GPS在城市测绘工程中的应用

2012-03-23刘洪同张效忠

城市建设理论研究 2012年4期

刘洪同张效忠

摘要：讲述了GPS的工作原理和方法，重点论述了GPS在工程测量中得应用优势，以及测量过程中注意事项。

关键词: RTK GPS, 原理, 工程应用

Abstract: the work principle of GPS tells the story and methods, discusses the GPS in the engineering measure of application advantages, and measurement process matters.

Keywords: RTK GPS, principle, the engineering application

中图分类号: TU198. 1文献标识码: A文章编号：

1 GPS测量概述

全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System），简称GPS。GPS系统的组成：作为全球性，全天候，高精度测量的一种新型方式，GPS测量方法，已目前被广大用户所接受。

最早在1973年，美国国防部就开始批准三军共同研发一种新型军用导航系统，我们就称之为GPS全球卫星定位系统，1978年2月发射第一颗试验卫星，从1989年2月到1993年，发射了24颗卫星，构建了GPS卫星工作星座的基本，GPS卫星运行高度在20200公里，分部在6个轨道面上，每个轨道4个，其中有21颗工作卫星，和3颗备用活动卫星的结构，卫星编号从0到31，并随着卫星寿命的到期，会发射陆续的替代卫星，以维持GPS卫星星座的稳定。

2 GPS测量原理

GPS定位是通过测定每一个可见卫星的离地距离后用后方交会法的，而卫星离地面的距离则通过载波上的C/A码或相位来测定。从卫星的信息码发射到被GPS天线接收，二者间存在着时间差，对这一时间差的纪录，使得测量成为可能，测量出来的时间乘以光速，就可以得出卫星天线到地面的距离。测量型GPS接收机可通过载波相位测出很精确的卫星天线到地面接收机天线的距离，每一个卫星发射到接收天线上的整波数量加上相位小数，就可测出卫星离地距离。（L1L2波长是已知的）卫星与接收天线之间的载波的整数叫做整周模糊度。对厘米级精度的后处理测量而言，整周数在进行后处理时得出，对厘米级精度的实时测量而言，整周数在初始化时即可得出。GPS测量至少需要两台GPS接收机同时接收4颗以上卫星。以使用两台接收机进行，一台基站一台流动站。基站设在一个已知点上，流动站则设在要测或要放样的点上，这两台接收机上的载波相位数据经过接收机板内嵌软件解算后，得到基站和流动站之间的三维向量。可以用不同的观测技术来测出流动站相对于基站的位置，根据解决方案，按时间不同对观测技术进行分类。实时技术在测量期间使用无线电电台把基站的观测信息传给流动站，测量结束，成果也得出。后处理技术则要进行数据存储及在测量结束后，在办公室用基线解算软件处理后才能得出成果。通常，观测技术的选择取决于诸如接收机规格、精度要求、时间限制以及是否需要实时成果等众多的因素。

3 GPS测量方法

（1）动态及差分技术适合于实时或后处理测量，快速静态技术仅适合于后处理测量。实时动态（RTK）实时动态测量一般用5个或更多卫星到基站和流动站的相位进行测量。为得到厘米级的测量精度，测量前必须进行初始化。若使用单频接收机，早期准动态需把流动站设在已知点上建立一条人工已知基线进行测量初始化，现在的单频RTK也可以自主初始化，只是相比双频RTK来讲初始化时间比较长，且容易失锁。若使用双频机作动态测量（称RTK），可以大大缩短初始化时间，而且可以在运动中初始化（称OTF，即On the fly）。测量中，若接收到的卫星数目减少到4颗以下，则当卫星数重新升至4颗或更多的时候，需进行重新初始化。

（2）影响RTK作业的因素

RTK的作业需要避免一些不利因素的影响，而造成这些影响的主要原因是源于整个GPS系统的局限性。GPS依靠的是接收从地面以上约两万公里的卫星发射来的无线电信号。相对而言，这些信号频率高，功率低，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不利的影响。有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。因此，GPS不能在室内使用。同样原因，GPS也不能在隧道内或水下使用。有些物体如树木会部分阻挡，反射或折射信号。GPS信号的接收在树林茂密的地区会很差。树林中有时会有足够的信号来计算概略位置，但信号清晰度难以达到厘米水平的精确定位。因此，GPS在林区做也有一定的局限性。但并不意味着GPS只能用于四周相对开阔的地区。GPS测量在部分障碍的地区也可以是有效而精确的。这是因为GPS要实现精确可靠的定位必需5颗适当分布的卫星，而一般情况下在任何时间，任何地区都可能会有7到10颗GPS卫星。有障碍物的地点只要可以观测到至少5颗卫星，就有可能进行GPS测量。在树林或大楼四周作测量时，只要该地留有足够的开放空间，使GPS系统可观测到至少5颗卫星，GPS测量就能完成。

（3）RTK作业注意事项

考虑到以上因素在基准站架设时应当选择较好的已知点点位，用户注意使观测站位置具有以下条件：

①在10度截止高度角以上的空间部应有障碍物。

②邻近不应有强电磁辐射源，比如电视发射塔、雷达电视，手机信号发射

天线等，以免对RTK电信号造成干扰，其距离不得小于200m；

③基准站做好选在地势相对高的地方以利于電台的作用距离。

④地面稳固，易于点的保存。

4GPS在工程测量中的优势

RTK在地形测图中除了具有GPS全天侯、不受通视条件限制等优点外，与传统的测图方法相比还有以下优点：

（1）不需建立图根控制，可节省大量的时间、人力和财力。

（2）有RTK测图，人员少、速度快、效率高。传统的测图方法需要4-5天才能进行作业，而RTK流动站只需1人最多2人即可进行，如果几个流动站同时作业，则可大大加快测图进度，提高工作效率。

（3）精度高。用RTK测图其点位误差不积累、不传播，测图精度相当于传统测图法的图根点精度。