GPS定位技术在灌区调查中的应用

张 超

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

随着现代社会的快速发展和科技的迅猛进步，GPS(Global Positioning System)全球卫星定位系统已被广泛应用于社会的各个领域。尤其作为新型的测量方法被快速应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等工程实践的各个方面。

GPS技术在实际工程测量中具有操作简便、观测时间短、自动化程度高且定位精度高的特点，可以快速提供出观测点的三维坐标。大量工程实践经验表明，GPS技术在实际测量中静态定位的精度能够达到毫米级和动态定位的精度能够达到厘米级。同时GPS技术还具有经济、测量效率高、全天候作业的优点，实践证明，GPS定位技术在实际工作中不受时间、空间的限制，可以连续工作，通常情况下受外界天气状况的影响也比较小，而且可以随时定位，极大地提高了测量精度和工作效率，减轻了实际测量工作中的劳动强度。

1 GPS定位技术原理

GPS全球定位系统为美国第二代卫星导航系统。GPS定位系统由卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面部分）、GPS接收机(用户设备部分)组成。GPS卫星发送的导航定位信号即GPS信号，是一种全球共享的信息资源。各类用户，在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS接收机接收信号，进行导航定位测量[1]。

GPS定位原理，类似于传统的后方交会。从理论上讲，地面点的三维坐标只需要三颗卫星到地面点的距离就可以确定，但是，卫星上的原子钟和接收机的石英钟（稳定度一般）存在时间同步误差，所以增加了一个待定参数，因此至少需要4颗卫星至地面点的卫地距离数据才能确定地面点的三维坐标。如图1，已知空间GPS卫星的瞬时位置，若想确定测站点的三维坐标，假设t0时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星等其他数据可以确定以下四个方程式，再根据后方交会原理，即可确定出测站点的三维坐标（x，y，z），这种获取定位能力被广泛地使用在各个工程的测量工作中。

图1 GPS定位原理图

上述四个方程中待测点坐标（x，y，z）和Vt0为未知参数，其中di=c△ti（i=1,2,3,4）。di（i=1,2,3,4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离；△ti（i=1,2,3,4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机所经历的时间；c为GPS信号的传播速度。

x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标，xi、yi、zi（i=1,2,3,4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，Vti（i=1,2,3,4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供，Vt0为接收机的钟差，由以上四个方程即可解出待测点的坐标（x，y，z）和接收机的钟差Vt0。

2 GPS测量方法的应用实例

2.1 调查灌区情况

灌区调查主要采取听汇报、核查资料、察看工程、丈量渠道、清点设施、走访村民、座谈等方式了解工程建设全面情况。针对灌区的实际情况存在灌区面积大，渠系长、建筑物多、渠道完成情况不连续的特点，以及任务紧、时间短等原因，采用原始的导线测量方法已无法满足，因此采用手持GPS接收机测量渠道长度，就实际工程测量的方法验证实际工程的应完成情况。

2.2 灌区调查具体实施情况

①校正控制点坐标。作业前首先找到该区段的原始控制点，进行相应的坐标转换使之匹配，本次调查采用的平面坐标系统为西安80坐标系统，采用的投影系统为横轴墨卡托投影。

②外业测点采集和输入。数据源的采集即现场测量数据，是GPS测量的重点，外业测量的准确性直接影响测量工作的精确性和准确性。本次外业灌区测量采点主要包含的特征点：渠道渠首点、每一段渠道所经过的弯道点、拐点及有标志性的建筑物点、经过的特殊地理位置点、垃圾倾倒点、渠道末端点等，相应的都要用GPS进行采集录入，编录编号，做好说明。

③室内测点整理，实现数字化，信息化。通过GPS定位技术，由于只需要采集特殊点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，可以在最短的时间完成外业测量，省时省力，采集获得数据之后传入计算机即可自动通过绘图软件绘出平面图，可以形象地看出所做的工程情况，实现工程的数字化和信息化。针对此次灌区调查，通过软件绘出平面图，以桩号45+405～48+530为例，绘出渠道走向图如图2，可以形象地看出渠道走向和建筑物分布情况等。

图2 45+405～48+530渠道GPS坐标平面图

④GPS测量误差精度分析与对比。

表1 调查渠道误差精度分析表

根据设计图纸和工程情况，统计出本次调查渠道误差精度分析表1，表中桩号为调查灌区实际完成的桩号实际工程中因为资金配套不到位等原因造成了批复渠道与实际渠道完成情况不符，因此造成了渠道调查桩号的不连续。对于图2对应桩号为45+405～48+530该段渠道应完成工程量3125m，由GPS仪器测量所得该段长度为3127m，实测与应完成长度差值为+2m，误差精度为1/1562，统计调查渠道合计应完成工程量6190m，实测长度为6192.4m，误差精度为1/2579，误差精度均达到规范要求的1/1000。

3 结语

本次灌区调查，采用了GPS测量方法，使得调查项目在很短时间之内就完成，这与传统的测量方法相比，有了质的飞跃，不仅节约了时间，减轻了测量劳动强度，同时在新的调查当中复核了错误的地方，极大地提高了测量精度和工作效率。

在实际工程条件具备的情况下，通过应用GPS测量技术可以快捷、方便地完成平面和高程测量，大大地提高了工作效率。GPS测量技术标志着现代测量技术的一个质的飞跃，同时GPS测量技术对未来的勘测事业提供了一个新的平台。相信在不久的未来，GPS测量技术会在更多的领域发挥出巨大的作用[2]。

[1]沈红海.GPS 技术在工程测量中的应用研究[J].科技信息，2011（15）：46.

[2]陈景超.浅析GPS在工程测量中的应用[J].科技创新与应用，2012（6）：22.