GPS系统在工程测量中存在的问题及优化措施.pdf

工 程 技 术产业创新研究 2023.6 第12 期136作者简介：杨逸，女，河北沧州人；研究方向：地理空间信息工程。GPS 系统在工程测量中存在的问题及优化措施杨 逸（辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000）摘要：GPS 技术在现代工程测量中的应用越来越广泛，它促进了现代测控技术的发展，同时也使测控系统的精度得到了极大提升，为工程施工提供了有力保障。GPS 具有操作简单、精度高等优点，在工程、矿山等工程中具有较好的应用前景。随着现代工程技术的进步和 GPS 技术的飞速发展，GPS 技术在实践中仍有很多问题，制约了其广泛的应用。因此，加强 GPS 技术在实际工程中的运用，对提高 GPS 技术的应用具有重要意义。本文着重介绍了 GPS 技术在工程勘测中的应用，并结合工程实践，对 GPS 技术在工程勘察中的应用进行了初步探索。关键词：GPS 技术；工程测量；应用前景；发展趋势一、引言（一）GPS 技术概述1957 年 10 月 4 日，苏联发射世界第一颗人造地球卫星斯普特尼克 1 号（Sputnik-1）。卫星入轨后，科学家意外发现：当卫星过境时，地面站测量可检测到明显的无线电信号多普勒频移信息，该信息可用于卫星轨道确定。该发现及研究成果推动了美国海军设计建设世界上第一个卫星导航系统子午（Transit）卫星系统并将其用于解决海上舰船在水面定位导航的问题，开启了人类利用人造卫星进行导航定位的新纪元。20 世纪中叶，美国发展了以多普勒为基础的卫星导航，用于卫星的定位和速度测量。它的问世，使得地球物理勘探技术达到了一个新的高度，成为地球物理勘探的重要组成部分。多普勒定位技术具有快速定位、不受恶劣天气影响、精确分布均匀等特点在测量点处，利用卫星采集到的资料，可以获得该地点的三维地心坐标。多普勒接收机于 1975 年在海南率先投入使用，并与我国开展了一项标准联合试验1。美国子午卫星和苏联的卫星定位等多个方面对多普勒大地球网进行了多个领域的测量，但技术人员在使用卫星数目和耗时较长的情况下，仍然存在着诸多问题。美国子午卫星在轨道上仅有 6 个卫星，它们都在北半球和北半球的轨道上运行。因为一个接收机往往要用来观测一个卫星，并且需要大量的数据，因此每个卫星的定位精度都在 10 米以内。在17 个合格的人造卫星上，它的定位精度将大大提高，最高可达 0.5 米。由于观测量大，不能进行精确的定位和测量，因此不能应用到 GPS 中，这就限制了它的应用。子午卫星的轨道很小，而且它的电磁信号很少，很难消除它对它的影响。由于子午卫星的位置误差很大，误差只有一米，因此不能在很多领域中应用。为了解决以上问题，美国一直在探索更加精确、快速、准确的定位系统，从而 GPS 卫星导航系统。（二）GPS 全球定位系统的建立1973 年，美国批准了一项新的导航技术，从此开始了全球定位系统，这是一种导航装置，向地球发送无线电信号。能随时将电磁讯号传送到全世界，不受气候干扰，可针对不同区域速度及时间进行精确定位2。GPS 系统从立项至今，共分为方案论证、系统论证、产品试验三个阶段。GPS 导航系统投入了数十亿美金，包括卫星群、地面控制和用户接收装置三大块。全球定位系统共有24 个卫星，分布于 6 个轨道平面，3 个为后备。该人造卫星离地 2 万多千米，以倾角 55 轨道运行，将发射两种不同的电磁信号，环绕一圈大约 12 小时，能够观测到陆地上的人造卫星需要 5 小时。在水平角度比地平线高的情况下，轨道上可同时观测 6 颗卫星，最多可观测 9 颗。在欧盟开始建立自己的 Galileo 导航系统的同时，美国政府也采取一套新的方法来抢占全球卫星导航和定位市场从而提高其准确率；连续添加两个民用频段，提高了 GPS 的传输性能，使得 GPS 系统的功能得到了进一步的改善。工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究137（三）研究内容本论文着重探讨了 GPS 技术于工程测绘领域的实际应用，并结合 GPS 技术应用于工程勘察中的优势，总结了 GPS应用于工程勘察中的应用及 GPS 技术的发展历史；针对现代GPS 技术的问题与缺陷，探讨相关解决方法，以期能更好地促进现代 GPS 技术在实际工程中的应用与发展。二、GPS 在工程测量中的应用及发展趋势（一）GPS 测绘技术在工程测绘中的应用过程GPS 技术在实际应用中的应用，是保证整个项目能否正常进行的先决条件。