GPS定位测量系统在南水北调工程中的应用

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摘要：本文就gps测量技术的概念及其特点、应用GPS建立控制网的技术特点与布点原则、GPS系统定位测量的基本理论以及GPS定位技术在南水北调工程施工测量中的误差分析及改进措施四个方面对GPS定位测量系统在南水北调工程中的应用进行了简要分析。

关键词：GPS定位测量系统；南水北调工程

中图分类号： TV 文献标识码： A 文章编号：

一、GPS测量技术的概念及其特点

1、GPS即GlobalPositioningSystem，其源于1958年美国军方的一个项目，其原本是为了向军方不对提供实时的导航服务，不过发展到如今已经发展成为了一项极为重要的民用系统。其主要的系统是由空间卫星与地面控制系统共同控制的。

地面控制系统包括主控站一个、注入站三个以及监测站五个，这三方面的作用各有不同，主控站的作用是根据监控站对GPS的观测数据计算出卫星的星历以及卫星钟的改正参数等，并通过注入站将这些数据注入到卫星中去；注入站的作用就在在于把主控站所得出的计算数据导入到卫星中；而监控站的作用是接收卫星信号监测卫星工作状态。在建筑工程测量领域中，作为一种新型测量技术，GPS测量技术由于具有定位速度快以、有效减少基本控制网点的密度及提高工作效率等优势而被广泛应用于建设施工测量中。

2、GPS测量的特点如下：测量精度高，测量控制网一次测定到位，没有误差的传递和积累，在小于50km的基线上，其相对定位精度可以达到1×10-6，在大于1000km的基线上可以达到1×10-3；测站间不需要通视，GPS测量的点位与点数并不是固定的，可以根据测量的需求来定。观测用时较短，运用GPS系统进行测量时所用时间较短，对于动态的定点仅需几秒，对于静态的定点用时也只需要20min左右。仪器的操作十分简便，在观测过程中，测量人员只要对相关的参数进行设定并对中、整平、量取天线高系统便会自动完成测量。用计算机对数据的测定和分析进行处理，以免产生人为误差；全天候连续作业，GPS因其卫星数目多且分布均匀的特点，可以保证能够进行连续观测，且观测不会受到时间、空间的限制，也不会受到天气等其他因素的影响。

二、应用GPS建立控制网的技术特点与布点原则

1、与常规测量方法相比，GPS在布设控制网方面具有的特点

1.1控制点间无需通视

用GPS进行定位，无须保持各控制点之间的通视，只要各站上空开阔。这彻底摆脱了常规大地测量既要求站间通视，又要保持网形的难题，因而选点灵活，经济效益也高。尤其对位于平原地区的南水北调类线型工程，利用GPS定位测量受益颇多。

1.2定位精度高

根据大量的资料表明，GPS定位的相对定位精度相当高。在15km以内，定位精度可达厘米级;而在几十千米到几千千米的基线上，相对定位精度可达10－7～10－8数量级。

1.3观测速度快。目前，用GPS作静态相对定位，观测时间约为1h，精度为5mm+1ppm，而采用快速定位技术，对双频机仅需5min(对单频机，当卫星数大于5h，也只需要15min左右)，即可达到同样的精度5mm+1ppm。

1.4自动化程度高

在实测中，观测人员的主要工作是安装仪器，开关仪器，量仪器高及检测仪器运行情况等，其余一切工作都由GPS接收机完成。

1.5全天候作业

GPS可在任何地点、任何时间连续进行，不受天气影响。

2、GPS网选点原则

由于GPS观测站之间不要求相互通视，所以选点工作较常规测量要简便得多。在选定GPS点点位时，应遵循以下原则：

2.1点位应选在基础稳定，并易于长期保存的地方。

2.2点位应便于安置接收设备和操作，视野开阔，市场内不应有高度角大于15°的成片障碍物，否则应绘制点位环视图。

2.3点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体。点位距大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)的距离不应小于400m;距220kV以上电力线路的距离不应小于50m。

