刍议测量工作中GPS的应用及原理

2014-04-02于思博

黑龙江水利科技 2014年10期

于思博

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 GPS 在测量领域的应用

对于测量工作来说，必须满足一定的精度，而导航定位并不适用，因此，需要采用相对定位的方式进行测量，即在工作中适用两台以上的GPS 接收机进行作业［1］。相对定位的优势在于，工作中不同接收机之间的误差特性是相同的，因此在差分解算时可以有效的将这些误差特性相互抵消，从而可以求出不同接收机之间的高精度的相对坐标。在日常的测量工作中，通常固定一台GPS 接收机位置不动，此接收机作为已知站，其它接受机作为未知站，其方式可以分为固定与流动两种。接收机在同时接收卫星信号的同时，固定站将观测到的数据传送给流动站，移动站以为基础与自身观测数据两者进行差分解算，这样就可以算出两者的相对位置，且具有较高的精度［2］。

在测量上，差分形式分为3 种类型:

1)实时差分。其意义是指在运动中利用伪距进行实时差分的解算，其结果精度为米级。

2)静态测量。其意义是指以静态的采集载波相位为基础，对此进行相应的处理，其结果精度为毫米级。

3)实时动态。其意义是指在运动中利用载波相位进行实时差分的解算，其结果精度为厘米级。

与传统的测量相比，GPS 测量有如下几点特点:操作简单、观测时间短、测站间不需要通视、全天候、定位精度高等。

正是因为GPS 具有种种的优点，因此它已经成为了测量领域中不可缺少的仪器之一。例如，现阶段工程中的控制测量;水上测量;地形测量等等。GPS 作为现今测量的前沿科学，与遥感、地理信息系统统成为3S。GPS 主要应用在以下4个方面:

1)陆地应用。包括工程测量中的施工放样、车辆行驶速度的监测、大气的物理监测、建筑物的变形监测等。

2)航空应用。包括摄影与遥感测量、飞机的自主导航、飞机探测灾区大小的测量等。

3)海洋应用。包括水文测量、航海线路的测定、海底大地控制网的布设等。

4)航天应用。包括载人航天器的在轨防护探测、低轨通讯卫星群的实时轨道测量等［3］。

2 GPS 卫星定位的原理

在测量学中，确定点的位置可以用交会法，而无线电导航定位系统与卫星激光测距定位系统其原理也是与之相似的。无线电波导航定位的原理是假设在地面的某3个位置建有无线电信号发射台，而且3个点的坐标是已知的，GPS 接收机以无线电测距的方法测得了与电台的距离，那么如果以电台为中心，以距离为半径，分别建立3个圆球，则其球面的焦点即是接收机所处的空间位置［4］。如果仅有两个发射台，那么可以交会出平面位置。

此种方法可以被广泛的应用到飞机与船只的导航定位。

卫星激光定位也是应用了交会定位的原理。虽然卫星是处在不断的运动当中，但是如果地面上的三个已知点同时对卫星进行观测，那么就可以解算出卫星的三维坐标，此时假如地面上还有一个点同时对三个卫星进行观测，那么就可以利用解算出的三维坐标求出该点的实际位置。

将卫星与无线电信号发射台相结合，形成卫星定位导航系统，根据无线电测距交会的原理，以地面上3个已知点解算出卫星的空间位置，从而用卫星实际的空间位置计算地面为支点的坐标。这就是GPS 卫星定位的基本原理。

GPS 卫星发射出的信号中含有测距信号与导航电文，而导航电文中包含着卫星所处的位置信息。用户使用GPS 接收机在某一时刻接收三颗以上的卫星所发射的信息，从而解算该点与卫星相距的距离并求出GPS 卫星的空间位置，据此用交会法求出未知点的位置。

在GPS 的定位过程中，其卫星的坐标值是不断的变化的。因此需要实时地根据卫星的信号解算测站与卫星间的实际距离，实时的根据卫星发射的导航电文解算出卫星的空间位置，并进行待定点位置的解算。以测距的原理来说，主要分为差分GPS 定位、伪距法定位等。以待定点来说，主要分为动态定位与静态定位。静态定位的特点是待定点固定不变，观测时间相对较长，用以确定点的三维坐标，又称为绝对定位。

如果以两台接收机安置在不同的待定点上进行观测，那么可以求出两个待定点之间的相对位置，此方法叫做相对定位。而动态定位所说的是必须至少有一台接收机在运动的状态，其测点的是运动中的接收机的位置。

伪距定位是指用户使用GPS 接收机在某一时刻测得4 颗以上GPS 卫星的伪距，然后与已知的卫星实际位置相结合采用交会法算出该点的三维坐标。其中所说的伪距其含义是卫星发射的信号到接收机的时间乘以光速即伪距。信号在传播的过程中由于有电离层误差、时钟误导等，因此所测的距离与实际距离并不相等。伪距分为C/A 码伪距与P 码伪距。虽然伪距定位的精度不高，但其特点是定位速度快，物多值性问题等优点，因此它也是GPS 导航的基本方法。

伪距测量中由于测距码得码元长度较大，使之很难应用到高精度的测量中。如果观测的精度都取至测距码波长的百分之一，那么C/A 与P 码的精度分别为3m 与30cm 左右。而如果将载波作为测量的信号，由于载波具有较短的波长，因此其测量结果就具有很高的精度。

在GPS 信号中由于已用相对调整的方法调制了测距码和导航电文，所以接收机的载波相位已不再连续，在进行载波相位测量之前，要先进行解调工作，用一定的方法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，从而获得新的载波，这一项工作成为重建载波。差分技术在测量领域很早的时候就在应用了，比如，在一个测站上对两个观测值进行观测，然后将两个值求差分。差分技术的优点是可以有效地消除具有的公共误差，从而提高了观测值的精度。根据差分后的观测值来求解两个测站之间的基线向量，此种差分技术已经成功地应用在静态相对定位当中。差分GPS 定位所说的是将一台接收机安置在已知点上进行观测，从而求出该点到卫星的距离改正数，并且将计算出的改正数发送给用户，用户以此来对自身的定位结果进行改正，这样可以有效的提高其定位的精度。采用差分GPS 定位可以消除或减少星历误差、对流层误差、卫星中误差、多路径效应等。