全球定位系统在工程测量中的应用研究

任幼萍

摘要：20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了巨大的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。本文简述了全球定位系统(GPS)的基本结构和测量原理，总结了GPS用于工程测量所具有的特点，介绍了GPS在工程测量中的应用。

关键词：GPS；工程测量；卫星

1 前言

全球定位系统的全称是导航卫星定时测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing andRanging/Global positioning System）通常所说的GPS是其字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。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。GPS定位在工程测量中有很大的应用潜力。近年来，GPS接收机的小型化、小功耗给GPS用于工程测量提供了有利的硬件条件。在软件方面，GPS快速定位方法也有较大的进展，这些都促使GPS在工程测量中得到较广泛的应用。实践证明，在缩短工期、降低成本和设计的灵活性方面，GPS技术较常规技术有不少优越之处。

2 GPS在工程测量中的优点

2.1 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准费用。

2.2 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×10-6，而红外仪标称精度为5mm+5×10-6，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。实验证明，在＜50km的基线上，其相对定位精度可达12×0-6，而在100～500km的基线上可达10-7～10-6。

2.3 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。

2.4 提供三维坐标。GPS测量在测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测的大地高程。

2.5 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形状仪器、量取仪器高和监视仪器的工作，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。

2.6 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。公路路线一般处在一条带状走廊内，其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，也有布设成三角网、线形锁等形式。

3 GPS工程测量应用

3.1 适用范围

很多工程测量任务可以使用GPS定位技术实施。例如，城市控制网，按我国的实测估计，可节省经费1/3到1/2，且可缩短工期。又如隧道控制测量，往往山高林密，常规方法施测困难，更可发挥GPS不需通视和跨度可长可短的优点。有些变形测量则可充分利用GPS高精度、高效率和布测灵活的特点。

尽管在主要技术方面工程测量应用和精密控制测量应用没有什么原则不同，但工程测量一般要求不很高（有些工程测量也有较高或很高的精度要求），效率往往成为主要的问题，工程测量中边长较短，交通条件较好，一般GPS相对定位所需较长观测时间影响了效率的提高。快速GPS定位就是在这一背景下发展的。工程测量的另一点不同是，它往往不要求全国或很大范围的统一的、高精度的坐标系统，但往往要求与原采用地方坐标系一致。也就是说，它常常不要求使用WGS-84坐标系而要求使用已有的局部坐标系，这就在数据处理方面提出了不同的要求。

工程测量往往不使用大地高，更多的是使用水准高程，这里的水准高程是指我国使用的正常高。GPS定位所得到的是大地高，大地高H与正常高Hr有如下关系H=Hr+?灼

?灼为似大地水准面与椭球面之间的高差，称为高程异常。对于高程差有：△H=△Hr+△?灼

在高山区，这种高程异常较大，平原地区则要小的多。

3.2 GPS的走——停定位

模糊参数确定后快速定位法可以采用一定的方法确定模糊参数，称为初始化。确定之后接收机保持盥洗室状态，此时模糊参数不变，为已知，就可以在不长的观测时间内取得较好的定位解。这种方法有的称为准动态定位，有的称为走——停定位。

它的具体做法是：

（1）在一条基线上使用2台接收机进行初始化，可以是较长的观测时间（如45分钟）以取得基线解和整形约束的模糊参数解。

（2）一台接收机在已知点始终不动，另一台接收机不关机，迁至新的待定点并观测几分钟，不关机再迁至一待定点，依次类推。

究其本质，这一方法仍属静态定位，其解算并无特殊之处，只是将初始经所确定的模糊参数作为已知数的定位解。由于观测时间很短，通常采用较高的采样率以削弱机误差的影响。

快速定位的初始化。如前所述，快速定位的初始化是为了确定模糊参数，可以是在一个基线上进行一段几十分钟的通常的定位观测，还可以用交换无线的方法进行初始化，具体做法是两台接收机分别置于一基线的两端点，观测几分钟，两接收在不关机情况下交换所占点位，再观测几分钟即可解出模糊参数。

4 GPS在工程测量实施中的注意事项

4.1 开机后必须等卫星灯慢闪，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。

4.2 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。

4.3 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。

4.4 GPS仪器的选用要选择精度不低于基线精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6，性能较为稳定且受外界环境因素影响小的GPS。

4.5 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、正确量取天线高度等因素。最大程度地减少误差影响。

4.6 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。

4.7 GPS高层测量虽然经过科学的数据处理可以保证精度满足需要，但由于搜集或科学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。