浅谈GPS在工程测量中的应用

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　  一 、GPS的构成定位原理及测量特点

　  1.构成。GPS是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。它位于距地表20200千米的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ，轨道倾角为55度。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在公路、建筑工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。

　  2.定位原理。GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。在待测点设置GPS接收机，在某一时刻同时接收到3颗（或3颗以上）卫星所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标，从而由下式解算出待测点的三维坐标。

　  3.测量特点。相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 千米的基线上，其相对定位精度可达1×10－6，在大于1 000 千米的基线上可达1×10－8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 分钟左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

　  二、工程实例应用

　  1.工程概况

　  本工程是宝丰县政府和某教育投资发展有限公司联合开发的一所综合性教科研基地。位于县城产业集聚区内，南邻平宝大道，东依郑尧高速，毗邻平顶山西客站，城市干道环绕，交通地理位置优越。园区规划总占地面积1200亩，该区域地形有起伏，海拔高度在108米~125米之间，地上附属物较少。项目基地呈不规则长方形，与南北向夹角约为50度，地势呈东南低西北高，为缓坡地形。为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏等因素，决定采用GPS测量。

　  2.测量技术设计

　  （1）设计依据

  　GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》、1997年原建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的。

　  （2）设计精度

　  根据工程需要和测区情况，选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1 千米，最弱边相对中误差小于1／10 000，GPS接收机标称精度的固定误差a≤15 毫米，比例误差系 数b≤20×10－6。

　  （3）设计基准和网形

  　控制网共12个点，其中联测已知平面控制点2个，高程控制点5个。采用3台GPS接收机观测，网形布设成边连式。

　  （4）观测计划

　  根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度，选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。

　  3.GPS测量的外业实施

　  （1）选点。GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15度以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。

　  （2）观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15度，时段长度45分钟，采样间隔10 秒。在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。

　  4.GPS测量的外业实施

　  GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的三维坐标，其各项精度指标符合技术设计要求。

　  三、应用体会

　  通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。

　  1.GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300 米），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1／10 000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。

　  2.GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于个别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。

　  3.GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少（仅联测5个），致使的控制点高程精度较低。因此，要保证控制点高程的精度，必须联测足够的已知高程点。