摘要：GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以徐盐铁路项目为例，概略叙述GPS系统在徐盐铁路工程控制测量中的应用。
关键词：GPS定位系统 徐盐铁路工程 控制测量 应用
1、GPS系统概述
1.1 GPS系统由空间卫星部分、地面监控部分和用户接收部分三部分组成。
1.1.1 空间卫星部分 GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60 °，轨道和地球赤道的倾角为55 °，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地面监控部分 GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在范登堡空军基地的一个主控站、一个注入站和一个监测站及其它地方的四个检测部分组成。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。
1.1.3 GPS信号接收机的任务是：跟踪可见卫星的运行，捕获一定卫星高度截至角的待测卫星信号，并对GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。
1.2 GPS的工作原理
静态测量是用两台或两台以上GPS接收机同步观测，对观测值进行处理，可等到两测站间精密的WGS-84基线向量，再经过平差、坐标传递、坐标转换等工作，最终得到测点的坐标。GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。
1.3 GPS测量的技术特点
相对于经典测量学来说，GPS测量有以下特点：
1.3.1测站之间无需通视
经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15°以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间。
1.3.2 定位精度高
一般双频GPS接收机基线解算精度为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。
1.3.3 观测时间短
目前，利用经典的静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时间，对于单频接收机在1h左右，对于双频接收机仅需15～20min。采用实时动态定位模式，流动站初始化观测1～5min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。
1.3.4 提供三维坐标
经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆GPS测量中，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测量观测站的大地高程。
1.3.5 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。
1.3.6全天候作业
GPS卫星较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作，通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。
2、GPS系统在徐盐铁路工程控制测量中的应用
2.1 工程概况
徐盐铁路全长约314公里，全程设计行车速度为250公里/小时。沿途城市经连淮扬镇铁路、沿海铁路、京沪高速铁路。本文涉及的是中国水利水电第四工程局承建的新建徐盐铁路站前工程XYZQ-Ⅱ标段，起讫里程DK28+997～DK83+182，全长50.171km。共有两个站场（双沟站和睢宁站）和三段区间路基，三座特大桥（后马庄特大桥、双沟特大桥和睢宁特大桥），期间还有13座连续梁和一座大型重难点转体梁（70+132+70）m，工作量大且难度系数高。
2.2 GPS控制测量的技术设计
2.2.1 设计依据。《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）、《精密工程测量规范》（GB/T15314-94）、《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》（TB10054-97）、《全球定位系统（GPS）测量规范》(GBT/18314-2009)。
2.2.2 设计精度。在既有高速铁路平面控制点CPI、CPII的情况下建立加密控制网，按国标C级GPS要求进行加密。要求基线方向中误差小于1.7〞，最弱边相对中误差小于1/100000，最弱点小于±15mm。
2.3 GPS控制测量的外业实施
2.3.1选点。GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：①每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用；②点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；③点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；④点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；⑤选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。
2.3.2 观测。根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度60min，采样间隔15 s。
2.4GPS测量的数据处理
加密控制网平差包括三维无约束平差和二维约束平差，数据采用基线向量的双差固定解进行。网平差和坐标转换均利用武汉大学的CosaGPS V5.0软件，首先进行三维无约束平差，以检定基线向量网自身的内符合精度及其系统误差和粗差。三维无约束平差计算后精度统计如下：最弱边（JM2-18～JM2-19）中误差5.6mm，边长378.238米，相对中误差1/235000，小于1/100000的限差，精度满足要求。三维无约束平差计算完成后选择测段内满足限差要求的所有CPI、CPII平面控制点为已知点进行约束平差，按与原测相同的分带投影的独立工程坐标系对基线网进行约束转换，得到CPII平面控制网中各点的工程独立坐标成果。二维约束平差计算后精度统计如下：最弱边（JM2-18～JM2-19）中误差5.9mm，边长378.238米，相对中误差1/209000，小于1/100000的限差，基线边方向中误差0.58秒，小于限差±1.7秒，精度满足要求。
3、结束语
通过GPS在徐盐铁路工程中控制测量的应用，总结了不少经验。
（1）GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300 m），基线相对精度较低，个别边长相对精度很差。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。
（2）GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。
（3）GPS测量的数据传输和处理只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于徐盐铁路工程高程精度为二等水准要求，GPS高程精度还无法满足要求。
参考文献
[1]《全球定位系统（GPS）测量规范》(GBT/18314-2009)
[2]《精密工程测量规范》（GB/T15314-94）
论文作者:胡汉卿
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/19
标签：测量论文; 精度论文; 基线论文; 接收机论文; 误差论文; 信号论文; 坐标论文; 《防护工程》2018年第27期论文;