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gps的应用探究
摘要：全球定位系统(global positioning system，简称gps)是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。gps是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，gps技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用.
关键词:gps定位系统;公路工程;控制测量
一、引言
目前，gps精密定位技术已广泛的渗透到经济建设和科学技术的许多领域，尤其在我国公路的应用上发挥的了积极的作用。我们先了解一下gps系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。
1.1gps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。
1.1.1 空间卫星群 gps的空间卫星群由24颗高约20万公里的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60o，轨道和地球赤道的倾角为55o，卫星的轨道运行周期为11小时58分，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到11颗gps卫星发送出的信号。
1.1.2 gps的地面控制系统 gps的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，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。gps地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。
1.1.3 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。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的gps定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。
1.2gps的工作原理
gps系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 l示：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点的维坐标( x , y, z)，其数学式为：
sap2 = ( x-xa )2+(y-ya) 2+(z-za) 2
sbp2 = (x-xb)2+(y-yb) 2+ (z-zb) 2
scp2 = ( x-xc)2+(y-yc) 2+(z-zc) 2
式中(xa，ya，za), (xb，yb，zb), (xc，yc，zc)分别为卫星a，b，c 在时刻踢的空间直角坐标。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年西安大地坐标系。)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，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，因此在测量中被得到了广泛的应用。
二. gps测量的技术特点
相对于常规的测量方法来讲，gps测量有以下特点：
2.1 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。
2.2 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。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。
2.3 观测时间短。 观测时间短采用gps布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用timble4800gps接收机的rtk法可在5s以内求得测点坐标。
2.4 提供三维坐标。gps测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
2.5 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。
2.6 全天候作业。gps观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。
三、实时gps测量在公路建设中的应用
gps测量具有高精度、高效率的优点，在控制测量领域得到了广泛的应用。随着gps接收机性能和数据处理技术逐渐完善，gps应用领域也不断拓宽。实时gps测量在公路工程中可完成多种工作。
3.1 绘制大比例尺地形图
高等级公路选线多是在大比例尺(通常是1：2000或1：1000)带状地形图上进行，用传统方法测图，先要建立控制网，然后进行碎部测量，绘制大比例尺地形图。其工作量大速度慢，花费时间长。用实时gps动态测量，构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图，由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，大大降低了测图的难度，既省时又省力。
3.2 工程控制测量
用gps建立控制网，最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制。宜用静态测量。而一般工程的控制测量，则可采用实时gps动态测量。利用这种方法在测量达到要求的点位精度，即可停止观测，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视，使得测量更简便易行。
3.3 公路中线测设
设计人员在大比例尺带状地图上定线后，需将公路在地面标定出来。采用实时gps测量，只需将中线桩点的坐标输入gps接收机中，系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。
3.4 公路纵、横断面测量
公路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时gps测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。
3.5 施工测量
实时gps系统既有良好的硬件，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。
小结：
gps在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态(rtk)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 徐绍栓，张华海，杨志强，王泽民编著《gps测量原理及应用》武汉测绘科技大学出版社，1998.
[2] 陈明德，刘立山.gps技术在公路路桥测量中的应用[j].中华建设，2008.
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gps-rtk测量研究
摘要：在实际测量工程中传统的作业方式已逐渐不能满足工程的需要，随着gps技术的快速发展，rtk测量技术也日益成熟，并逐步在测绘中得到应用。rtk测量技术因其精度高、实时性和高效性，使得其在工程测量中的应用越来越广。因此，本文对gpsrtk测量进行了研究。
关键词：gps rtk 测量
