GPS在工程测量中的应用.docx
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GPS在工程测量中的应用
GPS在工程测量中的应用
1绪论
GPS即全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空
进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
经近10年我国
测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、
运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多
种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[1]。
全球定位系统（Global
PositioningSystem）是美国第二代卫星导航系统。
是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。
和子午仪系统一样，全球定位
系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。
21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨
道面四颗），轨道倾角为55度。
卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站
和一个主控站。
监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。
监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。
主控站设在范登堡空军基地。
它对地面监控部实行全面控制。
主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。
上行注入站也设在范登堡空军基地。
它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。
这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。
随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目
前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
2GPS简介
2.1GPS的构成
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）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20200km,运行周期为11h58min。
卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。
在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。
（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。
（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。
GPS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，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。
2.2GPS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］2］。
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、p2、p3。
根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，丫j，Zj），j=1,2，3,从而由解算出Q点的三维坐标（X，丫，Z）。
2.3GPS测量的特点
相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：
①测量精度高。
GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1x10-6,在大于1000km的基线上可达1X10—&②测站间无需通视。
GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。
③观测时间短。
随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。
④仪器操作简便。
目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，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。
⑤全天候作业。
GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。
⑥提供三维坐标。
GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。
3GPS测量
3.1RTK测量
3.1.1RTK技术的应用
RTK是GPS应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。
RTK技术在
近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。
利用RTK技术进行测量有如下优点：
①具有GPS测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。
②
可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。
以往都是通过后处理来获得厘米级的点位
坐标，实时处理大大提高了作业的效率，并且保证了数据的质量，同时扩大了GPS
应用的领域，比如施工放样等。
③可在运动过程中连续高精度采样。
采用常规的GPS
静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如
果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来
进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停
止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。
如果把RTK用
于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至
于几秒钟内就可完成。
采用RTK时，仅需一人使用仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅
需一人操作，且不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可
以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等。
3.1.2RTK技术的基本原理
RTK技术，即GPS实时相位差分。
RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是测量技术与数据传输相结合而构成的测量系统，一
台接收机固定在已知点上做基准站，其它接收机安置在运动载体上做流动站，同时
观测卫星。
基准站把接收到的所有卫星信息（如基准站的坐标、天线高等）都通过
通讯系统传送到流动站。
流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的
卫星数据。
在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内（一般
是微型计算机），由控制器实时计算出点位坐标并显示出来。
RTK系统实施的技术
关键是快速准确地求解整周模糊度及数据传输技术。
在静态测量中，需观测较长时
间才能解算出整周模糊度，对于实时动态载波相位测量来说，我们利用快速解算模
糊度法（OTF）在较短时间内求出整周模糊度的值，达到快速定位的目的。
数据传
输技术的好坏直接影响观测值的质量，这就要求它有较高的数据传输率和较高的波
特率传输数据，并保持误码率及较短的历元延迟，一般利用VHF或VHF无线电
设备进行数据通讯。
为了获得高精度的实时动态定位结果，还需一系列方法和措施
来保证结果的可靠性。
另一方面，RTK技术所得到的各点位置是属于WGS-84地球协议地心坐标系中的坐标值，而实用的工程项目成果属于某一国家地点的参心坐
标系或者工程项目所建立的工程坐标系如建筑物施工业工作结束后，利用软件对数
据进行测后处理，并成图。
3.2GPS静态定位测量
3.2.1GPS静态定位在测量中的应用
目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种
级别、不同用途的控制网。
GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：
1.测量精度
高GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一
般在~之间，这是普通测量方法很难达到的。
2.选点灵活、不需要造标、费用低GPS测量，不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费
用。
3.全天侯作业在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。
4.观测时间短采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1-2个小时左右，采用快
速静态定位的方法，观测时间更短，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。
3.2.2布设GPS基线向量网的工作步骤
布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。
1.测前工作项目的提出：
一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。
对于一项GPS
测量工程项目，一般有如下一些要求：
测区位置及其范围：
测区的地理位置、范围，
控制网的控制面积。
用途和精度等级：
控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级点位分布及点的数量：
控制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。
提交成果的内容：
用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等。
时限要求：
对
提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限。
投资经费：
对工程的经费投
入数量。
技术设计：
负责GPS测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计。
测绘资料的搜集与整理：
在开始进
行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。
需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图等。
仪器的检验：
对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相
关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。
踏勘、选点埋石：
在
完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏
勘，并进行选点埋石工作。
2.测量实施实地了解测区情况：
由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责GPS测量作业的队伍
到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。
主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。
这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。
卫星状况预报：
根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适
的观测时间段的依据。
所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。
