探析GPS 在工程测绘上的应用

李涓罗忠平

摘要：当前，伴随着时代和科学的不断进步，GPS测量技术已经广泛应用于国民经济各项建设工程中，使得工程测绘技术和工作方式发生了根本性的转变，不仅提高了工程测绘的质量和效率，降低了劳动强度，也大大扩宽了工程测绘的服务范围。本文在介绍GPS系统基本原理、系统特点的基础上，进一步探析其在工程测绘中的应用及实践。

关键词： GPS 工程测绘应用

中图分类号：TB2

当前，伴随着时代和科学的不断进步，GPS测量技术已经广泛应用于国民经济各项建设工程中。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低等优点，一方面为工程测绘工作提供了一个崭新的定位测量手段，显著提高了工程测绘的质量和效率，降低了劳动强度；另一方面也大大扩宽了工程测绘的服务范围，给测绘领域带来了一次根本性的技术变革。

一、GPS系统的基本原理

（一）什么是GPS系统

GPS，是Global Positioning System（全球定位系统）的英文简称。该系统由美国国防部于1973年组织研制，历经20年，耗资近300亿美元，于1993年建设成功，主要为军事导航与定位服务。GPS利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、侧速和授时功能，并具有良好的保密性和抗干扰性。因此，GPS不但经常用于军事上各兵种和武器的导航定位，在民用上的应用也越来越广泛。

（二）GPS系统的主要构成

GPS全球定位系统主要由三部分组成：空间卫星星座、地面监控系统和用户设备。

（三）GPS系统的定位原理

全球定位系统(GPS)的定位基本原理，是空间距离交会定点原理。假设在地面上有3个无线电信号发射台，其位置坐标已知，用(xi,yi,zi)(其中i＝1，2，3)表示。用户接收机在某一时刻采用无线电测距的原理测得接收机到3个无线电发射台的距离只Ri(i＝1，2，3)，则只需以3个发射台为球心，以所测距离为半径，即可用距离交会原理计算出用户接收机的空间位置(xp，yp，zp，)。其数学模型如下：

Ri=

如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种通过无线电测距交会定点的方法是目前仍在使用的飞机、轮船的导航定位方法。现在将无线电信号发射台从地面搬到位于空间中的卫星之上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由3个以上地面已知点交会出卫星的空间位置；反之，利用3个以上卫星的已知空间位置，又可以交会出地面上未知点的空间位置。这就是GPS卫星定位的基本原理。

二、GSP测绘的主要特点

经过20年的发展，GPS己经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其是对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在许多学科，如地球动力学、大地测量学、天文学、大气科学、海洋科学、地球物理勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分地显示了这一卫星定位技术的高精度与高效益。GPS定位技术的引入，引发了测绘技术的一场革命，使得测绘领域步入了一个崭新的时代。

与传统测绘相比，GPS有其明显的技术优势和特点：

(一)定位精度高

与常用的测绘方法相比，GPS测绘定位精度明显提高（见图二）。目前，GPS测量基线的精度已经由过去的10-7提高到10-6，而GPS静态相对定位的精度也提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。GPS实时动态定位精度也有显著性的突破，可以达到厘米级的定位精度，可以满足各种工程测量的要求。大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在1mm左右。

图二：几种定位方法的精度比较

(二)观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟，目前采用静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时间，对于双频接收机仅需15-20min；采用快速静态相对定位模式，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min；采取实时动态定位模式，流动站出发时观测1-2min进行动态初始化，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。因而用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。

(三)测站间无需通视

经典测量技术均有严格的通视要求，必须建造大量的规标，这给经典测量的实施带来了相当的困难。GPS测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通视即可，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造规标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30％-50％)，同时也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位位置，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。

(四)仪器操作简便

随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员的主要任务只是安置仪器，边接电缆线，量取天线高和气象数据，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。

(五)全球全天候定位

GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得地球上任何地方的用户在任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，可以随时进行全球全天候的各项观测工作，一般除打雷闪电不宜观测外，其它天气(如阴雨下雪、起风下雾等)均不受影响，这是经典测量手段望尘莫及的。这一特点保证了GPS测量的连续性和自动化。

(六)可提供全球统一的三维地心坐标

工程使用中需要将三维的GPS基线向量观测值及其方差阵投影转换到工程坐标系的二维平面上，即将GPS基线网投影变换成工程使用测量控制网。其转换的核心是使GPS基线向量网与常规地面网测量控制点原点重合，起始方向一致。为便于工程使用，要求由转换的控制点坐标直接反算的边长与实地量得的边长，在长度上应该相等，即由归算投影改正而带来的变形或改正数，不得大于工程各阶段的精度要求。

三、GPS技术在工程测绘方面上的应用与发展

GPS对于经典的测绘领域是一次重大的技术突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学科与其它学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。因此它的出现吸引了世界各国众多科学家的广泛兴趣和普遍关注，也导致了测绘行业发生了根本性的变革。

在大地测量方面, GPS定位技术以其精度高、速度快费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测中。时至今日,可以说GPS定位技术已完全取代了用常测角、测距手段建立的大地控制网。一般将应用GPS卫定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以GPS网分为两大类:一类是全球或全国性的高精度GPS网这类GPS网中相邻点的距离在数百公里至上万公里,其要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。一类是区域性的GPS网,包括GPS城市网、矿区网和工网等。

在工程测量方面，建立区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，各种GPSI程网以及GPS综合服务网等，这类网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网，即应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。这类网的特点是控制区域有限(或一个市或一个地区)，边长短(一般从几百米到20km)，观测时间短(从快速静态定位的几分钟至一两个小时)，精度要求高，使用频繁，其主要任务是直接为国民经济建设服务。

四、结束语

与传统测绘方法相比，GPS测绘具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不用建标等优点，而且仪器设备小巧轻便，操作简单便捷。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

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