学文网摘要：GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS定位技术以其速度快、精度高、全天候，不受通视条件限制、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于控制测量中。本文主要通过实例探讨了GPS在城市建设中的应用情况。
关键词：GPS；城市建设；应用
GPS technology in today's information society is one of the fastest growing technology, GPS technology with its high speed, high precision, all-weather, without being limited by the visibility conditions, cost, simple operation, excellent characteristics such as widely used in the control survey. Mainly through examples, the paper discusses the application of GPS in urban construction.
Key words: GPS; Urban construction; application
中***分类号：P228.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
GPS全球定位系统，具有性能好，精度高，应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。由于空间技术与电子技术的发展，大地测量定位系统向空间技术发展，定位仪器越来越精度高、小型化、多功能，传统的大地网将逐步为空间定位技术所取代。GPS技术应用于测量有测点间无通视要求。选点方便，可以大量减少建造高标节省造标费用，可以全天观测，观测时间短，数据处理速度快，成果精度高等优点。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而在城市控制网与工程控制网的建立、更新与改造中得到了日益广泛的应用。
一、GPS全球定位系统的建立
1973年12月，美国***批准它的陆海空三***联合研制GPS全球定位系统。自1974年以来，GPS计划经历了方案论证、系统论证、生产实验三个阶段，总投资超过200亿美元。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。
1、GPS卫星星座
GPS卫星星座的基本参数是：卫星颗数为21+3（21颗工作卫星，3颗备用卫星），6个卫星轨道面，卫星高度为20，200km，轨道倾角为55°，卫星运行周期为11小时58分(12恒星时)，载波频率为1.575GHz和1.227GHz，卫星通过天顶时，卫星的可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星。
2、GPS地面监控系统
GPS的地面监控系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星主控站、监测站和注入站。
(1)主控站
1个(科罗拉多)主要任务是：根据所有观测资料编算各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，提供全球定位系统的时间基准，调整卫星运行姿态，启用备用卫星。
(2)监测站
5个(夏威夷、科罗拉多、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰)主要任务是：对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况，经计算机初步处理后，将数据传输到主控站。
(3)注入站
3个(阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰)主要任务是：在主控站的控制下，将主控站编算的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应的卫星存储系统，并监测注入信息的正确性。
3、GPS用户设备部分
用户设备的主要任务是，接收GPS信号，以获取必要的定位信息及观测数据，经数据处理完成定位工作。
二、GPS定位测量的设计
GPS定位测量与常规测量类似，在实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内业处理等三个阶段。
1、GPS测量的技术设计
GPS定位测量的技术设计是进行GPS定位的基本工作，它是依据国家有关规范及GPS网的用途和用户的要求对测量工作的网形、精度及基准等的具体设计。在GPS方案设计时，依据测量任务书提出的GPS网的精度、密度和经济指标，结合规范规定，通过现场踏勘，具体确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时段长短等布网观测方案。用于城市或工程的GPS控制网可参照1997年建设部的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》中关于GPS测量精度分级要求进行设计。在基准设计时，应充分考虑坐标系的转换问题。因为GPS测量采用的是WGS-84世界大地坐标系统，而我国采用的是北京-54或西安-80坐标系统，因此，为求定GPS点在地面坐标系的坐标，工程控制网应在地面坐标系中选定起算数据和联测2～3个原有地方控制点，用以坐标转换。
2、GPS网的***形设计
常规测量中对控制网的***形设计是一项非常重要的工作。而在GPS***形设计时，因其观测不要求通视，故有较大的灵活性。GPS网的***形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及接收机的类型、数量和后勤保障条件等。根据不同的用途，GPS网的***形布设有下列四种基本方式：
1)点连式
点连式是指相邻同步***形之间仅有一个公共点的连接，其***形几何强度很弱，没有或极少有非同步***形闭合条件，一般不单独使用。
2)边连式
边连式是指同步***形之间由一条公共基线连接，网的***形几何强度较高，有较多的复测边和非同步***形闭合条件，其几何强度和可靠性均优于点连式。
3)混连式