对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。
确定作业方案：
根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一
次下达多天的指令。
作业方案的内容包括作业小组的分组情况，GPS观测的时间段以及测站等。
外业观测：
各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测。
在进行外业观测时，外业观测人员除了
严格按照作业规范、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。
在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。
数据传输与
转储：
在一段外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。
数据传输与转储应根据条件，及时进行。
基线处理与质量评估：
对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。
作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。
重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。
3.测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）：
对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解
算，得出网中各点的坐标成果。
如果需要利用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。
技术总结：
根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结、成果验收。
3.3GPS测量中影响测量精度的误差
在GPS测量中，影响观测精度的主要误差可分为以下三类：
3.3.1与GPS卫星有关的误差
与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差
1.卫星钟差
由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。
在GPS定位
中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。
实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。
这种偏差的总量约在1ms以内。
对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。
经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。
在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。
2•卫星轨道偏差
估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。
应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。
测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。
在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下几种方法：
1）忽略轨道误差
这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。
2）采用轨道改进法处理观测数据
这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。
3）同步观测值求差
这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。
以减弱卫星轨道误差的影响。
由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。
这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。
3.3.2与卫星信号传播有关测误差
与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应
1•电离层折射的影响
GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。
当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。
为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施
（1）利用双频观测
由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观
测。
便能多确定其影响，而对观测量加以修正。
因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。
不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。
在尤其是精密定位测量。
（2）利用电离层模型加以修正
对于单频GPS接收机，为了减弱电记屋的影响，一般是采用导航电文提供的电
离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善
之中，目前模型改正的有效率约为75%。
（3）利用同步观测值求差
这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（v20km），由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。
对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。
2.对流层折射的影响
对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。
干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。
对于干分量的影响，可通
过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。
对于输送短的基线（V50km），湿分量的影响较小。
关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：
（1）定位精度要求不高时，可不考虑其影响。
（2）采用对流层模型进行改正；
（3）采用观测量求差的方法。
与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远（V20km）时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。
3.多路径效应影响
多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点
（相位中心点）位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。
根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。
而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周
跳。
因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。
目前减弱多路径效应影响的措施有：
（1）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。
（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。
（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。
（4）改善GPS接收机的电路设计，了减弱多路径效应的影响。
3.3.3接收设备有关的误差
与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。
1.观测误差
观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。
根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。
故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。
接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。
2•接收机的钟差
尽管GPS接收机咼有咼精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，
但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。
处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此
建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。
3•载波相位观测的整周未知数
载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相
位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。
此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。
从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。
4•天线的相位中心位置偏差
在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。
可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。
所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。
在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。
需要提及的是，安置各观测站的天线时，均奕按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。
4GPS控制网布设
4.1GPS基线向量网的等级
根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了
A、B、C、D、E五个级别。
中国国家A级和B级GPS大地控制网分别由30个点和800个点构成，它们均匀地分布在中国大陆，平均边长相应为650km和150
km。
对A级GPS网来说，水平方向的重复精度好于2X10,垂直方向不低于7-8X10-8;对B级GPS网来说，则分别好于4X0-7和8X0-7。
GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式为：
其中：
：
网中相邻
点间的距离中误差（mm）；a：
固定误差（mm）；b:
比例误差（ppm）；D：
相邻点间的距离（km）。
有下列的精度要求：
对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：
测
量分类ABCDE固定误差a（mm）<5<8<10<10比例误差b（ppm）<0.1<1
<10<2相邻点距离（km）100〜200015〜2505〜402〜151〜10A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。
4.2GPS网的设计准则
4.2.1出发点
GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成
本。
但是，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度、高效率和低成本，而放弃对质量的要求。
4.2.2GPS网布网作业准则
1.选点为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°15高度角以上不能有成片的障碍物；为减少各种电磁波对GPS
卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等；为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对
电磁波信号反射强烈的地形、地物；为便于观测作业和
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