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【摘 要】土石方测量是测绘工程的主要组成部分之一，土石方测量得到的测量结果对施工预算和造价都有直接影响。传统的土石方测量方法是采用全站仪进行逐点采集，这种方法耗费时间和人力，且采集数据间隔大，不均匀，有时存在无法真实反映实际土石方量的情况。因此，本文引进了GPS技术进行土石方测量，阐述了全球定位系统（ GPS）的工作原理以及在工程测量中的应用及优点。
【关键词】工程测量；全球定位系统（ GPS）；土石方工程
1.GPS技术概述
GPS又称为全球定位系统（Global Positioning SystemGPS），是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。
1.1 GPS 系统的组成
GPS系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收设备部分。
（1）空间部分。GPS卫星星座。GPS卫星星座由21颗工作卫星、3颗备用卫星组成，卫星均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道4 颗卫星，轨道倾角为55°。
（2）地面监控部分。运行控制系统包括1个主控站、5个监测站和3个地面控制站。主控站位于科罗拉多斯普林斯的加州范登堡空军基地。主要负责从监测站收集数据，计算轨道和钟参数， 结果送入控制站。5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿松森岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）和夸贾林环礁（北太平洋马绍尔群岛），负责对视见卫星监测采集数据。3个地面控制站分别位于阿松森岛、迭戈加西亚岛和夸贾林环礁，负责向卫星上行发送信息。
（3）用户接收设备部分。用户接收设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件及微处理机及其终端设备组成。接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理完成导航、定位、跟踪、测绘和定时工作。
1.2 GPS定位原理以高速运动的卫星瞬间的位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，采用空间距离后方交汇的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。GPS的定位至少需要4颗卫星的观测来进行计算。设某颗卫星的坐标（Xi，Yi，Zi）与待测点的距离Ri可测出，待测点的坐标（X，Y，Z）。
1.3 GPS特点
（1）全球覆盖。GPS有24颗卫星，且分布合理，轨道高达20200km，任何地方至少能同时看到4颗以上卫星，可以实现全球连续导航定位。
（2）全天候导航定位。用户设备只需接收GPS信号就可进行导航定位，不受气象条件和昼夜变化的影响。
（3）高精度导航定位。其定位精度（无SA）可达到的程度为：C/A码（SPS）：20m～40m（单点）；P码（PPS）：3m以下（单点）；测速精度：1m/s～3m/s； 测时精度：0.1μs。
（4）多用途。GPS 不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，在军事、航空摄影、气象信息、航海、智能交通系统、工程测量等领域得到了广泛的应用。
2.GPS在土石方工程测量中的应用
2.1 GPS 测量的特点
（1）全天候作业。GPS观测不受气候条件影响，可连续不间断地进行。
（2）测站间不需通视。由于GPS相对定位测量是由若干台GPS接收机同时对天空卫星进行观测，从而获得接收机间的基线向量，因此， 各点之间不需通视。
（3）可提供三维坐标。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标， 而常规的大地测量将平面与高程采用不同方法分别测量。
（4）观测时间短。快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站距离在15km 以内时，流动站观测时间只需1min～2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1min～2min，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
（5）定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km内可达10-6，在100km～500km 可达10-7，1000km以上可达10-9。在300m～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm。
（6）操作简便。随着GPS接收机的改进，GPS测量的自动化程度越来越高。在一个测站上，作业员只需安装并开关仪器、量取仪器高程和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成，极大地减轻了测量人员的劳动强度。
2.2 GPS土石方测量的应用
当所需进行测量的工程地形非常复杂，土石方开挖整治高差近上米时，工程难度很大。假如采用常规测量方法，要保证测量精度要求较困难，而且测量工作非常艰巨。因此在控制测量中采用了GPS进行导线网测量及平差， 运用GPS动态放样，这样既省时又省力，而且确保测量精度。GPS测量的应用为地形变化幅度较大的工程顺利施工打下了堅实的基础。
3.结论
由上可以看出GPS测量在大型土石方工程测量中具有以下优点：
（1）由于可全天候进行测量和测点之间不需通视等优点，GPS测量非常适合于国家大地点破坏严重地区、地形条件困难地区的工程测量工作。
（2）GPS测量精度高，极大地提高了测量结果质量。
（3）提高作业效率，减少作业强度。GPS测量自动化程度很高， 整个作业过程由微电子技术、计算机技术控制、自动记录、自动数据预处理、自动平差计算，测量作业效率是常规测量的3倍以上。GPS已经广泛应用于国民经济的各个行业， 我们正在享受着它带来的各种好处。
随着人们对GPS的研究日益深入，GPS技术会不断发展和完善， GPS接收设备也会不断更新换代，全球定位系统（GPS）的导航和定位精度也越来越高，GPS测量技术日趋成熟和完善，其应用面将更加宽广， 给工程测量领域带来了巨大的变革。
【参考文献】
[1]张勤，李家权.GPS测量原理及应用[M].北京：科学出版社，2005.
[2]徐绍铨，张华海.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[3]方群，袁建平，郑谔.卫星定位导航基础[M].西安：西北工业大学出版社，2003.
