GPS定位技術(shù)在工程測量中的優(yōu)劣勢分析

在測繪領(lǐng)域，隨著全站儀的推廣普及，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測距儀逐漸被取代。近年來，隨著GPS測量技術(shù)的發(fā)展，工程測量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測量通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求定測量點(diǎn)的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。現(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測量、航空攝影測量、工程變形測量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

　　GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

　　1、GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為2O 200 km，運(yùn)行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

　　2、GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。

　　3、GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對信號進(jìn)行交換、放大和處理，再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心(測站點(diǎn))的三維坐標(biāo)。

　　從工程測量的實(shí)施應(yīng)用中，我們可以充分看到GPS測量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

　　1、采用GPS技術(shù)測設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡單，點(diǎn)的疏密和邊的長短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外，它解決了點(diǎn)位之間無法通視的困難，選點(diǎn)靈活，不需要高標(biāo)，同時(shí)還可以保證外業(yè)施測不受天氣影響。測設(shè)大型(長邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí)，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測量時(shí)不受到通視條件的限制，但是，工程測量一般為小范圍測量并受到工程成本的限制。因此，在實(shí)際的工程測量中，仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會(huì)給測量工作帶來較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中，如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視，勢必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度，進(jìn)而影響到橋梁本身的精度。因此，在工程測量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。

　　2、GPS方格網(wǎng)點(diǎn)位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲備。

　　3、采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。

　　4、采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。

　　5、采用GPS-RTK測設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。一個(gè)參考站可有多臺流動(dòng)站作業(yè)，流動(dòng)站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。

　　GPS技術(shù)以其獨(dú)特而強(qiáng)大的功能與優(yōu)點(diǎn)充分顯示了它在該領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)越性，以及更大、更廣闊的發(fā)展空間。但在該領(lǐng)域?qū)嶋H施工過程中和后續(xù)工程的建設(shè)和監(jiān)測中也暴露出了一些不足。

　　1、GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算，按照固定模式：距離=速度×時(shí)間，時(shí)間確定之 后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態(tài)，信號要受到電離層和對流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對此進(jìn)行平均計(jì)算，在某些具體區(qū)域肯定存在誤差;在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對信號的影響，也會(huì)導(dǎo)致信號的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差;

　　2、與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測量一樣，使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，起算點(diǎn)應(yīng)為高等級的控制點(diǎn)，并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測時(shí)，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過3-5個(gè)高等級控制點(diǎn)的連測、復(fù)核，確保基準(zhǔn)站坐標(biāo)在各個(gè)方位觀測情況下具有一致的精度。

　　3、大量的工程實(shí)例證明，雖然GPS高程測量能夠達(dá)到一定的精度，但用GPS施測的市政工程測量控制點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步用常規(guī)儀器進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，保證高程精度滿足市政工程建設(shè)的需要。

　　4、GPS測量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測點(diǎn)位的精度。由于GPS測量是通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號接收的因素出現(xiàn)干擾時(shí)，所測定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測量點(diǎn)位時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)點(diǎn)位視野開闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物。(2)盡量遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，間距應(yīng)不小于400 m，遠(yuǎn)離高壓輸電線路，間距應(yīng)不小于200 m。(3)遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積的水域。

　　5、GPS測量更適用于視野開闊、障礙物較少的新區(qū)建設(shè)、野外勘探定位等，在老城區(qū)的建設(shè)中，使用GPS測量，或者接收不到信號，或者雖接收到信號，但一直處于浮動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)假固定或者不能固定，因此所得數(shù)據(jù)往往誤差較大，既無效率，又無精度，不能顯示出GPS測量的優(yōu)越性。

　　6、GPS測量成果與常規(guī)測量成果之間，不同型號GPS測量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，邊長一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正：(1) 歸算至大地水準(zhǔn)面的改正;(2) 歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問題，而三維聯(lián)臺平差模型是一個(gè)多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度，這對于點(diǎn)位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時(shí)，需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測值，這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。

　　7、GPS及其相關(guān)技術(shù)是一門新興起的技術(shù)，其運(yùn)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，目前我國還沒有頒布統(tǒng)一的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)商大多使用自己開發(fā)生產(chǎn)的電子地圖，這些電子地圖一般相互不兼容。另外，產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品市場沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，特別是軟件產(chǎn)品沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范。這還待有關(guān)部門進(jìn)一步研究制定。

　　綜上所述，在工程測量領(lǐng)域中，由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能，充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測量工作中比常規(guī)控制測量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性，同時(shí)也存在一些不足，還有待于進(jìn)一步研究改善來適應(yīng)實(shí)際測量工作。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測量中得到更加廣泛的應(yīng)用。