【摘 要】本文对GPS技术研究的背景进行了叙述，对GPS的工作原理进行了阐述，对GPS测量的优缺点进行了分析，并对GPS技术在工程测量中的具体应用展开了阐述，并对GPS测量技术日后的开发应用前景进行了展望。
【关键词】GPS技术；工程测量；应用；研究
Study on GPS Technology and Application of in Engineering Survey
DENG Shao-yun
（Xinjiang Vocational and Technical Application College， Kuitun Xinjiang 833200，China）
【Abstract】The authors study the background of GPS technology has been described， the GPS works are described on the advantages and disadvantages of GPS measurements were analyzed， and the GPS technology in engineering survey carried out elaborate specific application， and GPS measurements the development and application of technology in the future prospected.
【Key words】GPS technology；Engineering survey；Application；Study
0 引言
借助分布在空中的多个GPS卫星确定地面点位置，这种新型的定位系统称为全球定位系统（GPS，是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System的简称）。GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座，地面测控部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接受机。其以全天候、高精度、定位速度快、布点灵活和操作方便等特点而广泛应用于测绘、工程建设、安全监督、物流、军事、导航及其相关学科领域。目前，测量学中经典平面控制测量正在逐步被GPS测量技术所代替。
1 研究背景
随着我国社会的进步，经济的发展，工程规模的增大，工程测量的工作量越来越大，这就要求人们加快工程测量的进度、速度，同时工程规模的增大和重要性的突显，要求工程质量的提高，这就要求工程测量速度加快的同时要确保工程测量的质量。传统的光学水准仪和光学经纬仪测量的速度及精度有限，这就促使电子水准仪和电子经纬仪的产生和应用，而电子水准仪和电子经纬仪的测量速度还是有限，精度也不是很高，全站仪的产生将电子水准仪和电子经纬仪合二为一，大大地提升了测量的工作速度和效率。但全站仪的测量工作还是得有个人手持反光镜对光反射以求全站仪感应测算，工作效率应测量者的业务水平的精深程度而制约，测量速度和效率还是对于庞大的工程规模和快马加鞭的工程进度要求和质量要求日趋严格的时代要求还是有距离。
传统常规的工程测量具有如下缺陷：1）测量规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定。2）工程建设地域所能搜索到的测量控制的起算点间一般很难得到保证为同一测量系统。3）国家大地点破坏严重影响测量作业。4）地面通视困难往往影响工程测量的实施。
在这样的一个时代背景下，GPS突显其能，在工程测量中大显手脚，被日益广泛地应用于工程测量和工程建设过程中。
2 GPS测量的工作原理[1]
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，就是在需要定位的位置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获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。
从而用距离交会的方法求得p点的三维坐标（xp，yp，zp），其数学式为：
sap2=xp-xa2+yp-ya2+zp-za2sap2=xp-xb2+yp-yb2+zp-zb2sap2=xp-xc2+yp-yc2+zp-zc2（1）
式（1）中（xa，ya，za）、（xb，yb，zb）、（xc，yc，zc）分别为卫星 a， b， c在ti时刻的空间直角坐标。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，在工程控制测量中常用地固坐标系统。实际工程测量实践中，我们需要根据坐标系统间的转换关系来进行坐标系统的变换，以求出实际使用的坐标系统中的坐标。如此才能更有利于表达工程地面控制点的位置和处理工程观测数据，只有这样才能更好地将GPS测量仪器应用于工程测量实践中。
3 GPS测量的优势[2]
GPS测量是现代测量技术极大提升，是种高科技产物，是通讯遥感技术和测量技术的高度结合。GPS测量的优势在于：其定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，此外其测量的速度之快惊人。
