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摘要：全球定位系统GPS是美国研制的新一代卫星导航系统。GPS系统可以向全球任何用户全天候地提供高精度的三维坐标、三维速度以及时间信息，应用广泛，前景远大。本文浅析了GPS技术在地形测绘中的运用。
关键词：GPS技术；地形测绘；测量精度
中图分类号： Q142.4文献标识码：A 文章编号：
引言
GPS技术已经广泛应用于大地测量、工程测量、控制测量、地籍测量、精密工程测量以及车辆、船舶及飞机导航等方面。本文探讨了GPS技术在地形测绘中的应用。
1、全球卫星定位系统概述
1.1GPS全球卫星定位系统的组成
如下图所示，GPS全球卫星定位系统主要由3部分组成：GPS卫星组成的空间部分、若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分。三者既有独自的功能和作用，又是有机地组合而缺一不可的整体系统。
1.2空间卫星部分
空间部分由24颗（其中有3颗是备用卫星）GPS卫星组成，如下图所示，平均分布在6个轨道面内，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。卫星覆盖全球上空，保证在地球各处能时时观测到4颗以上卫星。空间卫星的作用主要是接收地面注入站发送的导航电文和其他信号，向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的概略位置，以便用户接收使用。
1.3地面监控部分
地面监控部分负责监控全球定位系统的工作，包括主控站（1个）、监控站（5个）和注入站（3个）。其主要作用是调整卫星的运行轨道，监控每个卫星的使用状况，统一卫星的时间，收集有关信息并对其处理等。
1.4用户部分
用户部分包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。GPS接收机是用户部分的核心，一般由传感器（包括主机、天线和前置放大器）、控制器和电源3部分组成。其主要功能是跟踪接收GPS卫星发射的信号并进行变换、放大和处理，以便测量出GPS卫星信号从卫星到接收机天线的传播时间；解释导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS接收机的基本类型分导航型、授时型和大地型。大地型接收机的类型分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型，而双频型接收机又有C/A码相关和C/A码、尸码相关两种。
在精密定位测量工作中，一般采用大地型双频接收机或单频接收机。单频接收机适用于10km左右或更短距离的精密定位测量，其相对精度能达到（5mm+1ppmD），D为基线长度。而D为基线长度。而双频接收机由于能同时接收卫星发射的两种频率（L1，L2）的载波信号，故可进行长距离的精密定位测量，其相对精度可优于（5mm+1ppmD），双频接收机已成为广泛应用的主流机型。
1.5GPS观测数据处理
GPS数据预处理是对原始观测数据进行编辑、加工与整理、分流出各种专用的信息文件，为进一步的平差计算做准备。从原始记录中，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等，然后进行观测数据的平滑、滤波、周跳探测、载波相位观测值的修复以及对观测值进行各项必要的改正。观测成果的外业检核是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节。所以当观测结束后，必须在测区及时对外业的观测数据质量进行检核和评价，以便及时发现不合格的数据，并根据情况采取淘汰或重测、补测措施。同步观测数据的检核，主要指观测数据的剔除和观测值的残差之差。应用GPS技术进行土地利用调查控制测量，首先应对原始观测数据进行预处理，解算出各基线向量，然后再对同步观测数据进行检核、重复边的检核以及环闭合差的检核，并且3种检核应满足现行GPS测量规范的精度指标要求。观测数据预处理完毕之后，根据预处理所获得的标准化数据文件，便可以观测数据的平差计算。以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差作为观测信息，以一个点的WGS-84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的三维无约束平差。
2、GPS技术在地形测绘中的运用
2.1技术指标
选用Timble系列双频GPS接收机进行观测，接收机标称精度为5mm±1×10-6mm。
2.2外业观测方法
用6台GPS接收机进行同步观测，GPS网外业观测由西向东以边连接方式构网观测。接收机的天线利用脚架安置在标志中心的垂线方向上，用测前经过检验、校正的光学对点器進行对中、整平，中误差小于3mm。天线量高使用特制的测高尺，测前测后各量1次，取位至0.001m，取其中数分别记录到外业记录手簿上。观测完后构成GPS基线向量网，网中几何图形基本是三角形，各测站数据剔除率小于10%，外业观测数据良好。
2.3内业解算
2.3.1数据处理
外业数据处理使用美国Trimble公司出版的TGO116商业软件包。外业当天的数据采集后即传输到计算机，并将外业记录的天线高度输入计算机，然后使用多基线批处理程序进行自动数据处理，同时这也是对外业数据质量的检验。
