GPS在工程测量中的应用

GPS在工程测量中的应用

1绪论

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国

测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多

种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[1]。全球定位系统(Global Positioning System)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位

系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上(每轨

道面四颗)，轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站

和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

2 GPS简介

2.1GPS的构成

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

（1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°卫星的平均高度为20 200 km, 运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

（2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。

（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等

组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫

星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

2.2GPS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］2］。在待测点Q设置GPS 接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3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P

1、p

2、p3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，丫j，Zj），j = 1, 2，3,从而由解算出Q点的三维坐标（X，丫，Z）。

2.3GPS测量的特点

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 km的基线上，其相对定位精度可达1 x 10- 6,在大于1 000 km的基线上可达1X10 —&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 min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。

3 GPS测量

3.1RTK测量

3.1.1RTK技术的应用

RTK是GPS应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。RTK技术在

近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。利用RTK技术进行测量有如下优点：① 具有GPS测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。②可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。以往都是通过后处理来获得厘米级的点位坐标，实时处理大大提高了作业的效率，并且保证了数据的质量，同时扩大了GPS 应用的领域，比如施工放样等。③可在运动过程中连续高精度采样。采用常规的GPS 静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如

果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来

进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停

止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用

于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至

于几秒钟内就可完成。采用RTK时，仅需一人使用仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅

需一人操作，且不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可

以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等。

3.1.2 RTK技术的基本原理

RTK技术，即GPS实时相位差分。RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是测量技术与数据传输相结合而构成的测量系统，一台接收机固定在已知点上做基准站，其它接收机安置在运动载体上做流动站，同时观测卫星。基准站把接收到的所有卫星信息（如基准站的坐标、天线高等）都通过通讯系统传送到流动站。流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的