原先刚开发研制出来的恶GPS定位基本上只有一个作业模式———静态相对定位，其速度和精度均为有限。后期随着科学技术的发展，快速静态定位方法和方式大大提高了GPS测量的劳动生产率。测量精度和速度的要求，促使各种GPS测量仪器推陈出新，GPS全站仪（有的称之为RTK﹤实时动态测量﹥，有的称之为RTK GPS）也研制并生产和应用于工程测量实践中。GPS测量理论与设备的不断发展，使得GPS测量技术日趋成熟，GPS测量功能更加完善，GPS测量应用面更广，并且GPS测量设备越来越小型化、价格低廉化、操作简便化，携带便携化。使GPS测量更加朝着实用化和自动化和高效化方向发展。近年来，随着GPS定位技术的出现和不断发展与完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。原先以测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替，从而使得工程测量更加精准、高效、快速和方便与实用及自动等等。
对照于其他传统工程测量仪器和测量方法，GPS测量具有如下绝对的技术优势：1）可以全天候作业，在任何时候、任何气候、任何场合下都能不间断地进行工程测量作业。2）测站之间无需通视，测站之间可以是高山阻隔、可以是大江大海阻断，只要是测量上空开阔便于信号的接收，则不会影响工程测量的进行和精度。3）定位的精度极高。一般双频GPS接收机基线解精度为5 mm+1×10-6D，而红外仪标称精度为5 mm+5×10-6D，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出，其测量精度相对于传统光学仪器测量则精度可谓极高。4）观测时间短，速度极快。采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40 min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。时间短，则速度极快，效率极高。5）直接提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。6）携带便利，操作简便。GPS工程测量仪器，越来越先进，越来越小型化，越来越便于携带，其测量的自动化程度越来越高、操作越来越简便，越来越智能化，并自动记录存储有关测量成果，甚至处理相关数据。
1）采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强。
2）GPS方格网点位精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。
3）采用点位中误差作为方格网测量精度指标是可行的，它比用相对中误差表示精度指标更为合理。
4）采用GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。网形优化比较方便。
5）采用GPS-RTK测设建筑方格网与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。一个参考站可有多台流动站作业，流动站不需基准站指挥，单人即可独立作业。
4 GPS技术在工程测量中的具体应用
在工程建设过程中，GPS技术因其优势迅速得到推广利用，具体在水利工程、海洋工程、治河工程和铁道工程建设，地质勘测、石油勘探、高速公路建设、通信线路铺设、地下铁路修建、隧道贯通建设、房屋建筑工程施工、建筑变形观测、大坝监测、山体滑坡观测、地震的形变监测、海岛或海域测量等等都广泛使用GPS测量仪器进行测试。
原先，美国政府在GPS的最初设计中，计划向社会提供两种服务：精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。精密定位服务的主要对象是美国军事部门和其他特许民用部门。使用C/A码和双频P码，以消除电离层效应的影响，使预期定位精度达到10m。标准定位服务的主要对象是广大的民间用户。它只使用结构简单、成本低廉的C/A码单频接收机，预期定位精度只达到100m左右。但是，在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得只利用C/A码进行定位的GPS精度达到14m，利用P码的PPS的精度达到3m，远远优于预期定位精度。美国政府考虑到自身的安全，于1991年7月在BlockⅡ卫星上实施SA和AS政策。其目的是降低GPS的定位精度。
SA（Selective Avaibility）政策称为有选择可用性，使测量的GPS定位精度降低到原先估计的误差水平；AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子欺骗政策，目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行P码和C/A码码相位测量的联合求解。随着科学技术的发展，为克服SA政策的影响，发展了差分GPS技术，根据差分GPS定位原理，现已建立和发展以下类型的差分系统[3]。
