　　2.1.1GPS測量的精度指標
　　精度指標的確定取決于網的用途，設計時應根據用戶的實際需要和可以實現的設備條件，恰當地確定GPS網的精度等級。精度指標通常以網中相鄰點之間的距離誤差mR來表示，其形式為：
　　（1）
　　式中D為相鄰點間的距離(km)。現將我國不同類級GPS網的精度指標列于表1所示。
　　
　　2.1.2網形設計
　　常規控制測量中，控制網的圖形設計十分重要。而在GPS測量時由于不需要點間通視，因此圖形設計靈活性比較大。GPS網設計主要考慮以下幾個問題：
　　(1)網的可靠性設計。GPS測量有很多優點，如測量速度快，測量精度高等，但是由于是無線電定位，受外界環境影響大，所以在圖形設計時應重點考慮成果的準確可靠和有較可靠的檢驗方法。GPS網一般應通過獨立觀測邊構成閉合圖形，以增加檢核條件，提高網的可靠性。
　　(2)GPS點雖然不需要通視，但是為了便于與常規方法聯測和擴展，要求控制點至少與一個其他控制點通視，或者在控制點附近300m外布設一個通視良好的方位點。以便建立聯測方向。
　　(3)為了求定GPS網坐標與原有地面控制網坐標之間的坐標轉換參數，要求至少有三個GPS控制網點與地面控制網點重合。
　　(4)為了利用GPS進行高程測量，在測區內GPS點應盡可能與水準點重合，或者進行等級水準聯測。
　　(5)GPS點盡量選在天空視野開闊、交通方便地點，并要遠離高壓線、變電所及微波輻射干擾源。
　　2.2選點與建立標志
　　由于GPS測量觀測站之間不要求通視，而且網形結構靈活，故選點工作遠較常規大地測量簡便；并且省去了建立視標的費用，降低了成本。但GPS測量又有其自身的特點，因此選點時，應滿足以下要求：點位應選在交通方便、易于安置接收設備的地方，且視野開闊，以便于同常規地面控制網的聯測；GPS點應避開對電磁波接收有強烈吸收、反射等干擾影響的金屬和其他障礙物體，如高壓線、電臺、電視臺、高層建筑、大范圍水面等。
　　點位選定后，應按要求埋置標石，以便保存。最后，應繪制點之記、GPS網選點圖，作為提交的選點技術資料。
　　2.3外業觀測
　　外業觀測是指利用GPS接收機采集來自GPS衛星的導航信號，其作業過程大致可分為天線安置、接收機操作和觀測記錄。外業觀測應嚴格按照技術設計時所擬定的觀測計劃進行實施，只有這樣，才能協調好外業觀測的進程，提高工作效率，保證測量成果的精度。為了順利地完成觀測任務，在外業觀測之前，還必須對所選定的接收設備進行嚴格的檢驗。
　　天線的妥善安置是實現精密定位的重要條件之一，其具體內容包括：對中、整平、定向并量取天線高。
　　接收機操作的具體方法步驟，詳見儀器使用說明書。實際上，目前GPS接收機的自動化程度相當高，一般僅需按動若干功能鍵，就能順利地自動完成測量工作；并且每做一步工作，顯示屏上均有提示，做到實時記錄，減少外作用操作量。
　　觀測記錄的形式一般有兩種：一種由接收機自動形成，并保存在機載存儲器中，供隨時調用和處理，這部分內容主要包括接收到的衛星信號、實時定位結果及接收機本身的有關信息。另一種是測量手簿，工作量大，需要有人隨時記錄，其中包括觀測時的氣象元素等其他有關信息。觀測記錄是GPS定位的原始數據，也是進行后續數據處理的惟一依據，必須妥善保管。
　　2.4成果檢核與數據處理
　　觀測成果的外業檢核是確保外業觀測質量，實現預期定位精度的重要環節。所以，當觀測任務結束后，必須在測區及時對外業觀測數據進行嚴格的檢核；并根據情況采取淘汰或必要的重測、補測措施。只有按照《規范》要求，對各項檢核內容嚴格檢查，確保準確無誤，才能進行后續的平差計算和數據處理。
　　GPS測量采用連續同步觀測的方法，一般15秒鐘自動記錄一組數據，其數據之多，信息量之大是常規測量方法無法相比的；同時，采用的數學模型、算法等形式多樣，數據處理的過程相當復雜。在實際工作中，借助于電子計算機，使得數據處理工作的自動化達到了相當高的程度，這也是GPS能夠被廣泛使用的重要原因之一。
　　四、結束語
　　與傳統測繪方法相比，GPS測繪具有定位速度快、成本低、不受天氣影響、點間無需通視、不用建標等優點，而且儀器設備小巧輕便，操作簡單便捷。經過20余年的實踐證明，GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。
　　
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