论文部分内容阅读
摘要：GPS 全球定位系统是美国研制并在 1994 年投入使用的卫星导航与定位系统，其应用技术已遍及国民经济的各个领域。本文作者根据自己多年的工作经验分析了自己在专业工作中的总结。
关键词：GPS 定位系统；水利工程测量；
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
1 GPS 系统的组成、工作原理以及在测量领域的应用特点
1.1 GPS 系统的组成
GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
（1） 空间卫星群。GPS 空间卫星群由 24 颗高约 20 万km 的 GPS 卫星群组成，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60°，轨道和地球赤道的倾角为 55°，卫星的轨道运行周期为 11 h58 min，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收 4～11 颗 GPS 卫星发送出的信号。
（2） GPS 的地面控制系统。GPS 的地面控制系统包括1个主控站、2 个注入站和 5 个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等；监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态；注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
（3） GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机、气象仪器等）组成，其作用是接收GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
1.2 GPS 工作原理
GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机，在某一时刻同时接收了 3 颗（A、B、C）以上的 GPS 卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可以求得该时刻 GPS 接收机至 GPS 卫星的距离 SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可以获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中得到了广泛应用。
1.3 GPS 测量的技术重点
（1） 定位精度较高。一般在双频 GPS 接收机基线解精度为5 mm+1 ppm，而红外仪标称精度为 5 mm+5 ppm，GPS 测量精度与红外仪相同，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。很多的应用实践证明，GPS 相对定位精度在 50 km以内可达 10-6，100～500 km 可达 10-7，1 000 km 以上可达10-9，在 300～1 500 m 工程精密定位中，1 h 以上观测的解算，其平面位置误差小于 1 mm。基线边长越长越能突显出定位精度高的优势。
（2） 观测时间较短。始于 GPS 系统的不断完善，软件不断更新，目前 20 km 以内相对静态定位，仅需 15～20 min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 15 km以内时，流动站只需观测 1～2 min，动态相对定位测量时，流动站出发时观测 1～2 min，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
（3） 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收 GPS 卫星信号不受干扰。
（4） 可提供三维坐标。经典大地测量将平面与高程采用不同方法施测，而 GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标，目前 GPS 水准可达到四等水准测量的精度。
（5） 操作简便。GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS接收机已趋小型化和操作“傻瓜化”，观测人员只需将天线对中、整平，量取天線高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即可求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
（6） 全天候作业。使用 GPS 测量，不受时间、地点、环境的限制，24 小时都可以工作，也不受起雾、刮风、下雨、下雪等气候条件的影响。
（7） 功能多、用途广。GPS 系统不仅可用于测量，还可用于测速、测时等。测速精度可达 0.1 m/s，测时精度可达几十毫秒。随着人们对 GPS 系统的不断开发，其应用领域正在不断地扩大。
2 GPS 在水利测量工程施工中的重点
水利工程是国家的经济命脉,提高其工作效率、保障其安全运营是头等大事。但是水利工程规模大、施工难度大、运营管理困难，GPS 技术不仅可以为水利工程的兴建提供及时准确的测量数据和信息，而且也为运营中的水利建筑物的适时安全监测提供了可能性，全球定位技术在水利工程的建设和管理中得到广泛的应用。
（1） 平面控制测量。淘汰了常规的导线测量的控制方式，根据工程的实际需要，进行 GPS 静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术（简称 RTK）控制网测量和部分碎部测量。其基本优点首先是高精度，现实实践证明，GPS 相对定位精度在 50 km 以内可达 10～6 ppm。在 300～1 500 m 工程精密定位中，1 h 以上观测的解其平面位置误差小于 1 mm；其次观测时间短，20 km 以内相对静态定位，仅需 15～20min，应用 RTK 测量时，当每个流动站与基准站相距在 15km 以内时，流动站观测时间每站观测仅需几秒钟。
（2） 放样测量。在水利工程测量过程中，采取 RTK 点放样和线路放样，进行点放样时，首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到 GPS 流动站中，然后根据所放点标识进行实地放样，放样精度可以控制在 5 cm 以内；进行线路放样时首先在室内根据线路中心线的弯道元素编制线路中心线文件，将该文件和坐标转换参数上传到 CPS流动站接收机，在实地依桩号和所放点与中心线的关系进行现场放样。
（3） 航空摄影测量外业像控。在水利工程中，测区通常都是条带狭长型，线路一般较长，而且测区树林茂密，通视条件差，而像控点布设一般较为分散，像控点间距离较远，采用传统的控制测量模式不仅耗时费力，而且也很难保证成果精度质量和工期的进度，而采用 GPS 就很容易解决以上问题，在较短的时间内即可完成外业像控点的采集工作。
（4） 高程测量。GPS 测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求 GPS 观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比
较均匀。利用高精度 GPS 定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。经过实践证明，采用静态定位方法测出的大地高差误差 Δh/D 可达到 3～4 ppm，当距离小于 20 km 时，可达到厘米级精度；引入高级水准点，进行高程转换后。在平原和丘陵地中误差可达到±5 cm，山区也可以达到±15 cm，可以完全代替四等水准。
3 结语
在水利测量工程中应用 GPS 卫星定位技术进行测量定位，取得了很好效果。同时，减轻了劳动强度，提高了企业经济效益，增强了企业的竞争力。随着 21 世纪 GPS 新型卫星自身性能的显著增强，及我国自行研制的“北斗”卫星导航定位系统的卫星发射入轨运行；导航定位处理软件的逐步完善，及 GPS 定位技术的提高，将直接为动态用户提供更高精度的实时定位。今后，GPS 技术在更多领域中将得到更加广泛的应用。
