唐 軍

（新疆地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)和不足

唐 軍*

（新疆地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100）

概述了GPS在常規(guī)工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)和不足，隨著全站儀的推廣普及，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái)，隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測(cè)量通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的功能。并結(jié)合一些生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了GPS野外作業(yè)中的要求。

GPS技術(shù)；工程測(cè)量；功能與優(yōu)點(diǎn)

1 概述

在測(cè)繪領(lǐng)域，隨著全站儀的推廣普及，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái)，隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測(cè)量通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求定測(cè)量點(diǎn)的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。現(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

2 GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備3部分構(gòu)成

（1）GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20200km，運(yùn)行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的2個(gè)無(wú)線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)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)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

（2）GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

（3）GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心(測(cè)站點(diǎn))的三維坐標(biāo)。

3 GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)

從工程測(cè)量的實(shí)施應(yīng)用中，我們可以充分看到GPS測(cè)量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

（1）采用GPS技術(shù)測(cè)設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡(jiǎn)單，點(diǎn)的疏密和邊的長(zhǎng)短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外，它解決了點(diǎn)位之間無(wú)法通視的困難，選點(diǎn)靈活，不需要高標(biāo)，同時(shí)還可以保證外業(yè)施測(cè)不受天氣影響。測(cè)設(shè)大型(長(zhǎng)邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí)，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不受到通視條件的限制，但是，工程測(cè)量一般為小范圍測(cè)量并受到工程成本的限制。因此，在實(shí)際的工程測(cè)量中，仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中，如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視，勢(shì)必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度，進(jìn)而影響到橋梁本身的精度。因此，在工程測(cè)量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。

（2）GPS方格網(wǎng)點(diǎn)位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲(chǔ)備。

（3）采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對(duì)中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。

（4）采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。

（5）GPS測(cè)量與常規(guī)的測(cè)量?jī)x器相比較，測(cè)站之間無(wú)需通視；觀測(cè)時(shí)間短；儀器操作簡(jiǎn)便；數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單；不受天氣及氣溫的影響；全天候作業(yè)；

（6）采用GPS-RTK測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測(cè)量法相比，效率可提高一倍以上。

以上并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，一個(gè)參考站可有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè)，流動(dòng)站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。

4 GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量中的不足

GPS技術(shù)以其獨(dú)特而強(qiáng)大的功能與優(yōu)點(diǎn)充分顯示了它在該領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)越性，以及更大、更廣闊的發(fā)展空間。但在該領(lǐng)域?qū)嶋H施工過(guò)程中和后續(xù)工程的建設(shè)和監(jiān)測(cè)中也暴露出了一些不足。

（1）GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對(duì)衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算，按照固定模式：距離=速度×?xí)r間，時(shí)間確定之后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態(tài)，信號(hào)要受到電離層和對(duì)流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對(duì)此進(jìn)行平均計(jì)算，在某些具體區(qū)域肯定存在誤差；在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對(duì)信號(hào)的影響，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差。

（2）與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測(cè)量一樣，使用GPSRTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，起算點(diǎn)應(yīng)為高等級(jí)的控制點(diǎn)，并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過(guò)3～5個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)的連測(cè)、復(fù)核，確保基準(zhǔn)站坐標(biāo)在各個(gè)方位觀測(cè)情況下具有一致的精度。

（3）大量的工程實(shí)例證明，雖然GPS高程測(cè)量能夠達(dá)到一定的精度，但用GPS施測(cè)的市政工程測(cè)量控制點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步用常規(guī)儀器進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，保證高程精度滿足市政工程建設(shè)的需要。

（4）GPS測(cè)量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測(cè)點(diǎn)位的精度。由于GPS測(cè)量是通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號(hào)接收的因素出現(xiàn)干擾時(shí)，所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測(cè)量點(diǎn)位時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①點(diǎn)位視野開闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物。②盡量遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，間距應(yīng)不小于400m，遠(yuǎn)離高壓輸電線路，間距應(yīng)不小于200m。③遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，并盡量避開大面積的水域。

（5）GPS測(cè)量更適用于視野開闊、障礙物較少的新區(qū)建設(shè)、野外勘探定位等，在老城區(qū)的建設(shè)中，使用GPS測(cè)量，或者接收不到信號(hào)，或者雖接收到信號(hào)，但一直處于浮動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)假固定或者不能固定，因此所得數(shù)據(jù)往往誤差較大，既無(wú)效率，又無(wú)精度，不能顯示出GPS測(cè)量的優(yōu)越性。

（6）GPS測(cè)量成果與常規(guī)測(cè)量成果之間，不同型號(hào)GPS測(cè)量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，邊長(zhǎng)一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正：①歸算至大地水準(zhǔn)面的改正；②歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺(tái)平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問(wèn)題，而三維聯(lián)臺(tái)平差模型是一個(gè)多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級(jí)平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度，這對(duì)于點(diǎn)位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時(shí)，需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測(cè)值，這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。

（7）GPS及其相關(guān)技術(shù)是一門新興起的技術(shù)，其運(yùn)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，目前我國(guó)還沒(méi)有頒布統(tǒng)一的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)商大多使用自己開發(fā)生產(chǎn)的電子地圖，這些電子地圖一般相互不兼容。另外，產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品市場(chǎng)沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)，特別是軟件產(chǎn)品沒(méi)有形成統(tǒng)一的規(guī)范。這還待有關(guān)部門進(jìn)一步研究制定。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在工程測(cè)量領(lǐng)域中，由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能，充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測(cè)量工作中比常規(guī)控制測(cè)量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性，同時(shí)也存在一些不足，還有待于進(jìn)一步研究改善來(lái)適應(yīng)實(shí)際測(cè)量工作。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測(cè)量中得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]GB/T18314-2009全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].

[2] 金國(guó)熊.控制測(cè)量學(xué)[M].1987.

P228.4

B

1004-5716(2015)09-0147-02

2014-08-13

2014-08-13

唐軍（1982-），男（漢族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事測(cè)繪技術(shù)及地質(zhì)礦產(chǎn)工作。