摘　要：簡(jiǎn)述了全球定位系統（GPS）的基本結構和測量原理，總結了GPS用于工程測量所具有的特點(diǎn)，介紹了GPS在工程測量中的應用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：GPS；工程測量；應用實(shí)例

全球定位系統（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS）是美國從20世紀70年代開(kāi)始研制的用于軍事部門(mén)的新一代衛星導航與定位系統，歷時(shí)20年，耗資200多億美元，分三階段研制，陸續投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以衛星為基礎的無(wú)線(xiàn)電衛星導航定位系統，它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實(shí)時(shí)性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領(lǐng)域得到了應用［1］，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開(kāi)了研究并得到廣泛應用。本文介紹GPS在山區工程測量中的應用，并提出幾點(diǎn)體會(huì )。

1　GPS簡(jiǎn)介

1．1　GPS構成

GPS主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶(hù)設備三部分構成。

（1）GPS空間衛星星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個(gè)軌道平面內，軌道平面的傾角為55°，衛星的平均高度為20 200 km，運行周期為11 h 58 min。衛星用L波段的兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電載波向廣大用戶(hù)連續不斷地發(fā)送導航定位信號，導航定位信號中含有衛星的位置信息，使衛星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀(guān)測到6顆衛星，最多可達到9顆。

（2）GPS地面監控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監測站組成。主控站根據各監 測站對GPS衛星的觀(guān)測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。

（3）GPS用戶(hù)設備由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算機）等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，跟蹤衛星的運行，并對信號進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)計算機和相應軟件，經(jīng)基線(xiàn)解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機中心（測站點(diǎn)）的三維坐標。

1．2　GPS定位原理

GPS定位是根據測量中的距離交會(huì )定點(diǎn)原理實(shí)現的［2］。在待測點(diǎn)Q設置GPS接收機，在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛星S1、S2、S3所發(fā)出的信號。通過(guò)數據處理和計算，可求得該時(shí)刻接收機天線(xiàn)中心（測站點(diǎn)）至衛星的距離ρ1、ρ2、ρ3。根據衛星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛星的三維坐標（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，從而由下式解算出Q點(diǎn)的三維坐標（X，Y，Z）：

1．3　GPS測量的特點(diǎn)

相對于常規測量來(lái)說(shuō)，GPS測量主要有以下特點(diǎn)：
①測量精度高。GPS觀(guān)測的精度明顯高于一般常規測量，在小于50 km的基線(xiàn)上，其相對定位精度可達1×10－6，在大于1 000 km的基線(xiàn)上可達1×10－8。
②測站間無(wú)需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。
③觀(guān)測時(shí)間短。隨著(zhù)GPS測量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測量時(shí)，靜態(tài)相對定位每站僅需20 min左右，動(dòng)態(tài)相對定位僅需幾秒鐘。
④儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀(guān)測人員只需對中、整平、量取天線(xiàn)高及開(kāi)機后設定參數，接收機即可進(jìn)行自動(dòng)觀(guān)測和記錄。
⑤全天候作業(yè)。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續進(jìn)行觀(guān)測，一般不受天氣狀況的影響。
⑥提供三維坐標。GPS測量可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標，其高程精度已可滿(mǎn)足四等水準測量的要求。

2　應用實(shí)例

2．1　工程概況

本文涉及的工程由某集團公司投資建造，是一個(gè)集休閑、娛樂(lè )、旅游、渡假等功能于一體的綜合項目。工程位于城郊，占地66．7 hm2多，屬兩山夾一溝地形，山地面積約占三分之二。最高處約90 m。山上樹(shù)木茂盛，地形復雜，通視困難，行走不便。為了該工程的設計和施工，需建立首級控制網(wǎng)�？紤]到工程復雜，工期較緊，測區通視困難，地形起伏大等因素，決定采用GPS測量。

2．2　GPS測量的技術(shù)設計

（1）設計依據　GPS測量的技術(shù)設計主要依據1999年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《城市測量規范》、1997年建設部發(fā)布的行業(yè)標準《全球定位系統城市測量技術(shù)規程》［3］及工程測量合同有關(guān)要求制定的。

（2）設計精度　根據工程需要和測區情況，選擇城市或工程二級GPS網(wǎng)作為測區首級控制網(wǎng)。要求平均邊長(cháng)小于1 km，最弱邊相對中誤差小于1／10 000，GPS接收機標稱(chēng)精度的固定誤差a≤15 mm，比例誤差系 數b≤20×10－6。

（3）設計基準和網(wǎng)形　如圖2所示，控制網(wǎng)共12個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測已知平面控制點(diǎn)2個(gè)（I12，I13），高程控制點(diǎn)5個(gè)（I12，I13，105，109，110，其高程由四等水準測得）。采用3臺GPS接收機觀(guān)測，網(wǎng)形布設成邊連式。

（4）觀(guān)測計劃　根據GPS衛星的可見(jiàn)預報圖和幾何圖形強度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀(guān)測時(shí)段（衛星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調度表。

2．3　GPS測量的外業(yè)實(shí)施

（1）選點(diǎn)　GPS測量測站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續測量，選點(diǎn)時(shí)應著(zhù)重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續測量工作的使用；②點(diǎn)周?chē)�高度�?5°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠離大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射源、高壓電線(xiàn)等，以免電磁場(chǎng)對信號的干擾；④點(diǎn)位應選在視野開(kāi)闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀(guān)測和日后使用；⑤選點(diǎn)結束后，按要求埋設標石，并填寫(xiě)點(diǎn)之記。

（2）觀(guān)測　根據GPS作業(yè)調度表的安排進(jìn)行觀(guān)測，采取靜態(tài)相對定位，衛星高度角15°，時(shí)段長(cháng)度45min，采樣間隔10 s。在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺接收機天線(xiàn)（對中、整平、定向），量取天線(xiàn)高，測量氣象數據，開(kāi)機觀(guān)察，當各項指標達到要求時(shí)，按接收機的提示輸入相關(guān)數據，則接收機自動(dòng)記錄，觀(guān)測者填寫(xiě)測量手簿。

2．4　GPS測量的數據處理

GPS網(wǎng)數據處理分為基線(xiàn)解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段，采用隨機軟件完成。經(jīng)基線(xiàn)解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標，其各項精度指標符合技術(shù)設計要求。

3　結束語(yǔ)

通過(guò)GPS在測量中的應用，得到如下體會(huì )。

（1）GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優(yōu)越性。但由于測區條件較差，邊長(cháng)較短（平均邊長(cháng)不到300 m），基線(xiàn)相對精度較低，個(gè)別邊長(cháng)相對精度大于1／10 000。因此，當精度要求較高時(shí)，應避免短邊，無(wú)法避免時(shí)，要謹慎觀(guān)測。

（2）GPS接收機觀(guān)測基本實(shí)現了自動(dòng)化、智能化，且觀(guān)測時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強度，觀(guān)測質(zhì)量主要受觀(guān)測時(shí)衛星的空間分布和衛星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹(shù)木遮擋，影響對衛星的觀(guān)測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過(guò)。因此，應嚴格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀(guān)測，并注意手機、步話(huà)機等設備的使用。

（3）GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛星信號的質(zhì)量和已知數據的數量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標。但由于聯(lián)測已知高程點(diǎn)較少（僅聯(lián)測5個(gè)），致使的控制點(diǎn)高程精度較低。因此，要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測足夠的已知高程點(diǎn)。