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摘要：目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，在我国测绘行业，GPS的应用起步较晚，但发展速度很快。测绘工作者在GPS应用基础研究和实用软件开发等方面取得了大量的成果，从而为GPS技术在我国全面推广提供了技术保证。文章对GPS测量技术在水利工程中的应用、定位原理及误差作了分析。
关键词：水利工程、GPS测量、定位原理、应用技术
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
全球定位系统(GPS)是英文缩写NAVSTAR/GPS的简写，全名应为：NavigationSystemTimingandRaging/GlobalpositioningSystem，即：“授时与测距导航系统/全球定位系统”。GPS全球定位系统主要由三大部分组成，即空间星座部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户设备部分。GPS的研制最初主要用于军事目的，但近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。
二、GPS定位原理及误差分析
利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标(x，y，z)。由此可见，GPS定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点。但是，为了消除接收机的钟差，便至少需要4个同步为距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星。在GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为四类：①与GPS卫星有关的误差：主要包括卫星中的误差和卫星的轨道误差。②與信号传播有关的误差：主要包括大气折射误差和多路径效应。③与接收设备有关的误差：主要包括观测误差、接收机钟差、天线中心误差和载相位观测的整周不定性影响。④其它误差：地球自转的影响；地球潮汐的影响等。根据误差产生的原因不同而采取不同的措施，其中包括：①引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算；②建立系统误差模型，对观测量加以修正；③将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响；④简单地忽略某些系统误差的影响。
三、GPS控制网布设与施测
本次控制测量测区主要以丘陵为主，分为两个片区，有公路均匀分布在各测区之间，交通便利，有利于施测。其中一片地处西部，距县城约20km，地跨东经111°09′29″～111°11′04″，北纬27°40′42″～27°42′55″。
3.1控制网的布设原则
GPS控制网布网设计，必须依甲方要求按GPS测量规范实施。其设计的一般原则为：
①图形闭合。即GPS控制网一般应有足够的独立观测边构成闭合图形，以增强图形自身强度和增加平差检核条件，以提高观测质量，即必须有足够的闭合环。
②有必要的一定数量的点位重合，以方便由已知点推算待测点。GPS网站点应与原有地面已知控制网点有足够的重合，并力求重合点在整个控制网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的计算和研究提供资料和参考。③视野开阔。GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方，一般确保测站点仰角15°以上区域周围无明显的遮挡物。若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意满足网点之间的通视条件。
3.2 GPS网的基本精度要求
GPS作业方式采用静态相对定位模式。GPS观测须满足以下有关条件观测要求：GPS测量作业基本技术要求见表1。
表1 GPS测量基本技术要求表
3.3选点
根据工程要求，共埋设19个埋石点，编号从S-1到S-19，但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行以及测量结果的可靠性有着至关重要的意义，因此在选点之前，除了收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点的分布情况外，我们应遵守以下原则：①点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上；②点位目标显著，视场周围15°以上不应有大体积障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；③沿着测区周围的公路，交通比较方便，在这里有利于GPS测量的布点和实施；④由于测区有许多通高压线路和市电线路，并且高压线路等产生的电磁场会干扰GPS信号，所以我们选点都在离其约50～100m以外的地方；⑤由于测区基本为矩形或多边形，布设出的网形有利于同步观测边，同步观测点的联结。可以看出各个点都是沿路布设，且都选在需要重点测绘的片区范围之内，交通方便，视野开阔。大多数点长基线和短基线分配均匀，以提高其观测精度。
3.4观测、施测
在控制点标石埋设完毕后，应使其稳定一段时间，经过一个雨季，使之稳固后再进行观测。本项目于2010年10月8日实施，具体的方案如下：①本次工程采用中海达HD8200E一体化蓝牙静态GPS接收机；②每一测站进行严格对中整平，确保在测量中接收机的稳定性；③认真填写外业记录纸，标明该接收机编号，时段号按照A，B，C…依次排列，用钢卷尺从三个方向量取仪器高，并求取平均值；④每一时段开关机时间统一安排，并在准确、清楚地记录在手薄中，每一时段观测时间长度在45分钟以上，保证观测数据的可靠性；⑤在观测过程中，定期观察接收机显示的可用卫星数量，并记录。若卫星数少于4个，则通知其他站点停止观测，查出原因，然后适当的进行测点移位或等待一段时间再观测；⑥当整个任务完成之后将观测数据及时地传输到计算机中，最后用专业软件平差。
四、GPS数据处理
GPS数据内业处理我们采用中海达GPS自身所带的配套数据处理软件—HDS2003数据处理软件包，以减少用其他软件要进行数据转换带来的麻烦。基线处理是GPS数据处理的重要环节，基线解算质量对GPS定位结果有很大影响。笔者将外业采集数据文件传入电脑，在随机软件中输入测站信息，然后进行基线解算。对初次处理不合格的基线进行再解算是一个反复，在反复的过程，它需要解算者丰富的经验和不断地尝试，直到该基线解算合格为止。本次工程作业待定解算平差样式设置采用95%置信界限。基线解算都合格后，接下来进行网平差HDS2003数据处理软件能实现自由网平差、三维约束平差、二维约束平差、高程拟合的基本方法，另外还可以进行边角网的平差。
五、结束语
