摘要：GPS定位技術(shù)的定位精度高、速度快、費(fèi)用省、全天候、操作簡便等特點(diǎn)激起了廣大測量工作者的極大興趣。本文首先介紹了GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則與觀測時(shí)段的選擇，在此基礎(chǔ)上，對于GPS測量外業(yè)的三種方法進(jìn)行分析與比較，最后還討論了GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理處理方法，為適應(yīng)GPS在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：GPS，測量外業(yè)方法，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
　　
　　GPS測量工作與經(jīng)典工程測量工作類似，是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格的工作，實(shí)施這項(xiàng)工作總的原則是，在買足工程建設(shè)對精度和可靠性等的要求下，選擇最合理的作業(yè)方法，達(dá)到盡可能減少經(jīng)費(fèi)、時(shí)間和人力的消耗。因此，對各階段的工作，要精心設(shè)計(jì)、組織和實(shí)施。
　　1GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)
　　GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)，必須依用戶要求按GPS測量規(guī)范實(shí)施[1]。其設(shè)計(jì)的一般原則為：(1)圖形閉合。即GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增強(qiáng)圖形強(qiáng)度和增加檢核條件。(2)有必要的點(diǎn)位重合。GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)與原有地面控制網(wǎng)點(diǎn)有足夠的重合，并力求重合點(diǎn)在網(wǎng)中均勻分布，以便可靠地確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。網(wǎng)點(diǎn)還應(yīng)與一定的水準(zhǔn)點(diǎn)重合，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準(zhǔn)點(diǎn)，以便為大地水準(zhǔn)面的研究提供資料。(3)視野開闊。GPS網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和容易到達(dá)的地方。若需用此點(diǎn)按常規(guī)方法聯(lián)測或擴(kuò)展控制網(wǎng)時(shí)，應(yīng)注意網(wǎng)點(diǎn)間通視情。
　　2GPS觀測時(shí)段選擇
　　GPS定位的實(shí)質(zhì)，是利用數(shù)顆衛(wèi)星的瞬時(shí)空間位置作為已知點(diǎn)，并觀測其至接收機(jī)的距離，按空間距離后交會(huì)原理求取測站(接收站)的三維坐標(biāo)。因此，為保證以足夠的精度求解，既要求有足夠數(shù)量的可視衛(wèi)星，又要求所測衛(wèi)星對觀測站構(gòu)成的幾何圖形有一定強(qiáng)度，即不超過規(guī)定的幾何精度因子GDOP數(shù)，以保證交會(huì)精度。為減弱大氣折射的影響，還要求所測衛(wèi)星的高度角大于10-15度。據(jù)此，觀測前應(yīng)根據(jù)全部衛(wèi)星星歷和觀測的概略坐標(biāo)，選擇相適應(yīng)的觀測時(shí)段和觀測衛(wèi)星。此項(xiàng)工作通常由專用軟件處理。
　　幾何精度因子GDOP通常不允許大于6，經(jīng)分析表明，精度因子GDOP與4顆觀測衛(wèi)星和接收機(jī)所構(gòu)成的六面體體積成反比，當(dāng)4顆衛(wèi)星對觀測站構(gòu)成的錐體，每個(gè)錐面夾角接近109.5度時(shí)，其六面體的體積最大；當(dāng)一顆衛(wèi)星處于天頂，其余3顆衛(wèi)星相距約120度時(shí)，所構(gòu)成的六面體體積接近晶大。
　　這樣，在測站上某一段時(shí)間內(nèi)，可視衛(wèi)星少于4顆；或雖多于4顆，但無法找到4顆衛(wèi)星的高度角大于lO-15度，且精度因子GDOP小于6時(shí)，應(yīng)停止觀測。某些地區(qū)(尤其是低緯度地區(qū))停測段每天可能出現(xiàn)一次，每次延續(xù)的時(shí)間將不超過數(shù)分鐘，這在實(shí)際觀測工作中應(yīng)予注意。目前，接收設(shè)備均能提供選擇觀測時(shí)間所需的數(shù)據(jù)和圖表。
　　3GPS測量外業(yè)方法