根据计算机自动处理后输出的基线质量摘要，检查基线方差比、中误差、周跳数和测站数据剔除率等。GPS网观测采用边连接方式，基线长度一般都小于10km，使用L1频率采集的数据自动处理后，基线质量都在限差的1/2以内。
2.3.2 闭合环检验
由若干个独立观测边组成的闭合环在网中数量较多，为了检查控制网的精度情况，统计出环闭合差大小，反映GPS网内部结构强度，在闭合环检验时，只进行了三节点闭合环检验，GPS网中每条边至少被检查过1次。GPS网中被检验闭合环95个，均通过了闭合环检验。
2.3.3 GPS网平差
（1）GPS网无约束平差（WGS-84系）。网平差计算使用TGO116软件包。网平差前对解算出的基线进行了选择，选出基线质量好的组成GPS平差网。程序使用GPS自由网的重心（即网中各点的平均坐标）来控制整个网的平移和旋转，用内部约束以满足网中方位角和尺度的约束条件。
GPS网在WGS-84系中无约束平差表明，本次施测的GPS网内符合精度较好（详见GPS网无约束平差资料）。
（2）GPS网二维约束平差（北京1954坐标系）。GPS网共联测了3个已知点（Ⅲ等）、（Ⅱ等）、（Ⅱ等）。平差前对联测的已知点的精度进行了检查，固定黄岭和九龙山2个点，检查摩天岭，和已知坐标比较，结果如下：d△x=﹣0.116，d△y=-0.016m。
从检查结果可以看出，3个点之间精度较为一致。最后决定用这3个已知点作为此次GPS网约束平差的起算点，固定3个起算点的平面坐标约束平差后，GPS网在北京1954坐标系中的参考因子为1.00，自由度为167，平差收敛。
基线边长相对精度高于《城市测量规范》所要求1/80000；基线方位中误差小于5城市测量规范6要求的±2.5d″。
2.3.4图根控制
在首级控制完成后，由于时间紧，任务量大，按照常规方法进行图根布控已不现实，故决定利用GPS-RTK技术进行图根布控。RTK技术具有自动记录数据、精度高、应用广泛等特点。利用RTK技术，在短短10余天完成对60km2范围的图根布控，共布控图根点392个。测量结束时，甲方对图根控制进行验收，最弱点位误差≤5cm，最弱边相对中误差≤1/4000，符合《全球定位系统（GPS）测量规范》要求。
结束语
GPS系统已广泛应用于大地测量、工程测量，并已开始应用于航空摄影测量和地形地籍测量各方面。特别是在地形地籍测量方面，RTK技术（实时动态定位技术）的出现，产生了GPS全站仪。这样，利用GPS全站仪进行数字地形测量的数据采集，将变成地形测量数据采集的常用手段之一。
参考文献
[1]潘建华.测绘新技术在工程测量中的应用[J].科海故事博览.科技探索，2012
[2]徐绍铨，张华海等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2011
关键词：GPS技术；地形测绘；测量精度
中图分类号： Q142.4文献标识码：A 文章编号：
引言
GPS技术已经广泛应用于大地测量、工程测量、控制测量、地籍测量、精密工程测量以及车辆、船舶及飞机导航等方面。本文探讨了GPS技术在地形测绘中的应用。
1、全球卫星定位系统概述
1.1GPS全球卫星定位系统的组成
如下图所示，GPS全球卫星定位系统主要由3部分组成：GPS卫星组成的空间部分、若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分。三者既有独自的功能和作用，又是有机地组合而缺一不可的整体系统。
1.2空间卫星部分
空间部分由24颗（其中有3颗是备用卫星）GPS卫星组成，如下图所示，平均分布在6个轨道面内，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。卫星覆盖全球上空，保证在地球各处能时时观测到4颗以上卫星。空间卫星的作用主要是接收地面注入站发送的导航电文和其他信号，向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的概略位置，以便用户接收使用。
1.3地面监控部分
地面监控部分负责监控全球定位系统的工作，包括主控站（1个）、监控站（5个）和注入站（3个）。其主要作用是调整卫星的运行轨道，监控每个卫星的使用状况，统一卫星的时间，收集有关信息并对其处理等。
1.4用户部分
用户部分包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。GPS接收机是用户部分的核心，一般由传感器（包括主机、天线和前置放大器）、控制器和电源3部分组成。其主要功能是跟踪接收GPS卫星发射的信号并进行变换、放大和处理，以便测量出GPS卫星信号从卫星到接收机天线的传播时间；解释导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS接收机的基本类型分导航型、授时型和大地型。大地型接收机的类型分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型，而双频型接收机又有C/A码相关和C/A码、尸码相关两种。
在精密定位测量工作中，一般采用大地型双频接收机或单频接收机。单频接收机适用于10km左右或更短距离的精密定位测量，其相对精度能达到（5mm+1ppmD），D为基线长度。而D为基线长度。而双频接收机由于能同时接收卫星发射的两种频率（L1，L2）的载波信号，故可进行长距离的精密定位测量，其相对精度可优于（5mm+1ppmD），双频接收机已成为广泛应用的主流机型。
