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GPS定位系統在工程測量中的應用
出處: 作者: 杭州繪天網 2008年10月15日

    全球定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS)是美國從20世紀70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛星導航與定位系統,歷時20年,耗資200多億美元,分三階段研制,陸續投入使用,并于1994年全面建成。GPS是以衛星為基礎的無線電衛星導航定位系統,它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的精密三維導航與定位功能,而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此,GPS技術率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到了應用[1],并在軍事、交通、通信、資源、管理等領域展開了研究并得到廣泛應用。本文介紹GPS在山區工程測量中的應用,并提出幾點體會。
  1 GPS簡介
  1.1 GPS構成
  GPS主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成。
 ?。?)GPS空間衛星星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內,軌道平面的傾角為55°,衛星的平均高度為20 200 km,運行周期為11 h 58 min。衛星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號,導航定位信號中含有衛星的位置信息,使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻,在高度角15°以上,平均可同時觀測到6顆衛星,最多可達到9顆。
   (2)GPS地面監控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站根據各監 測站對GPS衛星的觀測數據,計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等,并將這些數據編制成導航電文,傳送到注入站,再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。 

(3)GPS用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備(如計算機)等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號,跟蹤衛星的運行,并對信號進行交換、放大和處理,再通過計算機和相應軟件,經基線解算、網平差,求出GPS接收機中心(測站點)的三維坐標。
  1.2 GPS定位原理
  GPS定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的[2]。如圖1所示,在待 測點Q設置GPS接收機,在某一時刻tk同時接收到3顆(或3顆以上)衛星S1、S2、S3所發出的信號。通過數據處理和計算,可求得該時刻接收機天線中心(測站點)至衛星的距離ρ1、ρ2、ρ3。根據衛星星歷可查到該時刻3顆衛星的三維坐標(Xj,Yj,Zj),j=1,2,3,從而由下式解算出Q點的三維坐標(X,Y,Z):

  1.3 GPS測量的特點
  相對于常規測量來說,GPS測量主要有以下特點:①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規測量,在小于50 km的基線上,其相對定位精度可達1×10-6,在大于1 000 km的基線上可達1×10-8。②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視,可根據實際需要確定點位,使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善,軟件的不斷更新,在進行GPS測量時,靜態相對定位每站僅需20 min左右,動態相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高,操作智能化,觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數,接收機即可進行自動觀測和記錄。⑤全天候作業。GPS衛星數目多,且分布均勻,可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測,一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標,其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。
  2 應用實例
  2.1 工程概況
  本文涉及的工程由某集團公司投資建造,是一個集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項目。工程位于城郊,占地66.7 hm2多,屬兩山夾一溝地形,山地面積約占三分之二。最高處約90 m。山上樹木茂盛,地形復雜,通視困難,行走不便。為了該工程的設計和施工,需建立首級控制網??悸塹焦こ談叢?,工期較緊,測區通視困難,地形起伏大等因素,決定采用GPS測量。
  2.2 GPS測量的技術設計
 ?。?)設計依據 GPS測量的技術設計主要依據1999年建設部發布的行業標準《城市測量規范》、1997年建設部發布的行業標準《全球定位系統城市測量技術規程》[3]及工程測量合同有關要求制定的。
 ?。?)設計精度 根據工程需要和測區情況,選擇城市或工程二級GPS網作為測區首級控制網。要求平均邊長小于1 km,最弱邊相對中誤差小于1/10 000,GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15 mm,比例誤差系 數b≤20×10-6。

 ?。?)設計基準和網形 如圖2所示,控制網共12個點,其中聯測已知平面控制點2個(I12,I13),高程控制點5個(I12,I13,105,109,110,其高程由四等水準測得)。采用3臺GPS接收機觀測,網形布設成邊連式。
 ?。?)觀測計劃 根據GPS衛星的可見預報圖和幾何圖形強度(空間位置因子PDOP),選擇最佳觀測時段(衛星多于4顆,且分布均勻,PDOP值小于6),并編排作業調度表。
  2.3 GPS測量的外業實施
 ?。?)選點 GPS測量測站點之間不要求一定通視,圖形結構也比較靈活,因此,點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性,并顧及后續測量,選點時應著重考慮:①每點最好與某一點通視,以便后續測量工作的使用;②點周圍高度角15°以上不要有障礙物,以免信號被遮擋或吸收;③點位要遠離大功率無線電發射源、高壓電線等,以免電磁場對信號的干擾;④點位應選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方,以便觀測和日后使用;⑤選點結束后,按要求埋設標石,并填寫點之記。
 ?。?)觀測 根據GPS作業調度表的安排進行觀測,采取靜態相對定位,衛星高度角15°,時段長度45min,采樣間隔10 s。在3個點上同時安置3臺接收機天線(對中、整平、定向),量取天線高,測量氣象數據,開機觀察,當各項指標達到要求時,按接收機的提示輸入相關數據,則接收機自動記錄,觀測者填寫測量手簿。
  2.4 GPS測量的數據處理
  GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段,采用隨機軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后,得到GPS控制點的三維坐標(見表1),其各項精度指標符合技術設計要求。
  3 結束語
  通過GPS在測量中的應用,得到如下體會。
 ?。?)GPS控制網選點靈活,布網方便,基本不受通視、網形的限制,特別是在地形復雜、通視困難的測區,更顯其優越性。但由于測區條件較差,邊長較短(平均邊長不到300 m),基線相對精度較低,個別邊長相對精度大于1/10 000。因此,當精度要求較高時,應避免短邊,無法避免時,要謹慎觀測。
 ?。?)GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化,且觀測時間在不斷減少,大大降低了作業強度,觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制,造成樹木遮擋,影響對衛星的觀測及信號的質量,經重測后通過。因此,應嚴格按有關要求選點,擇最佳時段觀測,并注意手機、步話機等設備的使用。
 ?。?)GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成,只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度,即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標。但由于聯測已知高程點較少(僅聯測5個),致使的控制點高程精度較低。因此,要保證控制點高程的精度,必須聯測足夠的已知高程點。
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