关键词：GPS 定位系统；水利工程测量；
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
1 GPS 系统的组成、工作原理以及在测量领域的应用特点
1.1 GPS 系统的组成
GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
（1） 空间卫星群。GPS 空间卫星群由 24 颗高约 20 万km 的 GPS 卫星群组成，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60°，轨道和地球赤道的倾角为 55°，卫星的轨道运行周期为 11 h58 min，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收 4～11 颗 GPS 卫星发送出的信号。
（2） GPS 的地面控制系统。GPS 的地面控制系统包括1个主控站、2 个注入站和 5 个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等；监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态；注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
（3） GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机、气象仪器等）组成，其作用是接收GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
1.2 GPS 工作原理
GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机，在某一时刻同时接收了 3 颗（A、B、C）以上的 GPS 卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可以求得该时刻 GPS 接收机至 GPS 卫星的距离 SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可以获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中得到了广泛应用。
1.3 GPS 测量的技术重点
（1） 定位精度较高。一般在双频 GPS 接收机基线解精度为5 mm+1 ppm，而红外仪标称精度为 5 mm+5 ppm，GPS 测量精度与红外仪相同，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。很多的应用实践证明，GPS 相对定位精度在 50 km以内可达 10-6，100～500 km 可达 10-7，1 000 km 以上可达10-9，在 300～1 500 m 工程精密定位中，1 h 以上观测的解算，其平面位置误差小于 1 mm。基线边长越长越能突显出定位精度高的优势。
（2） 观测时间较短。始于 GPS 系统的不断完善，软件不断更新，目前 20 km 以内相对静态定位，仅需 15～20 min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 15 km以内时，流动站只需观测 1～2 min，动态相对定位测量时，流动站出发时观测 1～2 min，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
（3） 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收 GPS 卫星信号不受干扰。
（4） 可提供三维坐标。经典大地测量将平面与高程采用不同方法施测，而 GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标，目前 GPS 水准可达到四等水准测量的精度。
（5） 操作简便。GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS接收机已趋小型化和操作“傻瓜化”，观测人员只需将天线对中、整平，量取天線高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即可求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
（6） 全天候作业。使用 GPS 测量，不受时间、地点、环境的限制，24 小时都可以工作，也不受起雾、刮风、下雨、下雪等气候条件的影响。
（7） 功能多、用途广。GPS 系统不仅可用于测量，还可用于测速、测时等。测速精度可达 0.1 m/s，测时精度可达几十毫秒。随着人们对 GPS 系统的不断开发，其应用领域正在不断地扩大。
2 GPS 在水利测量工程施工中的重点
水利工程是国家的经济命脉,提高其工作效率、保障其安全运营是头等大事。但是水利工程规模大、施工难度大、运营管理困难，GPS 技术不仅可以为水利工程的兴建提供及时准确的测量数据和信息，而且也为运营中的水利建筑物的适时安全监测提供了可能性，全球定位技术在水利工程的建设和管理中得到广泛的应用。
（1） 平面控制测量。淘汰了常规的导线测量的控制方式，根据工程的实际需要，进行 GPS 静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术（简称 RTK）控制网测量和部分碎部测量。其基本优点首先是高精度，现实实践证明，GPS 相对定位精度在 50 km 以内可达 10～6 ppm。在 300～1 500 m 工程精密定位中，1 h 以上观测的解其平面位置误差小于 1 mm；其次观测时间短，20 km 以内相对静态定位，仅需 15～20min，应用 RTK 测量时，当每个流动站与基准站相距在 15km 以内时，流动站观测时间每站观测仅需几秒钟。
（2） 放样测量。在水利工程测量过程中，采取 RTK 点放样和线路放样，进行点放样时，首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到 GPS 流动站中，然后根据所放点标识进行实地放样，放样精度可以控制在 5 cm 以内；进行线路放样时首先在室内根据线路中心线的弯道元素编制线路中心线文件，将该文件和坐标转换参数上传到 CPS流动站接收机，在实地依桩号和所放点与中心线的关系进行现场放样。
（3） 航空摄影测量外业像控。在水利工程中，测区通常都是条带狭长型，线路一般较长，而且测区树林茂密，通视条件差，而像控点布设一般较为分散，像控点间距离较远，采用传统的控制测量模式不仅耗时费力，而且也很难保证成果精度质量和工期的进度，而采用 GPS 就很容易解决以上问题，在较短的时间内即可完成外业像控点的采集工作。
（4） 高程测量。GPS 测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求 GPS 观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比
较均匀。利用高精度 GPS 定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。经过实践证明，采用静态定位方法测出的大地高差误差 Δh/D 可达到 3～4 ppm，当距离小于 20 km 时，可达到厘米级精度；引入高级水准点，进行高程转换后。在平原和丘陵地中误差可达到±5 cm，山区也可以达到±15 cm，可以完全代替四等水准。
3 结语
在水利测量工程中应用 GPS 卫星定位技术进行测量定位，取得了很好效果。同时，减轻了劳动强度，提高了企业经济效益，增强了企业的竞争力。随着 21 世纪 GPS 新型卫星自身性能的显著增强，及我国自行研制的“北斗”卫星导航定位系统的卫星发射入轨运行；导航定位处理软件的逐步完善，及 GPS 定位技术的提高，将直接为动态用户提供更高精度的实时定位。今后，GPS 技术在更多领域中将得到更加广泛的应用。