GPS测量原理及应用：建筑工程测量拓展

1）系统基本构成

GPS（全球卫星定位系统）是由美国研制的，它主要由三大部分组成：空间卫星、地面监控、用户设备。

2）空间卫星

GPS卫星共有24颗，分布在6个轨道上，运行周期12 h。测定3D位置和钟差必须有4颗星。单点伪距定位精度为5～100 m，静态相对定位位置精度几毫米。

3）GPS定位测量的特点

①相邻测站之间不必通视，布网灵活；

②定位精度高，差分距离相对误差为（1～10）×10-6；

③全天候观测，不受天气影响；

④观测、记录、计算高度自动化；

⑤实时定位的优越性，广泛应用于众多领域，但在室内、地下及地面空间等不够开阔地带无法接收到卫星信号，观测受到限制。

4）GPS定位原理

GPS定位是以卫星与观测站之间的距离观测量为基础，根据已知的卫星空间瞬时坐标（某时刻的空间直角坐标），来确定观测站的位置，其实质就是测量学中的空间距离后方交会。卫星至观测站的距离可用式（2.46）计算，由于卫星钟与地面接收机钟难以保持同步，所测的距离观测量中包含了卫星钟与地面接收机钟不同步的影响，故称为伪距。

卫星至观测站的伪距观测方程可表示为：

式中：x，y，z为观测站的空间直角坐标；xi，yi，zi为卫星某时刻的空间直角坐标，由卫星发送的导航电文求得；vti为卫星的钟差；vt0为观测站接收机的钟差；c为电磁波的传播速度。

式（2.46）中卫星钟差vti可根据导航电文中的钟差参数加以修正，而接收机钟差vt0通常难以确定，一般作为未知数与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在一个观测站上，为了求解4个未知数（3个点位坐标分量和1个钟差参数），便至少需要4个同步伪距观测值，也就是说至少需要同步观测4颗卫星。

如图2.63所示，在WGS-84空间直角坐标系中，P点为地球上某观测站位置，其待定坐标为（x，y，z），已知卫星S1，S2，S3，S4的空间瞬时坐标分别为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）、（x4，y4，z4）。由式（2.46）可得卫星至观测站的4个伪距观测方程：

(www.xing528.com)

由式（2.47）可解算出P点的空间直角坐标（x，y，z）以及接收机钟差vt0。

图2.63　单点定位

5）GPS技术的应用

（1）测量

GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：测量精度高；操作简便；仪器体积小，便于携带；可全天候操作；观测点之间无须通视；测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少烦琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、工程测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。

（2）交通

出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送货请求，降低能源消耗，节省运行成本。GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发布城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进、离场。

（3）救援

利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能及时地获得救援。

（4）农业

当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的“精准农业耕作”。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息置入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。

（5）娱乐消遣

随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，优化行驶路径；野营者带着GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。

（6）GPS在现代军事中的作用

美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，具体来说，GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。