GPS 技术在实际应用中的应用，包括四大部分：选定测定点、设立测标台、实地观察、资料处理。GPS 技术相对于其他技术，在运用 GPS 技术的同时，要保证所采用的相关仪器方便、视野广，因此在进行测量站的选取上，在确定没有外部电磁干扰的前提下，根据有关规定，进行相应的测量。在设立测量标记时，应将标石埋设以方便后续工作。在 GPS 技术中，最重要的一环是在野外进行测绘时利用 GPS 采集和实时观测来准确地进行定位。这一过程需要严格遵循事先制订的技术规范和具体的生产过程。同时，将采集到的 GPS 数据进行处理，这个过程将由电脑来进行，在此过程中，将采集到的资料进行检验，以保证精确和高品质的测定3。（二）GPS 技术在工程测量领域的应用利用现代 GPS 技术在工程测量领域的优势，使其应用范围进一步扩大，并日益普及于各种工程测量领域。同时，工程建设所面临的环境也更为复杂，对工程测量质量的要求也更高，随着社会现代化的发展，对工程建设各个领域的质量要求进一步提高4。提高工程测量质量，保证工程测量技术选择的准确性。GPS 技术在工程测量中的应用有如下内容。1.在工程施工阶段的运用GPS 技术在工程建设中应用，必须事先制订相应的测量方案，按有关规定进行测量精度的设计，并编制 GPS 卫星能见度预测地图，确定其几何强度，并选定最佳观测时机。在GPS 信号不好的山区，需要进行 GPS 网络与大地的连接，以保证测量结果的准确性，从而为后续的工程建设创造良好的条件。在工程放样阶段，需要对工程图纸上的具体设计高度和坐标进行现场标记，使用 GPS 技术时，相关的测量人员只要按照相应的指示，将样点的位置依次输入仪器中，然后按照相应的提示来进行，从而加快放样速度，有效减少了施工过程中的麻烦4。利用 GPS 相对位置方法获取断层两侧 GPS 测点基线矢量的变化，以中缅天然气管道工程断层监测为例。而且在管线工程中的三个 GPS 断层观测站，正好可以将它们的断层和管线走向分成三种类型，所以在两三个测点的布置下，根据管线的具体走向特点，对断层位移进行最精确的监测。2.在铁路等相关工程测量中的相关运用GPS 技术能有效地监测线路，确保线路畅通可以平稳地进行测量。通常，铁路项目的覆盖面比较宽泛。很多工程测量控制网都是以细长型为主，部分线路将穿越荒无人烟的区域。若采用常规的计量方式，将会极大地提高计量工作的难度，加大事故的风险。公路测量是指使用简单专用的测量工具测量道路长度、道路宽度和路基相对高度的全过程。公路勘察设计应先对其主要特征进行测试，再依据实测数据对其进行安装、调试。与公路机动测量相比，公路测绘的标量值精度要低得多，但必须在规定的时间内达到测绘的总体目标，这意味着公路测绘的处理速度相对较快5。近年来，随着网络技术水平的不断提高，GPS 定位技术的发展趋势越来越完善。目前，在众多海外高速公路建设项目中，施工企业已逐渐采用 GPS 定位技术辅助对高速公路进行勘测。国外在高速公路建设项目中使用 GPS 定位技术取得了明显成效。现阶段，GPS 技术在公路上的具体测量方法还没有被广泛推广和使用，GPS 在公路测绘的技术仍处在市场化的状态。RTK 是一种传统的道路标定方法。公路勘测技术工作者普遍采用 RTK 技术与地基全站仪相结合的方法。两种技术的合理融合促进了 GPS 技术的发展。充分利用非结构化功能，结合基础全站仪轻巧敏捷的特性，有机结合两种技术，提供便捷、快速、有效的测量方法及各阶段公路测绘的专业技能，实现道路测绘。工技术上的需求，使公路勘测工作的工作效率得到了极大的改善。并与之配套开发了一套用于高速公路监测的实用软件。3.在通讯工程测量中的运用在通讯领域，对测量资料的要求越来越高。所以，在进行相关的测量时，必须建立相应的资料与内容，并严格按照前期的设计规范和确定的线路，进行深度的分析，立即进行比较，以防止出现较大的错误。在具体测量过程中，应采用连续载波通信差分信号测量的方法，在确定了定标后，利用GPS 技术进行了线路的测量。但是，在此基础上，采用 GPS技术进行总体的规划和测量。在采用连续载波差动信号检测中，如何合理地减小差动信号的误差，在施工放样前应进行一定的校准，然后进行重复测量6。三、GPS 技术在工程测量应用中存在的问题及优化措施（一）GPS 技术在工程测量中运用存在的问题GPS 技术在工程测量中的应用越来越广泛，利用 GPS 技术本身的高自动化程度，不受气候、时间和精度的限制，在工程测量中显示出了明显的优越性。然而，随着 GPS 技术的发展和完善，GPS 技术在工程测量领域的应用已经取得了很大的进展，但在实践中仍然有许多问题有待解决。工 程 技 术产业创新研究 2023.6 第12 期1381.