混连式是指把点连式与边连式有机结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何精度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
4)网连式
网连式是指相邻同步***形之间有两个以上的公共点相连接，需4台以上的接收机，网的***形几何强度和可靠性相当高，花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。
3、GPS测量的外业实施
3.1外业选点与埋石
由于GPS测量观测站之间不要求相互通视，网的***形结构也比较灵活，故选点工作比常规控制测量的选点要简便。在选点工作开始前，应先了解测区的地理情况和原有控制点的分布及标石完好情况，再决定其适宜的点位。除此之外，选点工作还应遵守以下原则：
(1)点位应选设在交通方便、视野开阔的地点，视场周围15°以上不应有障碍物，地面基础稳定，易于点的保存。
(2)点位应远离大功率无线电发射源，其距离不小于200m。离高压线的距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。
(3)点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。
(4)利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性进行检查，符合要求方可利用。GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固，以利长久保存和使用。标石埋设结束后，应填写点之记并提交选点网***、选点与埋石的工作技术总结。
3.2外业观测工作
GPS观测与常规测量在技术要求上有很大差别，对城市及工程GPS控制网，在作业中应按1997年建设部颁布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》中有关技术指标执行。
4、GPS测量的内业计算
GPS测量的内业计算分基线解算和网平差两个阶段。
4.1基线解算
基线解算的过程：
数据传输，按顺序输入点名和天线高。基线解算之前可首先检查卫星历元数据、选择屏蔽受干扰的不良卫星数据、通过调整卫星高度截止角、历元间隔、参考卫星等以达到解算数据质量最佳，同步环、异步环、方差比全部合格。基线解算出来后，还须检查Ratio值，必须≥3；检查基线闭合差，差值必须在规范规定的范围内。
4.2GPS网平差
在各项质量检核符合要求后，即可进行网平差。下面以西安-80坐标系为例，简述网平差的过程：首先定义椭球元素，然后选择坐标系统，定义高斯投影，修改置信度，固定点已知坐标，最后进行平差，得到待定点的西安-80和基线边长，以及待定点和基线边长的精度评定。
三、全球卫星定位系统GPS在城市建设中的应用
随着改革开放的新形势，城市化进程的加快，城市测量有了很大发展，城市测量成果、成***是城市规划、建设管理必需的重要基础资料，而大地测量是其他测绘工作的基础，大地测量的任务是为测制各种地形***和为工程建设提供地面点的坐标位置，同时还要为地球物理学等学科提供精确的基础资料。结合各城市控制测量（或大地测量）的实际，采用GPS定位技术进行城市控制网的建立、扩建有着重要意义。下面我们通过实例来具体看一下其应用情况：1992年1月，在建设部规划司的组织领导下，成立了全国城市测量GPS应用研究中心，由行业集资购置GPS接收机，“中心”挂靠在北京市测绘院。其宗旨是对GPS定位技术进行开发应用研究，并把研究的成果直接转化为生产力，为各城市控制网的建立或改建提供必要的支持。
1、使用情况
该“中心”从四月份开始作业生产，先后在某省的县区及周边各个省会城市等进行GPS城市网测量共计280余点，另外在北京地区和广西北海市配合工程测量，观测GPS网控制点近百余点。各城市布网原则是旧网基础上扩大控制面积和提高精度。技术设计方案、选点、埋石等项准备均由各城市自行进行。外业测量计划和数据处理，是根据各城市具体情况和要求，由GPS作业组进行安排。诸如设站次数、网的连接扩展、必要的重合点的选择等。作业技术依据“中心”制定的“GPS技术暂行规定”和技术设计书的要求。根据卫星通过该地区时间，制定作业计划，选择最佳卫星组，为安全起见尽量白天作业，每天观测两个时段，观测时至少有四颗卫星可被跟踪，PDOP≤8，每点至少设站两次，时段长掌握在90—120min，采用边连式扩展增加多余观测量。
2、外业基线预处理及成果取舍：
野外作业携带便携式微机一台，对每天观测数据及时进行基线预处理，凡复测基线、闭合环超限或整周模糊度无解的都进行了重测，（每个城市都有2—3个时段）。究其原因认为有以下几个方面：
1）仪器不稳定，
可能与气象条件有关，有一台接收机经修理后使用第一天凡与该仪器有关基线全面不能用，继续作业有改善。
2）温度过高影响成果精度，如在某地温度达36℃—38℃时成果不能取用，调整观测时间后可解决。
3）雷雨闪电过后，发生停机现象多次。
4）天线高丈量不准确影响基线长度。
5）4000SE单额接收机适用于短基线测量，其超过15公里以上的基线，将增加返工率。成果使用情况：平山县网15个点全为重合点，原网为无定向四等导线网，精度按城市测量规范施测，GPS测成果与原导线坐标相比，全部小于±5cm。在其控制下加密导线均得到精度很高的结果。该省一临近市网有21个重合点，原网为三、四等点，以三个高级点进行约束，新旧坐标比较有85％以上的点小于±5cm。有四个点相差较大，最大为8．9cm。该市勘测院已在该四点控制下布测一级导线，方位角、导线全长相对闭合差均超限，使用新成果大大改变了原来状况，几条导线方位角闭合差在2”左右，导线全长相对闭合差都在几十万分之一以上。
另一城市成果也已使用，在新测GPS网点控制下布设Ⅳ级导线，在三个点设站进行导线连接角观测，检查角分别为1”．1、1”．6、2”．2，导线平差后最弱边相对误差为1/8．7万。
其他，用于工程测量中的GPS网点，均取得良好效果。
通过几个城市对成果的应用和与旧坐标比较，GPS定位技术用于城市控制网和工程网，具有精度高、速度快、效率高、成本低成果精度均匀可靠的优点。GPS定位技术已在城乡建设、地质、石油、矿山、水电、交通、铁道等测量部门广加应用，并在测绘过程中起到了不可替代的作用。
参考文献
[1] 周忠谟，易杰***．GPS 卫星测量原理与应用[M]．.北京测绘出版社，2003．
[2] C***73-97．全球定位系统城市测量技术规程[S]．中国建筑工业出版社，2000．.
[3] 张凤举，王宝山．“GPS”定位技术[M]．煤炭工业出版社，2004．
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