1.5GPS观测数据处理
GPS数据预处理是对原始观测数据进行编辑、加工与整理、分流出各种专用的信息文件，为进一步的平差计算做准备。从原始记录中，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等，然后进行观测数据的平滑、滤波、周跳探测、载波相位观测值的修复以及对观测值进行各项必要的改正。观测成果的外业检核是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节。所以当观测结束后，必须在测区及时对外业的观测数据质量进行检核和评价，以便及时发现不合格的数据，并根据情况采取淘汰或重测、补测措施。同步观测数据的检核，主要指观测数据的剔除和观测值的残差之差。应用GPS技术进行土地利用调查控制测量，首先应对原始观测数据进行预处理，解算出各基线向量，然后再对同步观测数据进行检核、重复边的检核以及环闭合差的检核，并且3种检核应满足现行GPS测量规范的精度指标要求。观测数据预处理完毕之后，根据预处理所获得的标准化数据文件，便可以观测数据的平差计算。以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差作为观测信息，以一个点的WGS-84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的三维无约束平差。
2、GPS技术在地形测绘中的运用
2.1技术指标
选用Timble系列双频GPS接收机进行观测，接收机标称精度为5mm±1×10-6mm。
2.2外业观测方法
用6台GPS接收机进行同步观测，GPS网外业观测由西向东以边连接方式构网观测。接收机的天线利用脚架安置在标志中心的垂线方向上，用测前经过检验、校正的光学对点器進行对中、整平，中误差小于3mm。天线量高使用特制的测高尺，测前测后各量1次，取位至0.001m，取其中数分别记录到外业记录手簿上。观测完后构成GPS基线向量网，网中几何图形基本是三角形，各测站数据剔除率小于10%，外业观测数据良好。
2.3内业解算
2.3.1数据处理
外业数据处理使用美国Trimble公司出版的TGO116商业软件包。外业当天的数据采集后即传输到计算机，并将外业记录的天线高度输入计算机，然后使用多基线批处理程序进行自动数据处理，同时这也是对外业数据质量的检验。
根据计算机自动处理后输出的基线质量摘要，检查基线方差比、中误差、周跳数和测站数据剔除率等。GPS网观测采用边连接方式，基线长度一般都小于10km，使用L1频率采集的数据自动处理后，基线质量都在限差的1/2以内。
2.3.2 闭合环检验
由若干个独立观测边组成的闭合环在网中数量较多，为了检查控制网的精度情况，统计出环闭合差大小，反映GPS网内部结构强度，在闭合环检验时，只进行了三节点闭合环检验，GPS网中每条边至少被检查过1次。GPS网中被检验闭合环95个，均通过了闭合环检验。
2.3.3 GPS网平差
（1）GPS网无约束平差（WGS-84系）。网平差计算使用TGO116软件包。网平差前对解算出的基线进行了选择，选出基线质量好的组成GPS平差网。程序使用GPS自由网的重心（即网中各点的平均坐标）来控制整个网的平移和旋转，用内部约束以满足网中方位角和尺度的约束条件。
GPS网在WGS-84系中无约束平差表明，本次施测的GPS网内符合精度较好（详见GPS网无约束平差资料）。
（2）GPS网二维约束平差（北京1954坐标系）。GPS网共联测了3个已知点（Ⅲ等）、（Ⅱ等）、（Ⅱ等）。平差前对联测的已知点的精度进行了检查，固定黄岭和九龙山2个点，检查摩天岭，和已知坐标比较，结果如下：d△x=﹣0.116，d△y=-0.016m。
从检查结果可以看出，3个点之间精度较为一致。最后决定用这3个已知点作为此次GPS网约束平差的起算点，固定3个起算点的平面坐标约束平差后，GPS网在北京1954坐标系中的参考因子为1.00，自由度为167，平差收敛。
基线边长相对精度高于《城市测量规范》所要求1/80000；基线方位中误差小于5城市测量规范6要求的±2.5d″。
2.3.4图根控制
在首级控制完成后，由于时间紧，任务量大，按照常规方法进行图根布控已不现实，故决定利用GPS-RTK技术进行图根布控。RTK技术具有自动记录数据、精度高、应用广泛等特点。利用RTK技术，在短短10余天完成对60km2范围的图根布控，共布控图根点392个。测量结束时，甲方对图根控制进行验收，最弱点位误差≤5cm，最弱边相对中误差≤1/4000，符合《全球定位系统（GPS）测量规范》要求。
结束语
GPS系统已广泛应用于大地测量、工程测量，并已开始应用于航空摄影测量和地形地籍测量各方面。特别是在地形地籍测量方面，RTK技术（实时动态定位技术）的出现，产生了GPS全站仪。这样，利用GPS全站仪进行数字地形测量的数据采集，将变成地形测量数据采集的常用手段之一。
参考文献
[1]潘建华.测绘新技术在工程测量中的应用[J].科海故事博览.科技探索，2012
[2]徐绍铨，张华海等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2011