GPS卫星导航在土地测绘中的应用研究

摘 要：针对土地测绘中测量误差较大的问题，本文对GPS卫星导航在土地测绘中的应用进行研究。利用GPS卫星导航进行定位，确定GPS卫星导航通信协议，转换坐标，计算土地面积，完成测绘，提出一种全新的测绘方法。对新方法的应用效果进行分析可知，其测绘精度显著提高。新方法在土地资源利用与控制方面有更高的利用价值。

关键词：GPS；卫星；导航；土地；测绘

中图分类号：P 228" " " " " " 文献标志码：A

GPS卫星导航可以实时、准确地获取土地的位置信息，减少了传统测量方法的烦琐步骤，例如设置控制点、测量角度和距离等，缩短了测量时间，提高了工作效率。同时，GPS卫星导航利用卫星定位，可以获得高精度的位置信息[1]。在土地测绘中，GPS卫星导航的测量精度或定位精度可以达到最高毫米级别，测量结果更准确。

在此基础上，GPS卫星导航系统可以全球覆盖，无论在城市还是偏远地区，都可以利用GPS进行测量，为土地测绘工作带来了极大的便利，在地形复杂或建筑物密集的地区，GPS的优势更明显[2]。不同地区的测量员可以利用GPS实时共享数据，进行协同作业。这能够避免重复测量和数据不一致，提高工作效率和数据质量。因此，本文将以某土地测量工程项目为例，对将GPS卫星导航应用于项目进行研究，利用这种方式，推动土地管理的现代化，使管理者更好地规划、开发和利用土地资源，提高土地利用效率和管理水平。

1 GPS卫星导航定位

在进行土地测绘的过程中，引入GPS卫星导航系统对位置进行精确定位。当利用单向测距法时，只需要1台接收装置。将接收装置中的1台时钟标记为A，将卫星上的1台时钟标记为A1，计算两者之间的距离，确定时钟差，如公式（1）所示。

a0=A-A1 " " " " " " " " （1）

式中：a0为A、A1之间的距离。

在理想状态下，只需要将a0与光速相乘即可得到信号传输的真实距离，如公式（2）所示。

N=a0×c " " " " " " "（2）

式中：N为信号传输距离；c为光速。

由于此时 2 个时钟之间存在时钟差，无法达到理想状态，因此利用公式（2）计算得到的距离无法代表真实距离，在误差时间增加后，其得到的距离定义为伪距，计算过程如公式（3）所示。

PR=N+c（∆tv-∆t） " "（3）

式中：PR为伪距；∆tv-∆t为时钟差。∆tv-∆t可以为正，也可以为负。当取值为负时，说明接收装置中的时钟更快；当取值为正时，说明卫星时钟更快[3]。无须考虑卫星和接收器间的时钟差，当 GPS信号接收器收到1颗卫星发射的无线信号后，将这2个时钟差进行对比，就可以计算该信号的传输时间，再乘以光速，计算距离N'。计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：N'为卫星与接收装置之间的距离；（ xi，yi，zi）为参与计算的卫星自身轨道坐标；（ x，y，z）为接收装置的位置坐标[4]。根据实际条件，考虑数据接收的不准确性，同时考虑时钟差，确定距离的计算过程如公式（5）所示。

（5）

式中：∆tvi为各个卫星的时钟差；∆t为后一个时刻。

在此基础上，按照上述公式，计算不同卫星与接收装置之间的距离。

2 确定GPS卫星导航通信协议

对GPS卫星进行定位后，为方便在土地测绘过程中对数据进行通信传输，须对通信协议进行选择。NMEA-0183通信协议的帧格式规定如下：“$”为帧命令的起始位，“*”为校验与前缀，“hh”为校验和，“lt;CRgt;lt;LFgt;”为回车和换行[5]。该通信协议的常用命令与对应说明见表1。

3 坐标转换

当计算土地面积时，还需要完成对GPS卫星导航系统坐标系与北斗卫星导航系统坐标系之间的相互转换[6]。对土地测绘来说，当测量面积较小时，采用近球变换的方式完成坐标转换，如公式（6）、公式（7）所示。

（6）

（7）

式中：x、y分别为转换后的横纵坐标；L为经度；B为纬度；R为地球半径。

大地坐标系与地心直角坐标的转换如公式（8）～公式（10）所示。

X=（N+H）cosBcosL " （8）

Y=（N+H）cosBsinL" " （9）

Z=[N（1-e2）+H]sinB " （10）

式中：H为接收装置所在位置的高度；e为第一偏心率。

高斯投影是一种常用的地图投影方法，广泛应用于土地测量、地图制作等领域。在测绘过程中，将大地坐标转换为平面直角坐标，再进行相关运算[7]。因此，须对高斯投影进行正演运算。高斯投影的约束有3个。1）必须满足正方形的投影法则，也就是等角度的投射。2）在投影后，中间的经线是一条笔直、对称的线。

