GPS原理及在工程测量中的应用

GPS原理及在工程测量中的应用

摘要：本文通过对全球定位系统（GPS）的基本结构和测量原理进行分析和研究，将GPS在工程测量中所体现的特点进行了提出，并且将GPS在工程测量中的应用实例也做了简单分析和阐述。

关键词：GPS；工程测量应用实例

以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统就是GPS，抗干扰性和保密性在其中体现是尤为突出的。所以，在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等中，GPS被较为广泛地运用着，在军事、交通、通信、资源、管理等领域有了更为深入地研究，而且应用也较为广泛。

一、GPS概括

1、空间卫星星座、地面监控站以及用户设备三部分是组成GPS的主要因素。

1.121颗工作卫星和3颗在轨备用卫星在GPS空间卫星星座中起着尤为重要的作用。在6个轨道平面内，均匀分布着24颗卫星，55°是轨道平面的倾角度，20~200km是卫星的平均高度，有11h58min的运行周期。

1.2分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站是组成GPS地面监控站的几个重要方面。主控站是要将各监测站对GPS卫星的观测数据作为依据，将各卫星的轨道参数、钟差参数等计算出来，并且还要将其转变为导航电文，向注入站进行传送，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。

1.3GPS 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。

2、GPS 定位原理

授时的准确以及秒级的时间信息是GPS接收机可以接收到的信息范围；它可以用在预报未来几个月以内卫星所处概略位置的预报星历；也可以用在对定位时所需卫星坐标的广播星历计算，有几米到几十米的精度范围；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

卫星到接收机的距离，就是由GPS接收机测量码所得到的，因为含有接收机卫星钟的误差以及大气传播误差，所以，就叫做伪距。UA码伪距的得出是通过测量OA码得到的伪距，大约有20米左右的精度，而P码伪距就是由测量P码得到的伪距，大约有2米左右的精度。

3、GPS 测量的特点

3.1测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

3.2定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。

3.3观测时间短。在小于20公里的短基线上，快速相对定位一般只需5分钟观测时间即可。

3.4提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

3.5操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

3.6全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

二、实际应用

1、工程概况本文涉及的工程是一个厂区的施工控制测量，工程位于城郊，厂区东西长0.93KM，南北宽0.47KM，场地为吹填沙，地势平坦。为了本工程设计和施工需要，需建立首级控制网。考虑到业主提供的两个已知GPS 点相距1.24 公里较远且不通视等因素，决定采用GPS 测量。本次测量属于第二次控制点补充测量，随着施工的进展前期所做的5 个GPS 点已不能满足施工需要，本次在原有基础上增设4 个GPS 点。

2、GPS 测量的技术设计

2.1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》、及《卫星定位城市测量技术规范》CJJ/T 73- 2010，及工程测量合同有关要求制定的。

2.2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0.5km，最弱边相对中误差小于1／45000，GPS 接收机标称精度的固定误差a≤10 mm，比例误差系数b≤10×10－6。

2.3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，并编排作业调度表。

3、GPS 测量的外业实施

3.1选点

GPS测量点位选择较为方便，在各测站点之间只要有一个是通视的方向就可以了，它还有着多种多样的图形结构，所以，选点在GPS测量中还是比较容易的，但是它测量存在一定的特殊性，还要对后续的测量有一定的考虑，所以，我们应该注重以下一个问题：

3.1.1厂区施工的复杂性，易破坏性是需要在选点之前考虑的问题，所以，失业开阔的地方是选点的最佳方位，沿着主要装置轴线方向，并且与地下管线有3米以上的距离，点周围应该尽量避免载重车辆的运行。

3.1.2为了能够不受到电磁场对信号造成干扰，大功率无线电发射源、高压电线等是绝对不可以进行选点的。

3.1.3点周围要有15°以上没有障碍物的高度角，这样可以有效地避免遮挡信号或者没有较强的信号。

3.1.4为了后续测量工作可以方便进行，每一点都应该通视多个方向。

3.2数据采集

GPS 测量采用南方测绘公司北极星9600GPS 接收机，采用静态定位模式进行同步观测，仪器高准确至mm。GPS 每时段观测时间5KM 以内基线不少于45 分钟，5KM 以上基线不少于60 分钟。卫星高度角15°，采样间隔10 s。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，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。

参考文献：

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[2] 庞丽淑.论卫星导航定位系统在工程测量中的应用[J]. 企业导报. 2011(02).

[3] 朱越飞.工程测量中应用的最新技术[J]. 魅力中国. 2009(28).

[4] 林峰,冯金宇.浅谈提高GPS测量精度的一些做法与体会[J]. 中小企业管理与科技(上半月). 2008(04).