GPS原理及在工程测量中的应用

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GPS原理及在工程测量中的应用
贺桂华 (中冶集团武汉勘察研究院有限公司)
摘要：简述了全球定位系统(GPS)的基本结构和测量原理，总结了GPS
用于工程测量所具有的特点，介绍了GPS在工程测量中的应用实例，对其特
性进行了详细的分析。
关键词：GPS 工程测量应用实例
0引言
GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有良好
的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、
航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军
事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。
1 GPS简介
1．1 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。
1．1．1 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20～200km，运行周期为11h58min。
1．1．2 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。
图1 定位原理图
1．1．3 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。
1．2 GPS定位原理GPS定位是根据测量中的距离交会定点原
理实现的。如图1所示，在待测点Q 设置GPS接收机，在某一时刻
tk同时接收到3颗(或3颗以上)卫星S1、S2、S3所发出的信号。通
过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心(测站点)至卫星
的距离P 1、P 2、P 3。根据卫星星历可查到该B,-t~0 3颗卫星的三维
坐标(Xi，Yj，Zj)，I=1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标(X，
Y，Z)：P12-(X—X’) +(Y—Y’) +(Z—Z’) ，p 22_-(X—X2) 4-(Y—Y2) +(Z—Z2) ，
D 32=(X一×3) (Y—Y3】 十(Z—Z0) o
1．3 GPS测量的特点GPS测量与以往的测量方式相比， 具有
自己独特的优势：第一，GPS测量可以精确测定测站点的三维坐标，
可以提供较为准确的数据，其高程精度已经达到四等水准测量的要
求了：第二，测量时间短，进行GPS测量时，动态相对定位仅需几秒
钟就可以了，而静态相对定位虽然所需时间多一些，但也最多超不过
20min 随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，时间还会
进一步缩短；第三，测量精度高。与以往的测量方式比，GPS观测的
精度明显高于一般常规测量：第四，仪器操作简单，目前观测人员只
需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动
观测和记录。机器操作完全实现智能化，并且目前的趋势是，智能化
程度在逐步增高，这就给操作人员的工作带来了便利条件；第五，测
站间无需通视。GPS测量使得选点工作更加灵活方便，它可根据实
际需要确定点位，不需要测站间相互通视；第六，无时间限制，GPS
测量可以实现全天候作业。它可以在任何地点、任意时间连续进行观
测，它具有分布均匀，卫星点数目多的特点，且它一般不受天气状况
影响，可以任意时间段观测。
2应用实例
2．1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。
2．2 GPS测量的技术设计
2-2_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_2．2 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≤
1O mm，比例误差系数b≤10X 10I¨。
2I2．3 设计基准和网形如图2所示，控制网共由8个点组成，
其中CMO2和CM07为已知点：采用3台GPS接收机观测，网形布
设成边连式。
图2
2．2．4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。
2．3 GPS测量的外业实施
2．3．1选点GPS测量点位选择比较方便，各测站点之间至少有
一个方向通视即可，它的图形结构也比较灵活多样，因此，GPS测量
选点不是什么难事，但基于它测量的特殊性，并顾及后续测量，我们
还应注意一下一些问题：第一，考虑到厂区施工的复杂性，易破坏性，
点尽量选在视野开阔，沿主要装置轴线方向，且相距地下管线3米
以上，点周围应少有载重车辆行驶；⑤ 选点结束后，按要求埋设标石，
并填写点之记及控制点布置略图。第二， 为避免电磁场对信号的干
扰，点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等；第三，为避免信号
被遮挡或吸收，点周围高度角15。以上不要有障碍物：第四，为方便
后续测量工作的使用，每点最好与多个方向通视。
2．3-2 数据采集GPS测量采用南方测绘公司北极星9600
GPS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。
2．4 GPS测量的数据处理
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2014-9-30 07:08 上传

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