　　GPS外業(yè)測量即在制定優(yōu)化的布網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，用GPS接收機(jī)野外采集數(shù)據(jù)。因GPS作業(yè)時(shí)所采用的設(shè)備軟、硬件不同，外業(yè)測量的作業(yè)模式亦有所差異。同時(shí)，不同的作業(yè)方法因觀測時(shí)間和應(yīng)用范圍的不同而有所變化。目前已有多種作業(yè)模式可供選擇[2]。
　　(1)靜態(tài)相對定位模式。作業(yè)方法：采用兩套(或兩套以上)接收設(shè)備，分別安置在一條(或數(shù)條)基線的端點(diǎn)，同步觀測4顆衛(wèi)星l小時(shí)左右，或同步觀測5顆衛(wèi)星20分鐘左右。當(dāng)基線超過lOOkm時(shí)，觀測時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長。定位精度：基線的相對定位精度可達(dá)5mm+lppm×D，D為基線長度(km)。特點(diǎn)；這種作業(yè)模式所觀測過的基線邊，應(yīng)構(gòu)成某種閉合圖形，以便于觀測成果的檢核，提高成果的可靠性和GPS網(wǎng)平差后精度。基線長度可由20km至幾百公里。適用范圍:主要用于建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)或工程變形監(jiān)測網(wǎng)、建立長距離檢校基線、進(jìn)行島嶼與大陸聯(lián)測、鉆井平臺(tái)精密定位等。
　　(2)快速靜態(tài)相對定位模式。作業(yè)方法：在測區(qū)的中部選擇一個(gè)基準(zhǔn)站，并安置一臺(tái)接收設(shè)備連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星；另一臺(tái)接收機(jī)依次到各點(diǎn)流動(dòng)設(shè)站，并且在每個(gè)流動(dòng)站上觀測1～2分鐘。該作業(yè)模式要求，在觀測時(shí)段中必須有5顆衛(wèi)星可供觀測，同時(shí)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距不能超過15km。定位精度：流動(dòng)站相對基準(zhǔn)站的基線誤差，可達(dá)5mm+lppm×D，D為基線長度(km)。特點(diǎn)：接收機(jī)在流動(dòng)站之間流動(dòng)時(shí)，不必保持對所測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，因而可關(guān)閉電源降低能耗。該模式作業(yè)速度快、精度高。缺點(diǎn)是直接觀測邊不構(gòu)成閉合圖形，可靠性較差。適用范圍：主要用于低等級控制測量及其加密、精密工程測量、邊界測量、地籍測量、碎部測量等。
　　(3)動(dòng)態(tài)相對定位模式。作業(yè)方法：在測區(qū)選擇一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，并在其上安置一臺(tái)接收機(jī)，連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上，先在出發(fā)點(diǎn)按快速靜態(tài)相對定位法，靜止觀測1到2分鐘，然后從出發(fā)點(diǎn)開始，在運(yùn)動(dòng)中按約定時(shí)間間隔自動(dòng)觀測。該作業(yè)模式要求：同步觀測5顆衛(wèi)星，其至少有4顆衛(wèi)星應(yīng)保持連續(xù)跟蹤。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離應(yīng)不超過15km。定位精度：運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)之點(diǎn)位精度可達(dá)1-2cm。特點(diǎn)：速度快，精度高，可實(shí)現(xiàn)載體的連續(xù)定位。應(yīng)用范圍：主要用于精密測定載體的運(yùn)動(dòng)軌跡、道路中心測量、海道測量、剖面測量等。
　　4GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
　　與常規(guī)測量不同，GPS測量的觀測值是衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號的相位(載波相位、碼相位)，其幾何意義是接收機(jī)天線中心至衛(wèi)星發(fā)射天線中心的距離，而不是地面點(diǎn)間的相對關(guān)系量(如邊長、角度、高差等)，這就使得GPS測量的數(shù)據(jù)處理具有數(shù)據(jù)量大、處理過程復(fù)雜和數(shù)學(xué)模型、算法形式多樣等特點(diǎn)。因此，必須應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和相應(yīng)軟件進(jìn)行自動(dòng)化處理。