1）区域差分GPS系统。利用两台GPS接收机（一台具有基准站功能）就可构成差分GPS定位系统。目前应用最广的技术是伪距差分和相位平滑伪距差分，定位精度提高到±1.5m，一般作用范围为40km。这一技术已经成为差分GPS的最主要的技术手段。为了提高定位精度和保持伪距差分的可靠性，出现了准载波相位差分GPS，定位精度可达到50cm，成为1：500大比例尺水深测图、疏浚、抛石等工程的有力手段。
2）RBN/DGPS。这是交通部在我国沿海区域建立的无线电指向标/差分全球定位系统。整个系统由均匀分布在沿海的21个台站组成，为我国沿海提供差分GPS的24h服务，使用户在300km海域内接收差分信号，得到5-10m的定位精度。用户只要拥有一台信标GPS接收机，就可利用这一免费信号资源，进行实时差分定位。此技术正在得到大力推广。
3）广域差分GPS系统。它是利用分布在全世界或全国各地的基准站对GPS进行连续观测，从而计算出卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层改正数。利用专用大功率电台或专用卫星将这些改正数发送给用户。用户利用这些改正数对测得的观测量进行修正，最后计算出点位坐标，精度可达到1m。这样的差分方式定位精度不受距离限制。目前，用户只要拥有一台广域差分GPS接收机就可接收香港上空Omistar卫星的广域差分信号进行精密定位，但属付费应用。
目前，美国AS技术得到解除，以方便各GPS用户。从而，单点定位精度得到不断提高，GPS技术在导航、运载工具等高尖端技术方面实时监控、石油物探点定位、地质勘查剖面测量、碎部点的测绘与放样等领域将有更为广泛的应用前景。
工程测量中的GPS技术的应用最为得力的是GPS—RTK技术（实时全球动态定位系统技术），其由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置1台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随时校正坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。
GPS—RTK技术具有良好的特性：1）实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）；2）彻底摆脱了由于粗差造成的返工，提高了GPS作业效率；3）作业效率高，每个放样点只需要停留2～4 s，其精度和效率是常规测量所无法比拟的；4）应用范围广，可以涵盖公路测量（包括平、纵、横），施工放样、监理、竣工测量，养护测量，建筑物变形测量，GIS（地理信息系统）前端数据采集诸多方面。
5 存在的问题与展望
由于传统工程测量的速度较慢、准确度不理想，工程建设的效率不高；而GPS测量技术所具有的优点和特色正好填补传统工程测量的缺陷，加之，社会的进步和科技的发达，经济建设的突飞猛进，民生建设的重视，促使GPS测量技术在工程测量中的应用日益广泛和常用化。GPS测量技术有利于工程建设的质量和效率。但在工程建设的测量过程中，对GPS测量技术不断地提出更高的要求和指望。从而GPS测量技术的一些不足之处得到了指出。
1）测量地域不空旷造成信号接收出现干扰现象，从而信息不准，造成测量一定的误差，甚至导致信号的非线性传播与影响，计算时引入一定的误差。
2）GPS—RTK测量技术的实施过程中，必须先符合起算基准点的精度，该起算点应该为高等级的控制点，且起算基准点和观测点之间具有较好的位置关系，进行观测时，基准点的精度要经过若干个高等级控制点的连续测算、复核，要求基准点的坐标在各个方位观测情况下具有一直的精度，这个要求较高，工作量很大。
3）在进行小型工程测量过程中，由于区域范围很小，GPS测量技术的优势得不到体现，最终还是要用传统测量方法和常规测量仪器进行联测，如此一来，增大工程测量的工作量。
4）GPS测量过程中，所选择的控制点位置的差异也会直接影响到观测点位的精度。
5）GPS测量技术宜应用于工程区域视野开阔、障碍物较少的工程建设场合、野外勘探定位等，公路选线、石油管道线路的测设等等，但对于小区域的房建工程或隧道工程、地下工程等等，其优越性一点都发挥不出来，反到效率和准确度远低于常规工程测量仪器测量。
6）GPS测量成果与常规测量成果之间，不同型号GPS测量成果之间存在差异，有时相差比较大。这些差异很难消除，且将给工程建设带来很大的麻烦。
7）目前，GPS运用的规范标准还不够完善，还没有统一的地理信息标准，制造商大多使用自我开发的电子地图，这些电子地图一般相互不兼容，从而影响测量成果共享和交流等等。
综上所述，在工程测量领域中，由于GPS定位技术自身独特而强大的功能，充分显示了它在该领域实际测量工作中比常规控制测量具有更大的优越性和适应性，同时也存在一些不足，还有待于进一步研究改善来适应实际测量工作。随着该技术的飞速发展和普及，以及相关技术的应用，GPS定位技术将在城市建设及工程测量中得到更加广泛的应用。
【参考文献】
[1]王龙祥，魏仁国.建筑工程测量与实训[M].天津科学技术出版社，2013.
[2]张友银.浅谈GPS测量技术及其在工程测量运用中的特点[J].中国民居，2013（9）：307-308.
[3]王永新.GPS测量技术及其在公路施工中的应用[J].中国科技信息，2012 （9）：80-82.
[责任编辑：薛俊歌]