浅谈GPS测量技术

浅谈GPS测量技术

刘桂化

广东鸿德建设工程有限公司

一、GPS简介

GPS是1973年12月，经美国国防部批准研制的全球定位系统。包括：空间部分、地面控制部分、用户部分三大部分。

1.GPS的空间部分

GPS卫星星座是由24颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在6个轨道平面内，轨道平均高度为20200km，轨道倾角为55°，周期为11小时58分钟。保证每天的任一时刻，在高度角15°以上，能够同时观测到4颗以上卫星。

2.地面监控部分

地面监控部分由一个主控站、三个注入站、五个监测站所组成。主控站的地点位于美国科罗拉多洲法尔孔空军基地，主要功能是收集各监测站的数据、编算导航电文、送往注入站将卫星星历注入卫星。监测站的主要任务是管理、协调地面监控系统各部分的工作；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。

3.GPS的用户部分

GPS的用户部分包括：GPS信号接收机和用户。GPS信号接收机的基本结构包括天线单元和接收单元两部分。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

4、GPS系统定位原理

GPS的定位原理是：把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离的后方交会，确定用户接收机的位置。

GPS系统定位分静态定位和动态定位两大类，用户天线在跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，联同GPS卫星在轨的已知位置，从而算得固定不动的用户天线的三维坐标。

如图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3.

二、GPS测量的特点

1、测量精度高

GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10-6，在大于1000km的基线上可达1×10-8.

2、测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。

3、观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。

4、仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。

5、全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。

6、提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

三、GPS技术在公路工程测量中应用

在我国的公路工程测量工作中主要应用了GPS技术的静态功能和动态功能这两大功能应用。这两种功能应用完全可以满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。

1、GPS技术在公路工程测量中的静态功能应用

所谓静态功能应用，是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；它是至少有两台接收机同时接收卫星信号，经过卫星信号的处理可精确计算出两点在WGS一84地心坐标系的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标，由于静态相对定位精度高，可广泛应用于形变监测、大地测量、城市与工程控制等多领域。

2、GPS技术在公路工程测量中的动态功能应用

所谓动态功能应用，是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。具体来说，就是将一台GPS接收机置于基准站不动。而另一台（或几台）GPS接收机处于运动状态，根据基准站与流动站信号的差分可解算出流动站各时刻的位置参数。

四、从莞高速公路工程GPS静态控制测量

1、GPS测量的外业实施

（1）选点GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。

（2）观测根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10s.在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。

2、GPS测量的数据处理

GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标（见表1），其各项精度指标符合技术设计要求。

⑴WGS84系统输入基线

五、GPS测量技术展望

进入21世纪以来，GPS的动态测量技术日渐趋于成熟，它所具有的高精度、快速度和强可靠性为我国的公路工程测量一体化的实现提供了强有力的保障措施。

（1）可以大比例尺带状地形图测绘。在实际的公路测量中，采用GPS的动态测量技术进行地形图测绘，不需要点间通视，减少测量层次。只需要1个人拿着流动站GPS接收机在待测的地物地貌等碎部点上采集1分钟的时间，并通过动态测量技术操作手簿输入碎部点的特征编码及属性信息，这样，就可以得到碎部点的三维坐标。其次，再通过内业的数据传输和格式转换，至专用绘图软件编辑成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，采集速度快，因此大大降低了测图难度，既省时又省力。

（2）可以优化公路勘测作业步骤。就目前的公路测量工作的环节来说，比较繁杂。如果我们采用GPS的动态测量技术，就可以按照"静态与动态"的作业方式实现一体化勘测目标。这种作业方式是将公路勘测工作分为静态作业和动态作业两大环节。静态作业是利用GPS技术建立全线基础控制网，提供高精度的框架，并为动态作业提供转换参数；动态作业就是利用RTK技术，分段测量放样。它要求流动站分工明确，如有的负责测图，有的负责放样。其实质在于扩大RTK技术的应用范围，其关键在于实时GPS系统的数量。

（3）可以实现道路断面放样工作。纵断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。横断面放样时，先确定出横断面形式，然后把横断面设计数据输入到电子手簿中（如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高），生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。因为所用数据都是测绘带状图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。必要时也可用动态GPS到现场检测复核，这与传统方法相比，既经济又实用，前景又广阔。

参考文献

[1]钟孝顺.聂让主编．贺国宏主审.测量学［人民交通出版社］2004

[2]李国清．关于工程测量技术在建筑工程中的运用［Ｊ］2014

[3]从莞高速公路东莞段（含清溪支线）工程第十二合同段项目部