GPS在工程测量中的应用

摘　要： 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了广泛应用。本文探讨了GPS在工程测量中的应用。

关键词：GPS；工程测量；原理；应用
GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航系统，它具有全能性全球性、 全天候 、连续性和实时性的精密导航与定位功能，而且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了广泛应用。
一、GPS的内容
    我们知道，GPS主要氛围三个部分。分别是空间卫星、地面控制、用户。其系统服务的内容从刚开始的导航扩展到了工程测绘中，完成了一次技术的变革。从上世纪的八十年代开始，我国就在加紧GPS方面的研究工作，特别是接收机的研究，投入了大量的人力和物力。而且，全球的航天技术飞速发展，在地球轨道运行的人造卫星逐渐增多。这就让GPS接收机的应用和研究非常普遍。也就是说，在航天业的发展，让GPS技术的研究进入了一个新的时代，不仅得到了快速的推动，技术也逐渐成熟。
（一）空间卫星的部分
    GPS的空间部分与卫星的联系紧密。一共有二十四颗卫星，它们具有多个不同的轨道平面。这些轨道中都分布有三到四颗卫星。在不同的轨道中，其平面的夹角为六十度。并且跟赤道平面的夹角为五十五度。轨道跟地球的距离为两万千米。这样分布卫星的好处在于能够让同一时刻都有四颗或者更多的卫星来对地球控制点进行探测。这种控制点的探测是任意方位的，具有实时性。
（二）地面控制部分
    地面控制部分是GPS的重点。这是相对于空间卫星部分而言的。其主要包括主控站、注入站、监测站三个部分。地面监控的目的是确保GPS的正常运行。维护其在运行过程中发生的状况，并进行合理地调控，将出现的情况进行研究和分析。并且，在进行数据检测和卫星时间的计算时，需要对卫星运行的误差进行监控并进行修正。对于修正后的数据信息，需要进行汇编后合成数字信息，并在卫星的相关设备中进行反馈。基于原子钟系统。对GPS的运行和工作进行实时监控和高度的维护。
（三）用户
    这里用户的概念是相对于GPS而言的。指的是服务整体。简单的说就是接收机的授时、定位。因此，其主要对象就是接收机。总的来说，主机、电源、天线，这些部分构成了用户的主体。而用户的核心就是主机。其目的就是通过一定的程序来对卫星的定位、信息的收集和处理，并进行设备检查。检查结果与鼓掌排查工作相结合。相当于全自动管理。即手机在监测到相关的信号后，在内部计算卫星与天线单元的距离。然后根据时间与距离的关系，确定卫星的轨道等相关导航数据。最后，计算机根据导航数据来得出用户的相关信息。
二、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。
三、GPS在工程测量中的应用
（一）GPS测量技术在公路测量的应用
    常规静态GPS测量方式已在公路工程测量中普遍应用。用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量，为勘测阶段测绘带状地图，路线平面、纵面测量提供依据。当施工阶段为桥梁时，隧道施工建立施工控网；在公路工程中的应用主要在：公路勘测、施工放样、监理和GIS前端数据采集等方面，提高了工作效率的同时也产生了经济效益。GPS在公路勘测中的广泛应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变化，勘测精度和勘测效率都有极大的提高。随着实时动态测量技术（GPS-RTK）的发展，实时动态测量技术在公路测量中的应用也逐渐增多，并朝着公路工程测量的主要方向发展，今后定将在公路勘测、施工、后期养护和管理方面有广阔的应用前景。
（二）GPS技术在工程变形监测中的应用
    变形监测主要是用在监测像大桥、水坝、高层建筑等这些建筑物、构筑物的地基沉位移和整体的倾斜情况如何 。这种监测的工作特点是被测体的尺寸非常巨大，而且监测的环境十分复杂，相对于监测的技术就很高。 常规的检测技术主要是应用水准测量的方法，监测地基的沉降 ；对于地基的位移和整体的倾斜度是采用三角测量的方法。 GPS技术在这个领域中有广泛的应用。比如说，为了要监测大坝和边坡的形变，就可以在原来大坝或边坡的的适当位置选择若干个几点，同时在变形区选择若干监测点。然后在基准点和监测点上分别安装GPS 接收机，进行连续的自动观测，同时要采用适当的数据传、 输技术实时将数据自动传输到数据处理中心来分析和处理。