4 土地面积算计算与测绘

对具有规则外形的土地来说，例如长方形和梯形等，可用面积公式计算其面积。在现实中，土地形状往往是不规则的，有多边形和圆弧形土地[8]。在测定圆弧区域的过程中，将圆弧边缘视为多边形，再根据多边形的面积算法来计算。三角剖分法是计算多边形面积最常见的一种方法。该方法的基本思想是将一个多边形划分为若干个以一个顶点为起点的三角形，其余各点依次连接。使用座标叉乘法计算每个三角形的面积，将其相加即为该多边形的面积。梯形法也是计算多边形面积最常见的一种方法。其基本思想是将多边形中各点投影至坐标轴上，用这些点和点的投影构成一个梯形。由各顶点间的联结次序可判定梯形面积的增减。将每一块梯形的面积进行累加即为该多边形的面积。格点法是将测量地面按等比例缩小至正方形的一种算法。其基本思想是先将被测量的陆地分成几个小块，用小块内的图形来求面积，采用计算多边形面积的方法即梯形法获得地面的实际面积。梯形法的计算过程如公式（11）所示。

（11）

式中：S为土地测绘面积；n为测绘土地的宽度；yi+1为第i+1个接收装置纵坐标； xi+1为第i+1个接收装置横坐标。

5 土地测绘应用效果分析

为保证测绘工作达到预期效果，应先在测试终端建立GPS卫星导航，系统是由以下3个部分构成的。1）地面控制部分。2）空间部分。3）用户部分。GPS 卫星导航构成如图1所示。

在此基础上，为获得相对准确的测绘数据，对土地测绘中的卫星进行定位（GPS 卫星导航定位如图2所示）。

上述内容设计完毕后，根据土地测绘工程项目的实际情况完善相关准备工作。在开始GPS测量前，需要明确测量的范围和目的。根据测量范围和目的，选择合适的GPS接收机。当大面积测量时，需要使用精度、可靠性高的GPS接收机。当小面积测量时，可以使用价格更实惠、轻便的GPS接收机。无论哪种类型的接收机，都是由GPS模块、通信接口和单片机等构成的，GPS 接收机结构如图3所示。

在开始测量前，需要了解GPS卫星信号的相关知识，例如可见卫星数量、卫星位置和信号强度等，掌握这些信息，有助于确定测量位置的可行性和数据的质量。在此基础上，准备相关的文件和地图，例如任务书、合同书、技术设计书和地形图等，了解测量的背景和要求，为测量提供参考。以上准备工作能够保证GPS测量顺利进行并获得准确可靠的数据。

完成上述工作后，按照规范即可进行试点工程项目的土地测绘作业，在测绘过程中，应明确在GPS定位系统中，存在3种不同的误差源，即GPS自身误差、信号传播误差和接收装置误差。在第一类误差中，最重要的是星历表误差和星间钟误差。前者是星历表的卫星钟面时与GPS基准时的偏差，其与GPS基准时的误差为1 ms～0.1 ms，其等价误差为30 km～300 km。后者是由卫星历确定的一颗卫星的空间位置与其实际位置之间的偏差。这种偏差会直接影响定位的准确性。第二类误差主要是由信号传输引起的，在传输过程中，信号存在对流层延迟和多径效应，当 GPS 穿

越大气层时，对流层的作用会导致时延，这种延迟会影响定位的准确性。多路径效应是指GPS信号受到反射、折射等影响而产生的路径偏移，这种偏移也会影响定位的准确性。第三类误差主要包括接收机时钟差和接收机天线位置误差等，这些因素会影响电磁波传播时间的测定，进而影响定位的准确性。

明确误差的来源后，对试点工程土地测绘的系统误差进行计算，计算过程如公式（12）所示。

（12）

式中：E为试点工程土地测绘中系统误差；m为测绘土地的长度；∆x为GPS卫星导航系统的定位误差，误差来源如上文所示。为便于后续分析测绘结果，在本研究中假设m与n为2个相等的数值，设∆x为1 m、2 m和3 m，分析试点工程土地测绘中系统误差与GPS卫星导航定位误差之间的关系，其结果如图4所示。

6 结语

随着科技的飞速发展，GPS已经成为日常生活和工作中不可或缺的一部分。在土地测绘领域中，GPS取代了传统的测量方法，提高了测绘的准确性和效率。为深化这方面内容的设计，本文进行研究，得到如下结论：从图4中可以看出，在排除外界因素影响的条件下，当∆x为1 m时，试点工程土地测绘中E最小，当∆x=3 m时，试点工程土地测绘中E最大，因此，在实际测绘过程中，为提高土地测绘的精度，应减少GPS自身误差、信号传播误差和接收装置误差，来减少土地测绘整体误差。利用这种方式，全面提升土地测绘作业的精度与可靠性。

参考文献

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