2.4点位应利于勘测放线与施工放样。对于大型桥梁、互通式立交、隧道等建筑物还应考虑加密布设控制网的要求。此外，有时还需要考虑点位附近的通讯设施、电力供应、交通等情况，以便于各点之间的联络和设备用电。在利用旧点时，应检查标石的完整性和稳定性。

三、GPS系统定位测量的基本理论

1、GPS卫星定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图1所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

2、GPS定位测量的方法

GPS的定位方法，如果按照测量中用户接收机天线所处的状态来划分，可以分为静态定位与动态定位；如果按照定位的结果来划分，可分为绝对定位与相对定位。

2.1静态定位

静态定位是指接收机天线相对于周围的地面点而言，在其位置处于静止状态的条件下，来确定观测站的绝对坐标的方法。

2.2绝对定位

根据卫星的瞬时坐标（Xs，Ys，Zs），以GPS卫星和用户接收机天线间的几何距离观测量ρ为基础来确定观测站的位置，即用户接收机天线对应的点位。

2.3相对定位

目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，又称为差分GPS定位。它是在基线的两端分别安置两台GPS用户接收机，并且对相同的GPS卫星进行同步观测，以确定测站点在WGS-84坐标系中的基线向量或者是相对位置，静态相对定位就是保证设置在基线端点的用户接收机固定不动，重复进行观测，取得充足的多余观测数据，用以对定位精度进行改善。静态相对定位的基本观测量一般采用载波相位观测值。

四、GPS定位技术在南水北调工程施工测量中的误差分析及改进措施

1、空间卫星误差

卫星误差主要有卫星星历误差、卫星钟的误差、卫星轨道误差和卫星设备延迟误差。其中卫星轨道误差是主要误差来源之一，改进措施有：

1.1忽略轨道误差。此方法不考虑卫星轨道实际存在的误差，用于精度较低的工程测量中。南水北调工程属于线型渠道工程，土石方开挖及填筑方量极大，此种情况用于土石方开挖及填筑期间的放样定位、验收测量较为有利，利用GPS定点时间短，工作效率高的特点，提高工作效率，确保工程进度，为南水北调工程建设争取了宝贵的时间。

1.2模型改正法。利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。使用于对误差的特性、机制及产生原因有较深刻的了解，并能建立理论或经验公式。

1.3引进改正参数法。此方法是在处理数据时引进轨道改进参数，采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来，一般情况都适用。

1.4同步求差法。通过观测值间一定方式的相互求差，消去或削弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用于误差具有较强的空间、时间或其他类型的相关性。

1.5合理选择软硬件及测量地点、观测时段等方法。

2、空间传播误差

空间传播误差主要有电离层传播延迟、对流层折射误差、多路径效应误差等。其中多路径效应误差的影响可达到厘米级，是不容忽视的。改进措施有：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及雷雨雪天气等。选择良好的接收机，减少干扰，提高精度。

3、施工人为误差

在施工中，存在作业人员配合不默契及测量时操作程序不规范等人为因素，如仪器安装连接不正确致使信号不稳定、操作人员知识能力欠缺等对工程测量产生一定的误差。改进措施主要有：加强操作人员的技术培训；规范相应的管理制度。

结束语

综上所述，GPS测量系统是一项高精度的测量系统，近年来全球定位系统GPS不断发展，并且GPS测量系统以方便、快捷、高效、精确的特点得到了各方面的广泛应用。但是，由于种种原因，在其使用过程中还存在很多的问题，影响着其使用的准确性、稳定性等，而在南水北调工程中，GPS测量系统也存在着一些问题，如渠底、基坑测量信号时常失稳，仪器比较笨重等问题，给工作人员带来了不便，因此，希望相关单位加强对其的研究，以期GPS测量系统能在工程建设中发挥更大的作用。

参考文献

［1］张延安，段常在．GPS定位原理及误差分析概述［J］．内蒙古水利，2006(2):21-22．

［2］郝福恒．浅谈测量工程中GPS定位技术的推广与应用［J］．科技与经济，2006(19):136．

［3］CJJ/T73-2010 中华人民共和国行业标准卫星定位城市测量技术规范

［4］GB50026-2007 中华人民共和国国家标准工程测量规范