GPS全球定位系統(tǒng)作為新形式測量系統(tǒng),已廣泛用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個(gè)方面。GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)在公路工程測量中的應(yīng)用,在最近的兩年得到了迅速推廣,這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息等技術(shù)參數(shù)。

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成,除此之外,測量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。
 
①空間衛(wèi)星群GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬公里的GPS衛(wèi)星群組成,并均勻分布在6個(gè)軌道面上,各平面之間交角為60°,軌道和地球赤道的傾角為55°,衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時(shí)58分,這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。
 
②GPS的地面控制系統(tǒng)GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站,主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去;同時(shí)還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制,向衛(wèi)星發(fā)布指令,調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào),監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。
 
③GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成,其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào),利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等。
 
一、GPS定位原理
 
GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置p點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī),在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了三顆(a、b、c)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文,通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離sap、sbp、scp,同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置(三維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)的方法求得p點(diǎn)的維坐標(biāo)(xp,yp,zp),其數(shù)學(xué)式為:
 
sap2=[(xp-xa)2+(yp-ya)2+(zp+za)2]
 
sbp2=[(xp-xb)2+(yp-yb)2+(zp+zb)2]
 
scp2=[(xp-xc)2+(yp-yc)2+(zp+zc)2]
 
式中(xa,ya,za),(xb,yb,zb),(xc,yc,zc)分別為衛(wèi)星a,b,c在時(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。
 
在GPS測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng),一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng),另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng),稱地固坐標(biāo)系統(tǒng),我們?cè)诠饭こ炭刂茰y量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測成果,因此在測量中被廣泛的應(yīng)用。
 
二、GPS測量的技術(shù)特點(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。但測站上空必須開闊,以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。
 
2.2 定位精度高一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm,而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm,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。大量實(shí)驗(yàn)證明,在小于50公里的基線上,其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6,而在100~500公里的基線上可達(dá)10-6~10-7。
 
2.3 觀測時(shí)間短采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí),每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在30~40min左右,采用快速靜態(tài)定位方法,觀測時(shí)間更短。例如使用接收機(jī)的rtk法可在5s以內(nèi)求得測點(diǎn)坐標(biāo)。
 
2.4 提供三維坐標(biāo)GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí),可以精確測定觀測站的大地高程。
 
2.5 操作簡便GPS測量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化,觀測人員只需將天線對(duì)中、整平,量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測,利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測點(diǎn)三維坐標(biāo)。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。 http://wWw.gWyoO.Com
 
三、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用
 
3.1 GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)
 
①設(shè)計(jì)依據(jù)。GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》及工程測量合同有關(guān)要求制定的。
 
②設(shè)計(jì)精度。根據(jù)工程需要和測區(qū)情況,選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長小于1km,最弱邊相對(duì)誤差小于1/10000,GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15mm,比例誤差系數(shù)b≤20×10-6。
 
③設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形?刂凭W(wǎng)共12個(gè)點(diǎn),其中聯(lián)測已知平面控制點(diǎn)2個(gè),高程控制點(diǎn)5個(gè)。采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測,網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。④觀測計(jì)劃。根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度(空間位置因子PDOP),選擇最佳觀測時(shí)段(衛(wèi)星多于4顆,且分布均勻,PDOP值小于6),并編排作業(yè)調(diào)度表。
 
3.2 GPS測量的外業(yè)實(shí)施
 
①選點(diǎn)。GPS測量測站點(diǎn)之間不要求一定通視,圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,因此,點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性,并顧及后續(xù)測量,選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮:
 
a.每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視,以便后續(xù)測量工作的使用;
 
b.點(diǎn)周圍高度角15°以上不要有障礙物,以免信號(hào)被遮擋或吸收;
 
c.點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等,以免電磁場對(duì)信號(hào)的干擾;
 
d.點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方,以便觀測和日后使用;
 
e.選點(diǎn)結(jié)束后,按要求埋設(shè)標(biāo)石,并填寫點(diǎn)之記。
 
②觀測。
 
根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測,采取靜態(tài)相對(duì)定位,衛(wèi)星高度角15°,時(shí)段長度45min,采樣間隔10s。在三個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置三臺(tái)接收機(jī)天線(對(duì)中、整平、定向),量取天線高,測量氣象數(shù)據(jù),開機(jī)觀察,當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí),按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù),則接收機(jī)自動(dòng)記錄,觀測者填寫測量手簿。
 
通過以上分析,GPS系統(tǒng)在工程測量上將有很大的發(fā)展空間,為工程施工質(zhì)量提供了有利的保障。