浅谈GPS系统的构成原理及在公路工程测量中的应用

【摘　要】随着科学技术的不断进步，科技应用需求的不断增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等特点，以及其独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，建立以GPS设备为硬件基础的公路工程管理控制系统，使用信息数字化管理手段，为各种工程管理决策和各项现场管理措施，提供精细而可靠的整体解决方案。

【关键词】GPS系统；公路工程测量；应用

随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。结合部分数据资料，对GPS的构成原理以及在公路领域的应用作以浅显的探讨。

１．GPS简介

GPS（Global Positioning System）又叫全球卫星定位系统,是目前最先进的卫星导航定位系统，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能型（陆地、海洋、航空和航天）全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。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。

1.1空间部分

GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55°。卫星的轨道运行周期为11小时58分，卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

1.2地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

1.3用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

2.GPS系统的原理

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-XA）2+（Yp-YA）2+（zp+za）2}；

SBP2 ={（Xp-XB）2+（Yp-YB）2+（zp+zb）2}；

SCP2 ={（Xp-XC）2+（Yp-YC）2+（zp+zc）2}

式中（XA，YA，ZA）、（XB，YB，ZB）、（XC，YC，ZC）分别为卫星A、B、C 在时刻Ti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，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐系）。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，这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛应用。

全球定位系统的主要特点：

（1）定位精度高。

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6 m，100-500KM可达10-7m，1000KM可达10-9m。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

（2）观测时间短。

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；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，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3.GPS系统在公路工程测量中的应用

3.1快速静态定位模式

要求GPS接收机在每一流动站上,静止的进行观测。在观测过程中,同时接收基准站和卫星的同步观测数据,实时解算整周未知数和用户站的三维坐标,如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中,如控制网加密;若采用常规测量方法(如全站仪测量),受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难,而采用RTK技术可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5-10min,随着技术的不断发展,定位时间还会缩短,不及静态测量所需时间的五分之一,在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。

3.2实时动态（RTK）定位技术

以载波相位观测值为根据的实时差分 GPS（RTK）技术，是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中也有广阔的应用前景。

3.2.1绘制大比例尺地形图

高等级公路选线多是在大比例尺（1:1000或1:2000）带状地形图上进行。用传统方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点，只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟，即可获得每点的坐标、高程。结合输入的点特征编码及属性信息，构成带状所有碎部点的数据，在室内即可用绘图软件成图。

3.2.2道路中线放样

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后,需将公路中线在地面上标定出来。采用实时GPS测量，只需将中桩点坐标输入至GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的,不会产生累计误差。各点放样精度趋于一致。

3.2.3道路的横、纵断放样和土石方量计算

纵断放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设；横断放样时，先确定出横断面形式（填、挖、半填半挖）。然后把横断面设计数据输入到电子手簿中，生成一个施工测设放样点文件储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以自动与地面线衔接进行“戴帽”工作，并利用“断面法”进行土方量计算。

4.结束语

全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一， 其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。目前，GPS技术在我国公路工程和交通管理中的应用已经起步，相信随着我国经济的不断发展，以及GPS技术的应用研究会逐步深入，其在道公路工程中的应用也会更加广泛，并发挥更大的作用。

【参考文献】

［１］陈俊勇,胡建国.建立中国差分GPS实时定位系统的思考.测绘工程，1998.

［２］周忠漠等著.GPS卫星测量原理与应用(第二版).北京测绘出版社，1997,1.