GPS在现代工程测量中应用

【摘要】GPS 技术具有精度高、速度快、不受气候条件及通视条件的限制等优点,另外,GPS 接收机具有自动观测的特点,这为实现大型工程建筑物变形监测的自动化奠定了基础。本文介绍了GPS 测量的基本特征，分析研究了GPS在现代工程测量中的具体应用。
【关键词】GPS现代工程测量应用
GPS测量技术在工程测绘中应用,不仅能够提高工程测绘的精确度和可靠性,而且对提高工作效率,降低工作强度,对提高工程测绘的自动化程度具有重要的作用,所以成为工程测绘中重要的工具。随着GPS测量技术的快速发展,GPS测量技术将会得到更多的领域应用。

一、GPS 测量的基本特征

1、GPS 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20200 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、GPS 测量的基本原理

GPS 定位原理,类似于传统的后方交会,如果在需要的位置某点P架设GPS 接收机,在某一时刻同时接收3 颗GPS 卫星所发射的信号,即测得卫星到测站点的几何距离,就可根据后方交会原理确定出测站点的三维坐标。GPS 卫星发射测距信号和导航电文,导航电文中含有卫星的位置信息, 用户用GPS 接收机在某一时刻ti 同时接收三颗以上的GPS卫星信号,测录出测站点(接收机天线中心) P 至三颗以上GPS 卫星的距离并解算出该时刻GPS 卫星的空间坐标, 据此利用距离交会法解算出测站P 的位置, 设在时刻ti 在测站P 用GPS 接收机同时测得P 点至三颗GPS 卫星s1,s2,s3 的距离分别为s1,s2,s3, 通过GPS 电文解译出该时刻三颗GPS 卫星的三维坐标为(Xi,Yi,Zi),j=1,2,3 用距离交会的方法求解P 点的三维坐标。
在GPS 定位中,GPS 卫星是高速运动的卫星,其坐标值随时间在快速变化着, 需要实时地由GPS 卫星信号测出测站至卫星之间的距离,实时地测出卫星的导航电文解算出卫星的坐标值并进行测站点的定位,根据其运动状态可以将GPS 定位分为静态定位和动态定位, 根据对GPS信号的不

摘自：毕业论文工作总结www.udooo.com

同观测量,可以区分两种定位方法:a.伪距定位法,用GPS 卫星的伪噪声编码信号,测定接收机到GPS 卫星的距离。b.载波相位测量,通过测量载波相位而求得接收机到GPS 卫星的距离。

3、GPS 测量技术的优点

（1）GPS 测量技术功能多、用途广。GPS测量技术能够为用户提供时间信息、三维坐标以及三维速度,所以GPS测量技术不仅可以用于导航、时间测试、速度测试以及测量等,并且随着技术的发展,目前GPS测量技术已经广泛应用到各个领域,尤其是在测量工作中,不仅能够用于工程测量、大地测量以及海洋测绘、航空摄影测量、地籍测量等各个领域。
（2）定位精度高。GPS测量技术在工程应用中表明,利用静态相对定位模式,在50km以下的基线中,其定位精度可以达到1 x 10-6 ~ 2 x 10-6,如果在100km～500km的基线上,其定位精度能够达到10-6 ~ 10-7,随着技术的发展,将会在1000km以上的基线中,其定位精度达到或者高于10-8,GPS测量技术在实时差分定位和实时定位等方面中,其定位精度能够达到分米级和厘米级。并且对工程测绘中各种要求都能满足。GPS测量精度如表1所示。
表1 GPS 测量精度表
测距码C/A码P
差分定位3～510.02
单点定位10～155～10
测时500100
测速1000.3
（3）操作简单、自动化程度高。GPS测量技术工程操作应用的过程中,其自动化程度是非常高的,操作非常简便,操作者只需要进行采集气象数据、安装开关仪器以及量取仪器高度并监测仪器的工作状态即可。
比如在工程中的跟踪观测、卫星的捕获以及记录等工作都有GPS系统中设备自动实现。在观测结束后,操作人员只需关闭电源,收好接机就算完成数据采集工作。由此可见GPS测量技术在工程测绘中应用不仅提高工作效率,精度高,而且对提高工程测绘的自动化程度具有重要的作用。

二、GPS在现代工程测量中的具体应用

1、建立工程控制网

工程控制网是工程建设.管理和维护的基础,其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地,工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法,多采用边角网。采用GPS定位的方法建立工程控制网,具有点位选择限制少,作业时间短,成果精度高,工程费用低等优点。可应用于建立T程首级控制网,变形监测控制网,工旷施工控制网,工程勘探、施工控制网,隧道等地下工程控制网,等等。应用GPS技术建立控制网,通常采用载波相位静态差分技术,以保i止达到毫米级精度。应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。道路勘探、施工控制刚,具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案,多数需要分段实施,以避免误差积累过大。采用GPS技术,由于点与点之间不需要通视,可以敷设很长的GPS点构成的三角锁,以保持长距离线路坐标控制的一致性。

2、变形监测

变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大,监测环境复杂,监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法,监测地基的沉隔应用三角测量(或角度交会)的方法,监测地基的位移和整体的倾斜。GPS技术在该领域有广泛的应用。比如为了监测大坝或边坡的形变,可在远离大坝或边坡的适当位置,选择若干基准点,同时在形变区选择若干监测点在基准点和监测点上分别安置GPS接受机,进行连续自动观测,并采用适当的数据传输技术,实时地将监测数据自动地传输到数据处理中心,进行分析,处理和显示。

3、带RTK 的碎部测量与放样。

RTK(Real Time Kine matic)技术,即载波相位差分技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成:基准站(坐标已知)和移动站(用户接收机)。其基本原理如下。
将基准站采集的载波相位发送给用户,用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图,测绘房地产的界址点,平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS接收机放在待定的特征点上1s～2s,同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机,由专业成图软件、在人工适当的干预下,形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样,标定界标点,是坐标的直接标定,不象常规放样那样,需要后视方向、用解析法标定,因而简捷易行。

4、区域差分网下的碎部测量与放样。

区域性GPS差分系统下的碎部测量与放样,是基于区域GPS差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似,不同的是区域差分的基准站往往多于1个,多基准站组成基准网,基准网提供各个基准站的差分信息,用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权,按非等权平差后形成自己的差分改正数,实现差分定位。
参考文献：
王强. GPS定位技术在工程测量,地籍测量方面的优越性[J]. 丹东海工, 2004,(00) .
杨红刚. 浅谈GPS实时动态(RTK)测量在工程测量中的应用[J]. 铁道勘测与设计, 2008,(03) .
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