[4]交通部第一公路勘察设计院.JTJ/T066—98公路全球定位系统（GPS）测量规范[S].北京：人民交通出版社，2005.
【关键词】工程测量；全球定位系统（ GPS）；土石方工程
1.GPS技术概述
GPS又称为全球定位系统（Global Positioning SystemGPS），是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。
1.1 GPS 系统的组成
GPS系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收设备部分。
（1）空间部分。GPS卫星星座。GPS卫星星座由21颗工作卫星、3颗备用卫星组成，卫星均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道4 颗卫星，轨道倾角为55°。
（2）地面监控部分。运行控制系统包括1个主控站、5个监测站和3个地面控制站。主控站位于科罗拉多斯普林斯的加州范登堡空军基地。主要负责从监测站收集数据，计算轨道和钟参数， 结果送入控制站。5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿松森岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）和夸贾林环礁（北太平洋马绍尔群岛），负责对视见卫星监测采集数据。3个地面控制站分别位于阿松森岛、迭戈加西亚岛和夸贾林环礁，负责向卫星上行发送信息。
（3）用户接收设备部分。用户接收设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件及微处理机及其终端设备组成。接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息，经数据处理完成导航、定位、跟踪、测绘和定时工作。
1.2 GPS定位原理以高速运动的卫星瞬间的位置作为已知的起算数据，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，采用空间距离后方交汇的方法，计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。GPS的定位至少需要4颗卫星的观测来进行计算。设某颗卫星的坐标（Xi，Yi，Zi）与待测点的距离Ri可测出，待测点的坐标（X，Y，Z）。
1.3 GPS特点
（1）全球覆盖。GPS有24颗卫星，且分布合理，轨道高达20200km，任何地方至少能同时看到4颗以上卫星，可以实现全球连续导航定位。
（2）全天候导航定位。用户设备只需接收GPS信号就可进行导航定位，不受气象条件和昼夜变化的影响。
（3）高精度导航定位。其定位精度（无SA）可达到的程度为：C/A码（SPS）：20m～40m（单点）；P码（PPS）：3m以下（单点）；测速精度：1m/s～3m/s； 测时精度：0.1μs。
（4）多用途。GPS 不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，在军事、航空摄影、气象信息、航海、智能交通系统、工程测量等领域得到了广泛的应用。
2.GPS在土石方工程测量中的应用
2.1 GPS 测量的特点
（1）全天候作业。GPS观测不受气候条件影响，可连续不间断地进行。
（2）测站间不需通视。由于GPS相对定位测量是由若干台GPS接收机同时对天空卫星进行观测，从而获得接收机间的基线向量，因此， 各点之间不需通视。
（3）可提供三维坐标。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标， 而常规的大地测量将平面与高程采用不同方法分别测量。
（4）观测时间短。快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站距离在15km 以内时，流动站观测时间只需1min～2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1min～2min，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
（5）定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km内可达10-6，在100km～500km 可达10-7，1000km以上可达10-9。在300m～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm。
（6）操作简便。随着GPS接收机的改进，GPS测量的自动化程度越来越高。在一个测站上，作业员只需安装并开关仪器、量取仪器高程和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成，极大地减轻了测量人员的劳动强度。
2.2 GPS土石方测量的应用
当所需进行测量的工程地形非常复杂，土石方开挖整治高差近上米时，工程难度很大。假如采用常规测量方法，要保证测量精度要求较困难，而且测量工作非常艰巨。因此在控制测量中采用了GPS进行导线网测量及平差， 运用GPS动态放样，这样既省时又省力，而且确保测量精度。GPS测量的应用为地形变化幅度较大的工程顺利施工打下了堅实的基础。
3.结论
由上可以看出GPS测量在大型土石方工程测量中具有以下优点：
（1）由于可全天候进行测量和测点之间不需通视等优点，GPS测量非常适合于国家大地点破坏严重地区、地形条件困难地区的工程测量工作。
（2）GPS测量精度高，极大地提高了测量结果质量。
（3）提高作业效率，减少作业强度。GPS测量自动化程度很高， 整个作业过程由微电子技术、计算机技术控制、自动记录、自动数据预处理、自动平差计算，测量作业效率是常规测量的3倍以上。GPS已经广泛应用于国民经济的各个行业， 我们正在享受着它带来的各种好处。
随着人们对GPS的研究日益深入，GPS技术会不断发展和完善， GPS接收设备也会不断更新换代，全球定位系统（GPS）的导航和定位精度也越来越高，GPS测量技术日趋成熟和完善，其应用面将更加宽广， 给工程测量领域带来了巨大的变革。
【参考文献】
[1]张勤，李家权.GPS测量原理及应用[M].北京：科学出版社，2005.
[2]徐绍铨，张华海.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[3]方群，袁建平，郑谔.卫星定位导航基础[M].西安：西北工业大学出版社，2003.
[4]交通部第一公路勘察设计院.JTJ/T066—98公路全球定位系统（GPS）测量规范[S].北京：人民交通出版社，2005.