　　數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)定位：在外業(yè)測量過程中完成。其具體操作方法，隨接收機(jī)類型的不同而各異。可參見接收機(jī)的操作使用說明書。
　　數(shù)據(jù)的粗加工：GPS數(shù)據(jù)的粗加工，包括數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分流兩部分。數(shù)據(jù)傳輸就是將記錄于接收機(jī)內(nèi)存貯器或數(shù)據(jù)記錄卡的數(shù)據(jù)，在隨機(jī)軟件的引導(dǎo)下，傳入計(jì)算機(jī)的指定目錄，一般在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，完成數(shù)據(jù)分流。所謂數(shù)據(jù)分流，是指將數(shù)據(jù)中的各類信息，按照類別特性的不同，使用標(biāo)準(zhǔn)格式分別存放于幾個(gè)數(shù)據(jù)文件中，以供后續(xù)處理程序使用。一般形成的數(shù)據(jù)文件有：觀測值文件、星歷文件、測站控制信息文件。
　　數(shù)據(jù)的預(yù)處理：GPS測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在整個(gè)數(shù)據(jù)處理中占有很大比重。其預(yù)處理所采用的模型、方法的優(yōu)劣，直接影響作業(yè)效率和成果質(zhì)量。目前，GPS測量數(shù)據(jù)預(yù)處理包括以下內(nèi)容：(1)GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化。其目的是以統(tǒng)一的格式提供觀測時(shí)段內(nèi)被測衛(wèi)星的連續(xù)軌道，從而使衛(wèi)星軌道位置計(jì)算快速方便。(2)時(shí)鐘多項(xiàng)式的擬合。以多項(xiàng)式擬合方法，提供觀測時(shí)段內(nèi)被測衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)的連續(xù)表達(dá)式，以解決跨世界時(shí)整點(diǎn)的觀測時(shí)段內(nèi)有多組時(shí)鐘參數(shù)問題。(3)初始整周模糊度的預(yù)估和整周跳變的發(fā)現(xiàn)和修復(fù)。通常利用偽距法來估算整周模糊度的初值。此外，由于各種原因，如衛(wèi)星信號被遮擋、接收機(jī)附近電磁干擾、接收機(jī)本身有瞬時(shí)故障等，造成接收機(jī)載波相位測量的暫時(shí)中斷，從中斷到重新鎖定信號繼續(xù)測量這段時(shí)間內(nèi)，接收機(jī)的計(jì)數(shù)器將停止計(jì)數(shù)，因而使中斷后的相位觀測值與未失鎖情況下的相位觀測值相差一個(gè)整數(shù)，稱此現(xiàn)象為整周跳變。必須發(fā)現(xiàn)并對存在整周跳變的觀測值加以改正，否則將會(huì)嚴(yán)重影響成果質(zhì)量和精度。一般要求糾正周以上的整周跳變。(4)觀測值的標(biāo)準(zhǔn)化。即將觀測值按平差處理程序所要求的格式，處理成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件。
　　平差計(jì)算：經(jīng)過預(yù)處理后，觀測值作了某些必要的修工F，成為“凈化”的數(shù)據(jù)，并提供了衛(wèi)星軌道、時(shí)鐘參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，估算了整周模糊度初值。按此既可組成相位觀測值的誤差方程式和法方程，并進(jìn)行平差計(jì)算。計(jì)算中，一般以點(diǎn)間的坐標(biāo)差作為平差未知數(shù)，因而也可稱為GPS基線解算。
　　經(jīng)過GPS相位觀測值的平差計(jì)算，解得各點(diǎn)間的基線向量成果。由于GPS成果屬于WGS-84坐標(biāo)系，因此，必須采用GPS網(wǎng)約束平差或GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差的方法，將它們轉(zhuǎn)換至實(shí)用的國家或地方坐標(biāo)系。
　　5結(jié)語
　　GPS技術(shù)作為一項(xiàng)20世紀(jì)的高新技術(shù)，目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在控制測量中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文就GPS作業(yè)方法進(jìn)行相關(guān)探討，以期充分發(fā)揮GPS技術(shù)的優(yōu)越性，更好地適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域的需要。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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