任幼萍

摘要：20世紀(jì)80年代以來，隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測繪定位技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，為工程測量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。本文簡述了全球定位系統(tǒng)(GPS)的基本結(jié)構(gòu)和測量原理，總結(jié)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(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS；工程測量；衛(wèi)星

1 前言

全球定位系統(tǒng)的全稱是導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)測距/全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing andRanging/Global positioning System）通常所說的GPS是其字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它是一種可以通過定時(shí)和測距進(jìn)行空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息。GPS定位在工程測量中有很大的應(yīng)用潛力。近年來，GPS接收機(jī)的小型化、小功耗給GPS用于工程測量提供了有利的硬件條件。在軟件方面，GPS快速定位方法也有較大的進(jìn)展，這些都促使GPS在工程測量中得到較廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，在縮短工期、降低成本和設(shè)計(jì)的靈活性方面，GPS技術(shù)較常規(guī)技術(shù)有不少優(yōu)越之處。

2 GPS在工程測量中的優(yōu)點(diǎn)

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便，這樣可節(jié)省大量的造標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1×10-6，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5×10-6，GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。實(shí)驗(yàn)證明，在＜50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×0-6，而在100～500km的基線上可達(dá)10-7～10-6。

2.3 觀測時(shí)間短，人力消耗少。用GPS進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在＜20km的短基線上，快速相對(duì)定位一般只需15～20min；進(jìn)行動(dòng)態(tài)相對(duì)定位測量時(shí)，在初始化工作完成后，流動(dòng)站可隨時(shí)定位，每站觀測僅需幾秒鐘。

2.4 提供三維坐標(biāo)。GPS測量在測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動(dòng)化程度很高。在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并形狀儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作，而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動(dòng)完成。

2.6 全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)，其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式，這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對(duì)于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長大隧道等，也有布設(shè)成三角網(wǎng)、線形鎖等形式。

3 GPS工程測量應(yīng)用

3.1 適用范圍

很多工程測量任務(wù)可以使用GPS定位技術(shù)實(shí)施。例如，城市控制網(wǎng)，按我國的實(shí)測估計(jì)，可節(jié)省經(jīng)費(fèi)1/3到1/2，且可縮短工期。又如隧道控制測量，往往山高林密，常規(guī)方法施測困難，更可發(fā)揮GPS不需通視和跨度可長可短的優(yōu)點(diǎn)。有些變形測量則可充分利用GPS高精度、高效率和布測靈活的特點(diǎn)。

盡管在主要技術(shù)方面工程測量應(yīng)用和精密控制測量應(yīng)用沒有什么原則不同，但工程測量一般要求不很高（有些工程測量也有較高或很高的精度要求），效率往往成為主要的問題，工程測量中邊長較短，交通條件較好，一般GPS相對(duì)定位所需較長觀測時(shí)間影響了效率的提高?？焖貵PS定位就是在這一背景下發(fā)展的。工程測量的另一點(diǎn)不同是，它往往不要求全國或很大范圍的統(tǒng)一的、高精度的坐標(biāo)系統(tǒng)，但往往要求與原采用地方坐標(biāo)系一致。也就是說，它常常不要求使用WGS-84坐標(biāo)系而要求使用已有的局部坐標(biāo)系，這就在數(shù)據(jù)處理方面提出了不同的要求。

工程測量往往不使用大地高，更多的是使用水準(zhǔn)高程，這里的水準(zhǔn)高程是指我國使用的正常高。GPS定位所得到的是大地高，大地高H與正常高Hr有如下關(guān)系H=Hr+?灼

?灼為似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的高差，稱為高程異常。對(duì)于高程差有：△H=△Hr+△?灼

在高山區(qū)，這種高程異常較大，平原地區(qū)則要小的多。

3.2 GPS的走——停定位

模糊參數(shù)確定后快速定位法可以采用一定的方法確定模糊參數(shù)，稱為初始化。確定之后接收機(jī)保持盥洗室狀態(tài)，此時(shí)模糊參數(shù)不變，為已知，就可以在不長的觀測時(shí)間內(nèi)取得較好的定位解。這種方法有的稱為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位，有的稱為走——停定位。

它的具體做法是：

（1）在一條基線上使用2臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行初始化，可以是較長的觀測時(shí)間（如45分鐘）以取得基線解和整形約束的模糊參數(shù)解。

（2）一臺(tái)接收機(jī)在已知點(diǎn)始終不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)不關(guān)機(jī)，遷至新的待定點(diǎn)并觀測幾分鐘，不關(guān)機(jī)再遷至一待定點(diǎn)，依次類推。

究其本質(zhì)，這一方法仍屬靜態(tài)定位，其解算并無特殊之處，只是將初始經(jīng)所確定的模糊參數(shù)作為已知數(shù)的定位解。由于觀測時(shí)間很短，通常采用較高的采樣率以削弱機(jī)誤差的影響。

快速定位的初始化。如前所述，快速定位的初始化是為了確定模糊參數(shù)，可以是在一個(gè)基線上進(jìn)行一段幾十分鐘的通常的定位觀測，還可以用交換無線的方法進(jìn)行初始化，具體做法是兩臺(tái)接收機(jī)分別置于一基線的兩端點(diǎn)，觀測幾分鐘，兩接收在不關(guān)機(jī)情況下交換所占點(diǎn)位，再觀測幾分鐘即可解出模糊參數(shù)。

4 GPS在工程測量實(shí)施中的注意事項(xiàng)

4.1 開機(jī)后必須等衛(wèi)星燈慢閃，表示正在跟蹤4顆或4顆以上衛(wèi)星后才可以按下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)鍵。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)燈開始會(huì)長亮表示正在存儲(chǔ)，然后慢閃表示已存儲(chǔ)快速靜態(tài)數(shù)據(jù)；需要注意的是外業(yè)觀測過程中應(yīng)時(shí)常注意查看數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電池LED指示燈，如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)燈快閃表示正在存儲(chǔ)但數(shù)據(jù)快滿，燈熄表示停止存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)PC卡已滿；電池LED指示燈綠色表示正在使用，黃色表示正待用，常亮表示夠用，綠燈慢閃表示低電，黃燈慢閃表示壞的，燈關(guān)閉表示無電。

4.3 外業(yè)觀測后應(yīng)及時(shí)導(dǎo)出所測數(shù)據(jù)，刪除多余數(shù)據(jù)并為第二天留出記錄空間。

4.4 GPS儀器的選用要選擇精度不低于基線精度5mm+1×10-6、高程精度10mm+2×10-6，性能較為穩(wěn)定且受外界環(huán)境因素影響小的GPS。

4.5 GPS高程測量觀測時(shí)要充分考慮影響GPS測量精度，諸如GPS圖形結(jié)構(gòu)、電離層影響、正確量取天線高度等因素。最大程度地減少誤差影響。

4.6 外業(yè)實(shí)施過程中，要經(jīng)常連測一些已知水準(zhǔn)點(diǎn)，隨時(shí)進(jìn)行高程比較，以避免氣候等不確定因素引起的觀測數(shù)據(jù)粗差。

4.7 GPS高層測量雖然經(jīng)過科學(xué)的數(shù)據(jù)處理可以保證精度滿足需要，但由于搜集或科學(xué)或建立測區(qū)重力成果，數(shù)字高程模型，重力場模型等資料不是一件輕而易舉的事情，況且GPS高程測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理才能達(dá)到相應(yīng)等級(jí)的高程精度，再者相關(guān)規(guī)范也明確規(guī)定，所以建議在生產(chǎn)中應(yīng)有選擇地使用GPS高程測量技術(shù)。