張 超

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展和科技的迅猛進(jìn)步，GPS(Global Positioning System)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。尤其作為新型的測(cè)量方法被快速應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及地形測(cè)量等工程實(shí)踐的各個(gè)方面。

GPS技術(shù)在實(shí)際工程測(cè)量中具有操作簡(jiǎn)便、觀測(cè)時(shí)間短、自動(dòng)化程度高且定位精度高的特點(diǎn)，可以快速提供出觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，GPS技術(shù)在實(shí)際測(cè)量中靜態(tài)定位的精度能夠達(dá)到毫米級(jí)和動(dòng)態(tài)定位的精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。同時(shí)GPS技術(shù)還具有經(jīng)濟(jì)、測(cè)量效率高、全天候作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐證明，GPS定位技術(shù)在實(shí)際工作中不受時(shí)間、空間的限制，可以連續(xù)工作，通常情況下受外界天氣狀況的影響也比較小，而且可以隨時(shí)定位，極大地提高了測(cè)量精度和工作效率，減輕了實(shí)際測(cè)量工作中的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 GPS定位技術(shù)原理

GPS全球定位系統(tǒng)為美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)由衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面部分）、GPS接收機(jī)(用戶設(shè)備部分)組成。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)即GPS信號(hào)，是一種全球共享的信息資源。各類用戶，在任何地點(diǎn)、任何氣候、任何時(shí)刻均可用GPS接收機(jī)接收信號(hào)，進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量[1]。

GPS定位原理，類似于傳統(tǒng)的后方交會(huì)。從理論上講，地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)只需要三顆衛(wèi)星到地面點(diǎn)的距離就可以確定，但是，衛(wèi)星上的原子鐘和接收機(jī)的石英鐘（穩(wěn)定度一般）存在時(shí)間同步誤差，所以增加了一個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要4顆衛(wèi)星至地面點(diǎn)的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)才能確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖1，已知空間GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，若想確定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，假設(shè)t0時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式，再根據(jù)后方交會(huì)原理，即可確定出測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z），這種獲取定位能力被廣泛地使用在各個(gè)工程的測(cè)量工作中。

圖1 GPS定位原理圖

上述四個(gè)方程中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）和Vt0為未知參數(shù)，其中di=c△ti（i=1,2,3,4）。di（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離；△ti（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間；c為GPS信號(hào)的傳播速度。

x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)，xi、yi、zi（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，Vti（i=1,2,3,4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供，Vt0為接收機(jī)的鐘差，由以上四個(gè)方程即可解出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）和接收機(jī)的鐘差Vt0。

2 GPS測(cè)量方法的應(yīng)用實(shí)例

2.1 調(diào)查灌區(qū)情況

灌區(qū)調(diào)查主要采取聽(tīng)匯報(bào)、核查資料、察看工程、丈量渠道、清點(diǎn)設(shè)施、走訪村民、座談等方式了解工程建設(shè)全面情況。針對(duì)灌區(qū)的實(shí)際情況存在灌區(qū)面積大，渠系長(zhǎng)、建筑物多、渠道完成情況不連續(xù)的特點(diǎn)，以及任務(wù)緊、時(shí)間短等原因，采用原始的導(dǎo)線測(cè)量方法已無(wú)法滿足，因此采用手持GPS接收機(jī)測(cè)量渠道長(zhǎng)度，就實(shí)際工程測(cè)量的方法驗(yàn)證實(shí)際工程的應(yīng)完成情況。

2.2 灌區(qū)調(diào)查具體實(shí)施情況

①校正控制點(diǎn)坐標(biāo)。作業(yè)前首先找到該區(qū)段的原始控制點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使之匹配，本次調(diào)查采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為西安80坐標(biāo)系統(tǒng)，采用的投影系統(tǒng)為橫軸墨卡托投影。

②外業(yè)測(cè)點(diǎn)采集和輸入。數(shù)據(jù)源的采集即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，是GPS測(cè)量的重點(diǎn)，外業(yè)測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)量工作的精確性和準(zhǔn)確性。本次外業(yè)灌區(qū)測(cè)量采點(diǎn)主要包含的特征點(diǎn)：渠道渠首點(diǎn)、每一段渠道所經(jīng)過(guò)的彎道點(diǎn)、拐點(diǎn)及有標(biāo)志性的建筑物點(diǎn)、經(jīng)過(guò)的特殊地理位置點(diǎn)、垃圾傾倒點(diǎn)、渠道末端點(diǎn)等，相應(yīng)的都要用GPS進(jìn)行采集錄入，編錄編號(hào)，做好說(shuō)明。

③室內(nèi)測(cè)點(diǎn)整理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，信息化。通過(guò)GPS定位技術(shù)，由于只需要采集特殊點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，可以在最短的時(shí)間完成外業(yè)測(cè)量，省時(shí)省力，采集獲得數(shù)據(jù)之后傳入計(jì)算機(jī)即可自動(dòng)通過(guò)繪圖軟件繪出平面圖，可以形象地看出所做的工程情況，實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化和信息化。針對(duì)此次灌區(qū)調(diào)查，通過(guò)軟件繪出平面圖，以樁號(hào)45+405～48+530為例，繪出渠道走向圖如圖2，可以形象地看出渠道走向和建筑物分布情況等。

圖2 45+405～48+530渠道GPS坐標(biāo)平面圖

④GPS測(cè)量誤差精度分析與對(duì)比。

表1 調(diào)查渠道誤差精度分析表

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和工程情況，統(tǒng)計(jì)出本次調(diào)查渠道誤差精度分析表1，表中樁號(hào)為調(diào)查灌區(qū)實(shí)際完成的樁號(hào)實(shí)際工程中因?yàn)橘Y金配套不到位等原因造成了批復(fù)渠道與實(shí)際渠道完成情況不符，因此造成了渠道調(diào)查樁號(hào)的不連續(xù)。對(duì)于圖2對(duì)應(yīng)樁號(hào)為45+405～48+530該段渠道應(yīng)完成工程量3125m，由GPS儀器測(cè)量所得該段長(zhǎng)度為3127m，實(shí)測(cè)與應(yīng)完成長(zhǎng)度差值為+2m，誤差精度為1/1562，統(tǒng)計(jì)調(diào)查渠道合計(jì)應(yīng)完成工程量6190m，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度為6192.4m，誤差精度為1/2579，誤差精度均達(dá)到規(guī)范要求的1/1000。

3 結(jié)語(yǔ)

本次灌區(qū)調(diào)查，采用了GPS測(cè)量方法，使得調(diào)查項(xiàng)目在很短時(shí)間之內(nèi)就完成，這與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，有了質(zhì)的飛躍，不僅節(jié)約了時(shí)間，減輕了測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)在新的調(diào)查當(dāng)中復(fù)核了錯(cuò)誤的地方，極大地提高了測(cè)量精度和工作效率。

在實(shí)際工程條件具備的情況下，通過(guò)應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)可以快捷、方便地完成平面和高程測(cè)量，大大地提高了工作效率。GPS測(cè)量技術(shù)標(biāo)志著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的一個(gè)質(zhì)的飛躍，同時(shí)GPS測(cè)量技術(shù)對(duì)未來(lái)的勘測(cè)事業(yè)提供了一個(gè)新的平臺(tái)。相信在不久的未來(lái)，GPS測(cè)量技術(shù)會(huì)在更多的領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用[2]。

[1]沈紅海.GPS 技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].科技信息，2011（15）：46.

[2]陳景超.淺析GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（6）：22.