（三）GPS-RTK技术在工程测量中的应用
　　实时动态（RTK）是指载波相位实时动态差分定位（Real- Time Kine-matic）方法，它是GPS的新发展，为工程放样、地形测图等工作带来了新契机，提高了作业效率，在工程测量中有着广阔的应用前景。实时动态（RTK）能有效的克服静态定位、准动态定位等定位模式存在的数据处理滞后、无法实时解算出定位结果、无法及时对观测数据进行检核等一系列缺点，有效保障观测数据的质量。基准 站和流动站共同组成了实时动态定位（RTK）系统，其效果保证是无线数据通讯的建立。实时动态监测的原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度，RTK通过实时处理能达到厘米级精度。工程人员通过实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，依据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少多余观测，提高工作效率。勘测、施工放样、GIS前端数据采集和监理等工作中动态定位都将产生巨大的应用价值。
（1）控制测量中的应用
　　整体控制测量和局部加密控制测量是常规测量中所要进行的两个步骤，在整体控制时就必须考虑到后面加密工作的开展。 常常因为要进行局部加密控制而要测量一级导线，然后在此基础上再进行图根控制，这样就花费了大量的人力、 物力。 而采用GPS-RTK系统来进行控制测量，在首级控制测量时，无需考虑通视方向点，无需进行更多的加密控制，如测导线测图根点之类的工作，只需将移动站放在所需的控制点上平滑采集 5S 即可得出坐标。 这就使得在首级控制选点位时，只需考虑其实用性及设基准站的安全性 。因此，GPS-RTK 测量技术能够大大提高控制测量的工作效率 、减轻劳动强度。
（2） 数字化地形图测量
采用 GPS- RTK 测图， 大大减少了测图所需的控制点数目， 改变了传统的 先控制 后测图 的测量方式 只需单人采集点位坐标数据， 再导入到数字化软件中， 即可生成各种比例尺的地形图，劳动力大大减少， 有效提高了测图效率。
（3）水下地形测量
水下地形测量的工作环境复杂。 传统方法多采用六分仪 、三杆分度仪 、全站仪配合测深仪进行测量， 但测量精度并不高， 测区有限， 工作量大。 若采用水下 GPS- RTK 测量仪器， 与测深仪和笔记本电脑连接在一起， GPS 对测量船进行定位， 并指导测量船在制定测量断面上航行， GPS 和测深仪将实时测得的数据导入电脑中， 由海洋测量软件进行处理生成水下地形图， 并进行绘制
（4）地籍测量
GPS- RTK 技术可实时测定每一宗土地的权属界址点的位置，将获取的数据处理后导入 GPS 系统中即可及时得到地籍图 在GPS 信号不稳定的地带， 应结合全站仪 测距仪等工具进行细部测量工作。
（5） 施工放样测量
RTK 随机软件中包含放样的功能， 可进行点、 直线、曲线的施工放样测量 。在测量控制器中输入事先设计好的点、 线路要素，即可自动生成对应的放样点， 控制器通过实时显示测点里程和偏移距离指导放样工作。
（6） 纵 、横断面测量
在道路、 隧道、 桥梁等工程中， 均需要测量纵横断面。 常规的地面测量方法效率低。 在事先完成线路的放样工作后， 系统可根据放样点， 自动生成纵 、横断面， 大幅度减少外业工作量， 若需要进行现场测量时， 也可采用 GPS- RTK 技术。
    随着科技的进步和发展，工程测量的要求也在逐渐提高。G P S的应用也会逐渐广泛。传统的测量仪器具有误差大等多种缺点，将G P S的优势衬托出来。在我国的大型桥梁、高速公路等多种工程测量的应用中，G P S的发展空间非常大，其能够满足精度等多方面的需求。G P S具有传统测量方式没有的多种优点，这就让那个其在工程测量领域的发展空间大，而且随着技术的不断提高和成熟，G P S必然会成为工程测量的主要手段，推动工程测量技术的发展和进步。

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