空间部分由7颗试验卫星和24颗GPS工作卫星组成, GPS工作卫星均匀分布在倾角为55°的6个轨道上, 轨道高度约为2×104km, 各轨道升交点的赤经相差60°, 每条轨道上均匀分布着4颗卫星, 相邻轨道之间的卫星还要彼此之间叉开40°, 以保证全球均匀覆盖的要求, 并在任意时刻全球各处都能观测到高度角为15°以上的4颗卫星。
地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。
用户设备部分包括GPS接收机和数据处理软件等。GPS接收机主要由天线、信号处理器、显示装置、记录装置、电源等组成。其主要功能是通过天线接收GPS卫星发射的无线电信号, 在信号处理器中进行中频放大、滤波和信号处理, 解码得到广播电文、获得伪距定位结果, 将观测数据存储并传递至电脑进行处理。
现假设S1、S2、S3为已知位置的3颗卫星, P为GPS接收机天线所在位置, 即待求点位置。P点到S1、S2、S3的距离利用电磁波传播理论计算后, P点的位置按公式即可求出。也就是说, 若分别以S1、S2、S3为圆心, 以PS1、PS2、PS3距离为半径做3个圆, 其交点即为GPS接收机天线的位置, 它具有经度、纬度、高程和时间的四维特性。
假设S1、S2、S3和S4表示已知位置的4颗卫星, P为接收机天线位置, 即待求点位置。如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D, 即
则可以Si和Sj为焦点绘出3组空间曲面, 3个曲面的交点即为P点的位置。这种方式需要3个距离差值, 至少需要观测4个以上的GPS工作卫星, 才能完成定位工作。
工程控制网是工程建设.管理和维护的基础, 其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地, 工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法, 多采用边角网。采用GPS定位的方法建立工程控制网, 具有点位选择限制少, 作业时间短, 成果精度高, 工程费用低等优点。可应用于建立T程首级控制网, 变形监测控制网, 工旷施工控制网, 工程勘探、施工控制网, 隧道等地下工程控制网, 等等。应用GPS技术建立控制网, 通常采用载波相位静态差分技术, 以保i止达到毫米级精度。应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。道路勘探、施工控制刚, 具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案, 多数需要分段实施, 以避免误差积累过大。采用GPS技术, 由于点与点之间不需要通视, 可以敷设很长的GPS点构成的三角锁, 以保持长距离线路坐标控制的一致性。
变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大, 监测环境复杂, 监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法, 监测地基的沉隔应用三角测量 (或角度交会) 的方法, 监测地基的位移和整体的倾斜。GPS技术在该领域有广泛的应用。比如为了监测大坝或边坡的形变, 可在远离大坝或边坡的适当位置, 选择若干基准点, 同时在形变区选择若干监测点在基准点和监测点上分别安置GPS接受机, 进行连续自动观测, 并采用适当的数据传输技术, 实时地将监测数据自动地传输到数据处理中心, 进行分析, 处理和显示。
RTK (R eal Time Kine matic) 技术, 即载波相位差分技术, 是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成:基准站 (坐标已知) 和移动站 (用户接收机) 。其基本原理如下。
将基准站采集的载波相位发送给用户, 用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图, 测绘房地产的界址点, 平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS接收机放在待定的特征点上1s～2s, 同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机, 由专业成图软件、在人工适当的干预下, 形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样, 标定界标点, 是坐标的直接标定, 不象常规放样那样, 需要后视方向、用解析法标定, 因而简捷易行。
区域性GPS差分系统下的碎部测量与放样, 是基于区域GPS差分网进行的。区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似, 不同的是区域差分的基准站往往多于1个, 多基准站组成基准网, 基准网提供各个基准站的差分信息, 用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权, 按非等权平差后形成自己的差分改正数, 实现差分定位。
(1) 在其他条件相同的情况下, GPS网采用边连接方式布网时测量定位结果的精度优于边点混合连接方式;而边点混合连接方式布网时的测量定位结果的精度要优于点连接方式布网的结果精度。
(2) 一般情况下已知点的数目越多GPS网最终获得的结果精度越高, 但所使用的已知点必须经过检验不含有粗差。在实际进行GPS测量时由于其他因素的限制不可能有很多的已知点, 只有依据网形的特点及其大小选择合适数目的已知点才能获得较高的结果精度。
(3) 通过上面计算可知观测时间为60min比观测时间为30min的结果相对误差较低, 精度较好。一般情况下在一定时间内观测时间越长最终结果精度越高, 但是在实际作业时当观测时间达到规范规定的时间后, 再增加观测时间对最终结果精度没有明显的作用, 只会增加作业成本。
(4) 在利用GPS测量定位技术施测各种用途的控制网时, 当采用不同接收机 (单频或双频) 进行测量时, 其定位结果的精度会有所不同, 当距离较长时 (一般大于10km) 双频接收机测量定位结果精度高于单频接收机;当距离较短时单、双频接收机测量定位结果的精度相当。
(5) 在同等观测条件下, 晚上天黑以后进行GPS测量往往可以获得较高精度的观测数据, 从控制单一变量的原则出发, 得出结论, 由于夜晚电离层活动相对于白天来说较弱, 对GPS观测值的影响就相应地减小, 所以晚上天黑以后进行GPS测量精度高于白天。
GPS技术已广泛应用于工程测量的建立工程测量控制网、RTK下的碎部测量与放样、区域差分系统下碎部测量与放样以及变形监测建的各个领域, 随着科学的发展, GPS技术将具有更广阔的应用前景。
摘要：本文介绍了GPS的GPS系统的组成和原理, 阐述了GPS在工程测量中的应用, 供大家参考。
关键词：GPS,工程测量,应用
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