GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

汪燈林

摘要:在測(cè)繪領(lǐng)域,隨著全站儀的推廣普及,傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái),隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。文章論述了GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶(hù)設(shè)備三部分構(gòu)成,通過(guò)技術(shù)分析,找出GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:GPS定位;工程測(cè)量;地面監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào):P228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0033-02

在測(cè)繪領(lǐng)域,隨著全站儀的推廣普及,傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái),隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測(cè)量通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而求定測(cè)量點(diǎn)的空間位置,它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能,而且具有良好的抗干擾性和保密性?，F(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

一、GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶(hù)設(shè)備三部分構(gòu)成

1.GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi),軌道平面的傾角為55°,衛(wèi)星的平均高度為20200 km,運(yùn)行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無(wú)線電載波向廣大用戶(hù)連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào),導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息,使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻,在高度角15°以上,平均可同時(shí)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星,最多可達(dá)到9顆。

2.GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等,并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文,傳送到注入站,再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

3.GPS用戶(hù)設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào),跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理,再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件,經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差,求出GPS接收機(jī)中心(測(cè)站點(diǎn))的三維坐標(biāo)。

二、GPS定位技術(shù)的優(yōu)越性

從工程測(cè)量的實(shí)施應(yīng)用中,我們可以充分看到GPS測(cè)量的優(yōu)越性,充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

1.采用GPS技術(shù)測(cè)設(shè)方格網(wǎng),比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡(jiǎn)單,點(diǎn)的疏密和邊的長(zhǎng)短可靈活選取,即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接,并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外,它解決了點(diǎn)位之間無(wú)法通視的困難,選點(diǎn)靈活,不需要高標(biāo),同時(shí)還可以保證外業(yè)施測(cè)不受天氣影響。測(cè)設(shè)大型(長(zhǎng)邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí),尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不受到通視條件的限制,但是,工程測(cè)量一般為小范圍測(cè)量并受到工程成本的限制。因此,在實(shí)際的工程測(cè)量中, 仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視,特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí),點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中,如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視,勢(shì)必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度,進(jìn)而影響到橋梁本身的精度。因此,在工程測(cè)量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí),必要時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。

2.GPS方格網(wǎng)點(diǎn)位精度高、誤差分布均勻,不但能夠滿足規(guī)范要求,而且具有較大的精度儲(chǔ)備。

3.采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)是可行的,它比用相對(duì)中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。

4.采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng),因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高,能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。

5.采用GPS-RTK測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測(cè)量法相比,效率可提高一倍以上,并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。一個(gè)參考站可有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè),流動(dòng)站不需由基準(zhǔn)站指揮,單人即可獨(dú)立作業(yè)。

三、GPS定位技術(shù)的不足

GPS技術(shù)以其獨(dú)特而強(qiáng)大的功能與優(yōu)點(diǎn)充分顯示了它在該領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)越性,以及更大、更廣闊的發(fā)展空間。但在該領(lǐng)域?qū)嶋H施工過(guò)程中和后續(xù)工程的建設(shè)和監(jiān)測(cè)中也暴露出了一些不足。

1.GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對(duì)衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算,按照固定模式:距離=速度×?xí)r間,時(shí)間確定之后,速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快,但大氣層不是真空狀態(tài),信號(hào)要受到電離層和對(duì)流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對(duì)此進(jìn)行平均計(jì)算,在某些具體區(qū)域肯定存在誤差;在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹(shù)木等對(duì)信號(hào)的影響,也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播,計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差。

2.與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測(cè)量一樣,使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度,起算點(diǎn)應(yīng)為高等級(jí)的控制點(diǎn),并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測(cè)時(shí),基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過(guò)3～5個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)的連測(cè)、復(fù)核,確?；鶞?zhǔn)站坐標(biāo)在各個(gè)方位觀測(cè)情況下具有一致的精度。

3.大量的工程實(shí)例證明,雖然GPS高程測(cè)量能夠達(dá)到一定的精度,但用GPS施測(cè)的市政工程測(cè)量控制點(diǎn),應(yīng)進(jìn)一步用常規(guī)儀器進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè),保證高程精度滿足市政工程建設(shè)的需要。

4.GPS測(cè)量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測(cè)點(diǎn)位的精度。由于GPS測(cè)量是通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的,任何可能影響信號(hào)接收的因素出現(xiàn)干擾時(shí),所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此,在選擇測(cè)量點(diǎn)位時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)點(diǎn)位視野開(kāi)闊,向上15°,視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物;(2)盡量遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源,間距應(yīng)不小于400 m,遠(yuǎn)離高壓輸電線路,間距應(yīng)不小于200 m;(3)遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體,并盡量避開(kāi)大面積的水域。

5.GPS測(cè)量更適用于視野開(kāi)闊、障礙物較少的新區(qū)建設(shè)、野外勘探定位等,在老城區(qū)的建設(shè)中,使用GPS測(cè)量,或者接收不到信號(hào),或者雖接收到信號(hào),但一直處于浮動(dòng)狀態(tài),出現(xiàn)假固定或者不能固定,因此所得數(shù)據(jù)往往誤差較大,既無(wú)效率,又無(wú)精度,不能顯示出GPS測(cè)量的優(yōu)越性。

6.GPS測(cè)量成果與常規(guī)測(cè)量成果之間,不同型號(hào)GPS測(cè)量成果之間存在差異,有時(shí)相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí),邊長(zhǎng)一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正:(1)歸算至大地水準(zhǔn)面的改正;(2)歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺(tái)平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問(wèn)題,而三維聯(lián)臺(tái)平差模型是一個(gè)多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級(jí)平差系統(tǒng),平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度,這對(duì)于點(diǎn)位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時(shí),需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測(cè)值,這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。

7.GPS及其相關(guān)技術(shù)是一門(mén)新興起的技術(shù),其運(yùn)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善,目前我國(guó)還沒(méi)有頒布統(tǒng)一的地理信息標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)航產(chǎn)品生產(chǎn)商大多使用自己開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的電子地圖,這些電子地圖一般相互不兼容。另外,產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,產(chǎn)品市場(chǎng)沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn),特別是軟件產(chǎn)品沒(méi)有形成統(tǒng)一的規(guī)范。這還待有關(guān)部門(mén)進(jìn)一步研究制定。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在工程測(cè)量領(lǐng)域中,由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能,充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測(cè)量工作中比常規(guī)控制測(cè)量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性,同時(shí)也存在一些不足,還有待于進(jìn)一步研究改善來(lái)適應(yīng)實(shí)際測(cè)量工作。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測(cè)量中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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