GPS全称为授时导航全球定位系统, 其主要是由卫星星座和接收装置组成, 是第三代基于卫星的无线电的导航定位系统, 它可以为使用者提供一定参考系统下精确三维坐标、导航与高精度时间信息。随着GPS测量技术的发展, 其技术逐步应用于工程测量领域, 使之作业方法发生了历史性的变革。GPS测量通过接收卫星发射的信号并对其相位信息进行数据处理, 从而求解测量点的空间位置, 具有全球性、全天候、连续性和实时性的特点, 而且具有良好的抗干扰性和保密性。
1 GPS概述
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。在现阶段, GPS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, 轨道间倾角为55°, 卫星运行的平均高度为20200km, 运行周期为11小时58分钟。GPS地面监控站主要由一个主控站、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。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, 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, 再通过硬件处理器和相应的处理软件, 求出GPS接收机中心的三维坐标。
2 工程应用中的问题
GPS在工程测量中主要应用方式包括静态测量用于控制测量, 动态RTK测量用于地形图细部测量。但是GPS用于测量工作时其基本原理都是通过对载波相位的分析解算进行精确定位的, 其中存在一些共同的问题也包括其各自的不足之处。
(1) 使用GPS系统进行定位的关键问题是对卫星和接收机之间距离的准确计算按照固定模式:距离=速度×时间, 当时间间隔测得后, 距离可以按电磁波的传播速度定。但是众所周知电磁波传播受到介质介电常数的影响, 介质为均匀状态下有恒定速度, 但大气层不是均匀的, 信号要受到电离层和对流层的重重干扰。GPS数据处理中只能对此进行平均计算, 或使用一些并不能完全反应大气真实状况的模型进行改正;同时在大城市或山区由于高层建筑物及树木等对信号的影响, 也会导致信号的多路径传播, 计算时会引入一定的粗差。
(2) 与常规仪器进行的控制测量一样使用GPS-RTK技术应首先复核起算基准点的精度, 起算点应为高等级的控制点, 并且要求起算基准点和观测点之间具有较好的位置分布。因而当使用动态GPS-RTK进行观测时, 基准站的精度要经过3~5个高等级控制点的连测、复核, 才能确保基准站坐标在各个方位观测情况下具有一致的精度。
(3) GPS测量中所选择的控制点分布的不同会在很大程度上影响观测精度。由于GPS测量是通过接收卫星发射的信号经过数据处理而得到空间内一点三维坐标 (包括高程) 的, 但是任何可能影响信号接收的因素出现干扰时, 所测定的点位坐标都可能产生粗差。为了避免电信号受到干扰, 在选择测量点位时应注意以下几点:观测点视野开阔, 向上15°视角范围内应尽量避免有障碍物;尽量远离大功率的无线电发射装置, 与其间距应不小于400m, 远离高压输电线路, 与其间距应不小于200m;同时远离具有强干扰卫星信号接收的物体, 并为了不受多路径传播的影响, 尽量避开大面积的水体区域或大面积的玻璃幕墙附近。
(4) 大量的工程实例证明, 虽然GPS高程测量能够达到一定的精度, 但由于我国采用的水准基准与平面坐标基准相互独立GPS测定高程为与水平坐标处于同一系统下的几何高程, 因而在用GPS施测的市政工程测量控制点, 应进一步用常规仪器进行水准联测, 保证高程精度满足市政工程建设的需要。
(5) GPS测量更适用于视野开阔、障碍物较少的新区建设、野外勘探定位等, 在老城区的建设中使用GPS测量, 或者会由于建筑物遮挡接收不到信号, 或者虽接收到信号但一直处于浮动状态, 出现假固定或者不能固定, 造成所得数据往往误差较大, 使得工作效率反而降低, 无法体现出GPS测量的优越性。
(6) GPS测量成果与常规测量成果之间不同型号GPS测量成果之间存在差异, 有时相差比较大。通常的解决方法是在进行平差计算时, 边长进行两项改正:一是归算至大地水准面的改正;二是归算到高斯投影面上的改正。二维联台平差模型不能解决平面位置与高程位置统一的问题, 而三维联台平差模型是一个多功能的可实现平差模型转换的高级平差系统, 平差得到的结果是点的三维空间位置及其精度, 对于点位及其分量的全面分析和研究是极有利的。但在使用七参数三维联合平差时, 需要地面点有相应精度要求的大地高观测值, 这在某些情况下是难以实现的。
(7) GPS及其相关技术是一门新兴起的技术, 其现行的操作规范标准还很不完善, 同时, 我国也没有颁布统一的地理信息标准格式, 使得导航产品生产商大多使用自己开发生产的电子地图格式, 这些电子地图一般格式相互不兼容。另外, 数字地理信息产品也没有统一的规范, 产品市场没有形成标准, 特别是软件产品没有形成统一的规范, 还待有关部门进一步研究或需要有威望的企业组织可以联合出台统一的商业标准。
3 结语
在工程测量领域中, 由于GPS定位技术自身独特的工作原理, 使得其具有特殊性能, 依赖它进行地理数据更新工作具有及时、高效、高精度、不受恶劣环境气候影响等优势, 在该领域实际测量工作中比常规控制测量具有更大的优越性和适应性。但由于GPS本身既不是我国的产品, 其设计的功能也不是完全按照工程测量的需要指导的, 因而在工程应用中必然存在一些问题, 而目前这些问题还有待于进一步研究改善来适应实际工作。随着该技术的飞速发展和普及, 以及相关技术的普及应用, GPS定位技术将在工程测量以及大地测量等相关行业中得到更加广泛的应用。
摘要：在当今大量的工程测量应用中, 使用GPS系统进行精确地位的方式已经逐步取代了传统的测量用光学和电子仪器, 但新技术的普及中也存在不可回避的问题。本文总结了GPS技术在工程应用中存在的一些问题, 也对如何应对进行了一些思考。
关键词：GPS系统,工程测量
参考文献
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