GPS测量在大范围高精度控制网、城市控制网、工程控制网的建立中起到了越来越重要的作用，已逐渐取代了传统的三角测量和导线测量建立控制网的方法，尤其在河道测图、管线测量、隧道贯通测量及水利工程测绘方面应用广泛。
关键词：水利工程、GPS测量、定位原理、应用技术
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
全球定位系统(GPS)是英文缩写NAVSTAR/GPS的简写，全名应为：NavigationSystemTimingandRaging/GlobalpositioningSystem，即：“授时与测距导航系统/全球定位系统”。GPS全球定位系统主要由三大部分组成，即空间星座部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户设备部分。GPS的研制最初主要用于军事目的，但近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展。
二、GPS定位原理及误差分析
利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离(或距离差)的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标(x，y，z)。由此可见，GPS定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点。但是，为了消除接收机的钟差，便至少需要4个同步为距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星。在GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为四类：①与GPS卫星有关的误差：主要包括卫星中的误差和卫星的轨道误差。②與信号传播有关的误差：主要包括大气折射误差和多路径效应。③与接收设备有关的误差：主要包括观测误差、接收机钟差、天线中心误差和载相位观测的整周不定性影响。④其它误差：地球自转的影响；地球潮汐的影响等。根据误差产生的原因不同而采取不同的措施，其中包括：①引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并解算；②建立系统误差模型，对观测量加以修正；③将不同观测站，对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响；④简单地忽略某些系统误差的影响。
三、GPS控制网布设与施测
本次控制测量测区主要以丘陵为主，分为两个片区，有公路均匀分布在各测区之间，交通便利，有利于施测。其中一片地处西部，距县城约20km，地跨东经111°09′29″～111°11′04″，北纬27°40′42″～27°42′55″。
3.1控制网的布设原则
GPS控制网布网设计，必须依甲方要求按GPS测量规范实施。其设计的一般原则为：
①图形闭合。即GPS控制网一般应有足够的独立观测边构成闭合图形，以增强图形自身强度和增加平差检核条件，以提高观测质量，即必须有足够的闭合环。
②有必要的一定数量的点位重合，以方便由已知点推算待测点。GPS网站点应与原有地面已知控制网点有足够的重合，并力求重合点在整个控制网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的计算和研究提供资料和参考。③视野开阔。GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方，一般确保测站点仰角15°以上区域周围无明显的遮挡物。若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意满足网点之间的通视条件。
3.2 GPS网的基本精度要求
GPS作业方式采用静态相对定位模式。GPS观测须满足以下有关条件观测要求：GPS测量作业基本技术要求见表1。
表1 GPS测量基本技术要求表
3.3选点
根据工程要求，共埋设19个埋石点，编号从S-1到S-19，但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行以及测量结果的可靠性有着至关重要的意义，因此在选点之前，除了收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点的分布情况外，我们应遵守以下原则：①点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上；②点位目标显著，视场周围15°以上不应有大体积障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；③沿着测区周围的公路，交通比较方便，在这里有利于GPS测量的布点和实施；④由于测区有许多通高压线路和市电线路，并且高压线路等产生的电磁场会干扰GPS信号，所以我们选点都在离其约50～100m以外的地方；⑤由于测区基本为矩形或多边形，布设出的网形有利于同步观测边，同步观测点的联结。可以看出各个点都是沿路布设，且都选在需要重点测绘的片区范围之内，交通方便，视野开阔。大多数点长基线和短基线分配均匀，以提高其观测精度。
3.4观测、施测
在控制点标石埋设完毕后，应使其稳定一段时间，经过一个雨季，使之稳固后再进行观测。本项目于2010年10月8日实施，具体的方案如下：①本次工程采用中海达HD8200E一体化蓝牙静态GPS接收机；②每一测站进行严格对中整平，确保在测量中接收机的稳定性；③认真填写外业记录纸，标明该接收机编号，时段号按照A，B，C…依次排列，用钢卷尺从三个方向量取仪器高，并求取平均值；④每一时段开关机时间统一安排，并在准确、清楚地记录在手薄中，每一时段观测时间长度在45分钟以上，保证观测数据的可靠性；⑤在观测过程中，定期观察接收机显示的可用卫星数量，并记录。若卫星数少于4个，则通知其他站点停止观测，查出原因，然后适当的进行测点移位或等待一段时间再观测；⑥当整个任务完成之后将观测数据及时地传输到计算机中，最后用专业软件平差。
四、GPS数据处理
GPS数据内业处理我们采用中海达GPS自身所带的配套数据处理软件—HDS2003数据处理软件包，以减少用其他软件要进行数据转换带来的麻烦。基线处理是GPS数据处理的重要环节，基线解算质量对GPS定位结果有很大影响。笔者将外业采集数据文件传入电脑，在随机软件中输入测站信息，然后进行基线解算。对初次处理不合格的基线进行再解算是一个反复，在反复的过程，它需要解算者丰富的经验和不断地尝试，直到该基线解算合格为止。本次工程作业待定解算平差样式设置采用95%置信界限。基线解算都合格后，接下来进行网平差HDS2003数据处理软件能实现自由网平差、三维约束平差、二维约束平差、高程拟合的基本方法，另外还可以进行边角网的平差。
五、结束语
GPS测量在大范围高精度控制网、城市控制网、工程控制网的建立中起到了越来越重要的作用，已逐渐取代了传统的三角测量和导线测量建立控制网的方法，尤其在河道测图、管线测量、隧道贯通测量及水利工程测绘方面应用广泛。