技术自身方面的限制就当前而言，GPS 技术在工程测量中的运用，能使其定位准确、测量精度得到最大限度的利用。但由于 GPS 系统在实际应用中需要与网络信号沟通，而通信卫星和接收机的沟通又不能因无线网络精密定位技术的制约而受到干扰。同时，受周边环境影响较大的可能是卫星的采集和发射过程。当在相对隐蔽、封闭的条件下作业时，如植被相对茂密的地面等，就有可能在构建控制网的过程中产生接收不到的信息，造成GPS 技术不能正常应用的情况发生。比如，在隧道施工中，由于地面建筑物、树木等因素阻碍了卫星信号的传递，造成了GPS 信号不能连续地接收。在这种情况下，建筑施工中建立的项目控制网络的精度将不符合具体规定。而且，在进行测量或部分放大的过程中，存在被高大建筑物阻挡的风险，很容易导致 GPS 的数据信息不准确，从而引起观测值的回升，计数不正确。这种做法不但会延缓工程测量工作的进行，而且还会对测量工作的高效率和工作人员的心理状态造成不利的影响，严重地阻碍了工程项目的顺利进行。此外，在确定道路观测点标高的全过程中，必须根据道路点标高的异常情况来确定。利用 GPS 技术对高程进行全过程的测量，不能马上获得全部标准高，这就制约了 GPS 技术在高程上的应用与推广7。2.其他设备干扰问题GPS 信号自身固有的脆弱性使导航服务具有明显的不足，GPS 信号容易受到干扰和篡改，因而无法得到准确的定位。GPS 信号采用了直接扩频技术，把 GPS 信号调成C/A，实现了20460 倍的放大，使得 GPS 信号的传输功率不会过大。按照IDC-GPS-200 的规则，L1 波段的最小功率是-160dBW，L2波段的最小功率是-166dBW，而 L2 波段的最小功率是-166dBW。这也就意味着接收器只接收少量的 GPS 信号，同时GPS 信号不能实现实时更新，这就导致了干扰信号有足够的时间可能进行欺骗。很多单位和个人将会采用定位的遮蔽设备。定位掩蔽技术能够在特定的频段发射宽带噪声，从而使得该地区的导航和定位模块无法正常工作。另外在 L-波段雷达发射主板与 GPS 双模探测器或 GTS1 型数字探测器的小型发射机天线距离 1 米以内时，会严重地影响接收信号质量8。（二）GPS 技术在工程测量中运用的优化措施1.GPS 技术层面在实际的工程测量中，不管是采用动态 GPS 技术，还是采用静止 GPS 技术，其全部的测量程序都与基础仪表的运行和测试程序相结合。在 GPS 技术中，由于技术上的限制，导致了 GPS 定位精度的提高。降低 GPS 的干扰是降低 GPS 系统误差的重要手段。在实际测量工作中，尽可能保证 GPS 数据信号不受影响，并通过各种措施提高其抗干扰性能。通过对某一具体工程项目的实测可知，虽然在地下管线建设领域需要加强基础仪器设备水平测试，确保测量准确度，但在高程测量方面，GPS 技术的精确性很强9。2.GPS 信号抗干扰层面使用跳频二进制偏移载波调制（FrequencyHop-BOC，FH-BOC）广义低模糊抗干扰扩频调制方法，其具有较好的阻截能力、较强的抗窄带及多径干扰能力，具有很好的扩频能力，能够很好地实现对宽频带的高阶扩频，提高了系统的整体性能。FH-BOC 的时频性能主要由四个不同的参数和频率跳变而得到，这使得设计人员可以在很大程度上进行调整和优化。另外，针对 GPS 多径干扰问题，采用传统延迟锁环，它可以对相关区域内的视线信号参数进行估计，并对多径干扰进行估计。NLS 成本函数由 WRELAX（加权傅立叶变换和松弛）求解，从概念和计算上简化了多维优化问题，并将其分解成一维最优问题10。四、结语总之，GPS 技术将越来越广泛地用于工程项目的测量，合理地提高了测量的可靠性和准确性，同时可以缩短工期，提高项目的整体效率。该技术的应用不可避免地存在一些不足。因此，为了更好地合理减少工程项目中后期的测量偏差，必须认真分析科研测绘项目的成果，逐步完善测量技术，使 GPS 技术更加完善，健全，对于中后期工程项目勘察工作的顺利进行，有着非常重要的实际意义。参考文献：1 肖雁峰.北斗和 GPS 系统监测在 GNSS 高铁测量中的应用 J.铁道勘察，2022，48（06）：33-38.2 陈阳，韩天龙，陆宏伟，等.美国 GPS 系统运行控制段的发展与现状 J.中国航天，2022，534（10）：31-35.3 陈伟强.北斗 GPS 双系统应用技术研究 J.电气传动自动化，2022，44（05）：63-66+47.4 毛瑞.现代 GPS 技术在工程测量中的运用 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