刍议GPS系统的工作原理以及在测量领域的应用特点:GPS工作原理
时间：2019-04-02 03:25:31 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：GPS技术在水利工程测量中,以高效率、低成本、高精度、不需通视等特点,深受广大用户的欢迎。本文介绍了GPS系统的组成、原理以及测量特点，阐述了GPS系统在水利工程测量中的应用特点。
关键词：GPS定位系统；水利工程测量；应用；特点
1 概述
GPS是全球定位系统（GlobalPositionSystem）的简称，即利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统，它具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性，能够为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。近年来，随着GPS接收机性能和数据处理技术的逐渐完善，其应用领域也不断拓宽。GPS技术分为外业施测和内业数据处理两部分工作。外业施测是内业工作的数据来源，也是整个GPS技术工作的基础。做好GPS野外作业，对确保GPS外业观测数据质量，提高整个GPS技术的成果精度，显得尤为重要。
2 GPS系统的组成、工作原理以及在测量领域的应用特点
2.1 GPS系统的组成
GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
（1）空间卫星群。GPS空间卫星群由24颗高约20万km的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11h58min，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4～11颗GPS卫星发送出的信号。
（2）GPS的地面控制系统。GPS的地面控制系统包括1个主控站、2个注入站和5个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等；监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态；注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
（3）GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机、气象仪器等）组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
2.2 GPS工作原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti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以求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离S、S、S，同样通过接收卫星星历可以获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。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。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中得到了广泛应用。
2.3 GPS测量的技术特点
（1）定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，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。很多的应用实践证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10，100～500km可达10，1000km以上可达10，在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解算，其平面位置误差小于1mm。
（2）观测时间短。鉴于GPS系统的不断完善，软件不断更新，目前20km以内相对静态定位，仅需15～20min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站只需观测1～2min，动态相对定位测量时，流动站出发时观测1～2min，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
（3）测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。
（4）可提供三维坐标。经典大地测量将平面与高程采用不同方法施测，而GPS可同时精确测定测站点的三维坐标，目前GPS水准可达到四等水准测量的精度。
（5）操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作“傻瓜化”，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即可求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
3 GPS在水利工程测量中的应用特点
（1）平面控制测量。淘汰了常规的导线测量的控制方式，根据工程的实际需要，进行GPS静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术（简称RTK）控制网测量和部分碎部测量。其基本优点首先是高精度，应用实践证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10～6ppm。在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm；其次观测时间短，20km以内相对静态定位，仅需15～20min，应用RTK测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间每站观测仅需几秒钟。
（2）放样测量。在水利工程测量过程中，采取RTK点放样和线路放样，进行点放样时，首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到GPS流动站中，然后根据所放点标识进行实地放样，放样精度可以控制在5cm以内；进行线路放样时首先在室内根据线路中心线的弯道元素编制线路中心线文件，将该文件和坐标转换参数上传到CPS流动站接收机，在实地依桩号和所放点与中心线的关系进行现场放样。
（3）航空摄影测量外业像控。在水利工程中，测区通常都是条带狭长型，线路一般较长，而且测区树林茂密，通视条件差，而像控点布设一般较为分散，像控点间距离较远，采用传统的控制测量模式不仅耗时费力，而且也很难保证成果精度质量和工期的进度，而采用GPS就很容易解决以上问题，在较短的时间内即可完成外业像控点的采集工作。
（4）高程测量。GPS测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比较均匀。经过实践证明，采用静态定位方法测出的大地高差误差Δh/D可达到3～4ppm，当距离小于20km时，可达到厘米级精度；引入高级水准点，进行高程转换后。在平原和丘陵地中误差可达到±5cm，山区也可以达到±15cm，可以完全代替四等水准。
4 结语
在水利工程测量中应用GPS卫星定位技术进行测量定位，取得了良好效果。同时，减轻了劳动强度，提高了企业经济效益，增强了企业的竞争力。随着21世纪GPS新型卫星自身性能的显著增强，及我国自行研制的“北斗”卫星导航定位系统的卫星发射入轨运行；导航定位处理软件的逐步完善，及GPS定位技术的提高，将直接为动态用户提供更高精度的实时定位。今后，GPS技术在更多领域中将得到更加广泛的应用。
参考文献：
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