abstract: in the actual measurement engineering traditional practices have increasingly unable to meet the needs of the project, with the rapid development of gps technology, rtk measurement techniques become more sophisticated, and gradually been applied in surveys. rtk surveying technology because of its high accuracy, real-time and efficient, making it increasingly wide applications in engineering survey. therefore, gpsrtk measurement.
keywords: gps rtk measurement
中图分类号：p228.4 文献标识码：a文章编码：
1.rtk野外测绘软件
rtk野外测绘软件是最新开发的gpsrtk控制采集手簿软件，其融合了多年来在野外测绘软件上的实践经验，并借鉴国际同类先进软件的相关功能，根据国内测量行业的野外生产习惯而开发的，是专门为大地测量、工程测量和工程建设而设计的功能强大野外测绘软件。
工程之星软件是在南方公司最早的psion控制采集手簿软件和casio天王星控制采集软件的基础上开发而成的。南方公司(同时也是国内)最早使用的rtk测量手簿是内嵌dos操作系统的psion手簿，所以控制采集手簿软件也是基于dos操作系统的，在图形显示上有一定的局限性。随着rtk产品技术的发展，基于wince操作系统的手簿逐渐成熟起来，南方公司实时开发了基于wince操作系统的天王星控制采集手簿，天王星野外测量软件便捷的窗口菜单式功能操作和直观的图形界面是psion手簿软件无法比拟的。
随着rtk产品的广泛使用，许多用户对手簿软件有了更高、更多的功能需求，而紧跟国际rtk测量技术前沿的南方公司在这样的需求下推出了南方一体化接收机及其最新配套的手簿野外测绘软件――工程之星。
2.gpsrtk测量
2.1临时基站rtk测量
gpsrtk测量过程一般包括：基准站选择和设置、流动站设置、中继站的设立等。
2.1.1基准站的观测点位选择和系统设置
(1)基准站的观测点位选择。gpsrtk定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很大。野外工作时，测站位置的选择对观测数据质量、无线电传播影响很大。但是，流动站作业点只能由工作任务决定观测地点，所以基准站位置的选择非常重要。
(2)基准站的系统设置。基准站的设置包括：建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、gpsrtk工作方式的选择、基准站坐标输人、基准站工作启动等。
2.1.2流动站gps的设置
流动站gps的设置包括：建立项目和坐标系统管理、流动站电台频率的选择、有关坐标的输人、gpsrtk工作方式的选择、流动站rtk工作启动、使用rtk流动站测量地形点等。
2.1.3中继站电台的设立
由于工作环境的复杂性，基准站和流动站之间往往无法避免障碍物对电台通信的影响，这时中继站电台可以起到比较好的补救作用：一是它可以接收来自基准站的信号，又可以将其发送出去供流动站使用;二是中继站电台只转发信号，不必安排在已知点上，完全可以按需要随时任意安排位置。
2.2.网络rtk测量
实时网络rtk服务，是利用基准站的载波相位观测数据，与流动站的观测数据进行实时差分处理，并解算整周模糊度，由于通过差分消去了绝大部分的误差，因而可以达到厘米级定位精度。网络rtk不需要架设基准站，比传统的rtk测量效率提高30%左右。网络rtk根据其解算模式可分为以下几种。
2.2.1单基站rtk技术
cors站网由若干个cors站组成，gps差分信号可从各个cors站发出，也可从数据中心发出。在这种网络rtk模式下，每个基准站服务于一定作用半径的gps用户，对于一般的rtk应用，服务半径可以达到30km。gps差分数据播发的数据链，可以用无线电台，也可用公用无线通信网，如移动gsm/gprs或联通cdmaix。单工站cors就是只有一个连续运行站。
类似于一加一的rtk，只不过基准站由一个连续运行的基准站代替，基站同时又是一个服务器，通过软件实时查看卫星状态、存储静态数据、实时向internet发送差分信息以及监控移动站作业情况。移动站通过gprs、cdma网络两种通讯方式基站服务器进行通讯。
2.2.2多基站cors网络系统
多基站cors是指分布在一定区域内的多台连续运行的基站，每个基站都是一个单基站系统，由控制软件自动计算流动站与基站间的距离，选点距离最近的cors基站作为rtk差分作业的参考站。
当前国内不同行业建设的cors系统基本上还是独立运行的，很多单位的数据只在本单位甚至是本部门内共享和利用。在当前技术水平和市场可供产品条件下，根据本部门实际情况，从提高投资效益角度出发，选择单基站和多基站cors系统是适合一些地、市、县测绘部门的优选方案。
2.2.3虚拟基站技术(vrs)
vrs技术是现有网络rtk技术的代表。采用vrs技术，基准站网子系统必须包含三个以上的连续运行基准站，数据中心通过组合所有基准站的数据，确定整个cors覆盖区域的电离层误差、对流层误差、轨道误差模型等。流动站作业时，首先通过gprs或cdma无线通信网络向数据中心发出服务请求，并将流动站的概略位置回传给数据中心，数据中心利用与流动位置最接近的三个基准站的观测数据及误差模型，生成一个对应于流动站概略位置的虚拟基准站(vrs)，然后将这个虚拟基准站的改正数信息发送给流动站，流动站再结合自身的观测数据实时解算出其所在位置的精确坐标。
2.2.4主副站技术(mac)
主副站技术首先选取一个基准站作为主站，并将主站所有的改正数及坐标信息传送给流动站，而网络中其他基准站只是将其相对于主站的改正数变化及坐标差信息传送给流动站，从而减少了传送的数据量。
vrs技术和mac技术服务半径可以达到40km左右。
2.3gps测量数据处理
外业观测数据质量检核主要有以下内容：
(1)数据剔除率同一时段内观测值的数据剔除率，不应超过10%。
(2)复测基线的长度差c、d级网基线处理和b级网外业预处理后，若某基线向量被多次重复，则任意两个基线长度之差ds应满足规范要求。
单点观测模式不同点间不进行重复基线、同步环和异步环的数据检验，但同一点间不同时段的基线数据(与连续运行站网)长度较差，两两比较也应满足上述内容。
2.4一体化设计与抗干扰的完美结合
(1)一体化设计是世界同类产品的潮流，彻底摆脱“线”制，模块化的设计有效解决机器内部的干扰问题。
(2)专业设计的数传电台，误码率低，方便写频掌握核心的数传电台技术，主体性能达到国外先进水平，方便写频，为客户解决串台问题，误码率在10-7。
(3)工业级模具三防设计(防尘、防水、防震)专业的模具、高强度的工业外壳材料以及具有很强防水能力的防水圈，使得s82-2008的野外性能更优越。
(4)双接口(usb、串口)高速传输，64m大内存除了一般仪器用的com口外，灵锐s82-2008采用usb的串行口连接技术方便大容量静态数据的传输。内置64m内存，可以满足静态连续一秒间隔采集80小时以上，若采集间隔增大，存贮时间还将成倍增加。
参考文献：
[1]范素娟,王燕春,童瑞娟,等. 量身定制确定工程硕士课程体系[j]. 化工高等教育, 2007, (1) 102-104.
[2]王之卓. 遥感、地理信息系统及全球定位系统的发展过程及集成. 北京: 测绘出版社,1995.
[3]潘庆林等. 南京地铁一号线定向测量方法及其精度的研究.陕西: 西安地图出版社, 2003.
[4]李德仁、李清泉，论地球空间信息科学的形成[j] .地球科学进展，1998，13(4)：319-326
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