淺談GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

王念龍

摘要:隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)不斷完善及計(jì)算機(jī)技術(shù)和相應(yīng)科學(xué)的發(fā)展,GPS技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中不斷擴(kuò)展應(yīng)用范圍,使測(cè)繪定位技術(shù)發(fā)生了革命性的變革,為工程測(cè)量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。文章介紹了GPS系統(tǒng)的組成、工作原理、質(zhì)量檢驗(yàn)及應(yīng)用體會(huì)。

關(guān)鍵詞:GPS技術(shù);GPS系統(tǒng);工作原理;高程控制點(diǎn)

中圖分類號(hào):TV453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)29-0190-02

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制,歷時(shí)20年,耗資200億美元,于1994年全面建成的利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。它是繼阿波羅登月計(jì)劃、航天飛機(jī)后的美國(guó)第三大航天工程。如今,GPS已經(jīng)成為當(dāng)令世界上最實(shí)用,也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。隨著我國(guó)建筑交通事業(yè)的發(fā)展,一次性確定三維坐標(biāo)的、高速度、高效率、高精度的GPS 技術(shù)在工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

一、GPS系統(tǒng)的組成

GPS 全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。

(一)空間衛(wèi)星群

GPS的空間衛(wèi)星群是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星群,并均勻分布在6 個(gè)軌道面上,各平面之間交角為60°,軌道和地球赤道的傾角為55°,衛(wèi)星的平均高度為20200 km,運(yùn)行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào),這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4～11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。

(二)GPS的地面控制系統(tǒng)

GPS 的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站,主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(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注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中去;同時(shí)還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制,向衛(wèi)星發(fā)布指令,調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào),監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。

(三)GPS的用戶部分設(shè)備

用戶部分設(shè)備由GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成,其作用是由捕獲到按一定衛(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)等。隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶來了極大的方便。

二、GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是根據(jù)測(cè)量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)GPS定位。首先我們假定在待測(cè)點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī),在某一時(shí)刻tk同時(shí)接收到3顆(或3顆以上)衛(wèi)星S1、S2、S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心(測(cè)站點(diǎn))至衛(wèi)星的距離ρ1、ρ2、ρ3根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(Xj,Yj,Zj),j=1,2,3,從而解算出Q點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。

三、GPS測(cè)量的特點(diǎn)

(一)測(cè)站之間無須通視

測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。而GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互通視,可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位,GPS這一特點(diǎn), 使得選點(diǎn)更加靈活方便。

(二)觀測(cè)時(shí)間短

觀測(cè)時(shí)間短采用GPS 布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30～40min左右,隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善,軟件的不斷更新,在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí),靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20 min左右,動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。例如使用Timble4800GPS 接收機(jī)的RTK 法可在5s以內(nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

(三)提供三維坐標(biāo)

GPS 測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí),可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

(四)定位精度高

一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm,而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm,GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng),但隨著距離的增長(zhǎng),GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明,在在小于50km的基線上,其相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6,在大于1000 km的基線上可達(dá)1×10-8。

(五)操作簡(jiǎn)便

GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作智能化,觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù),接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。

(六)全天候作業(yè)

GPS衛(wèi)星數(shù)目多,且分布均勻,可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè),一般不受天氣狀況的影響。

四、GPS測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量檢驗(yàn)

了解測(cè)量?jī)x器性能、工作特性及可能達(dá)到的精度水平。既是制定GPS作業(yè)計(jì)劃的依據(jù),也是GPS定位測(cè)量順利完成的重要保證。對(duì)GPS測(cè)量?jī)x器先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn)是很有必要的測(cè)量型GPS接收機(jī)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)主要參照國(guó)家測(cè)繪局發(fā)布的中華人民共和國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程(1995-07-01),具體主要檢驗(yàn)方法:(1)天線相位中心穩(wěn)定性測(cè)試;(2)內(nèi)部噪聲水平測(cè)試;(3)野外作業(yè)性能及不同測(cè)程精度指標(biāo)的測(cè)試;(4)頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià);(5)高低溫性能測(cè)試。

五、應(yīng)用實(shí)例

(一)工程概況

某工程位于城郊,占地66.7hm2多,山地面積約占三分之二。最高處約90m,山上樹木茂盛,地形復(fù)雜,通視困難。工程規(guī)劃是建造一個(gè)集休閑、娛樂、旅游、渡假等功能于一體的綜合項(xiàng)目。為了該工程的設(shè)計(jì)和施工,考慮到工程復(fù)雜,工期較緊,測(cè)區(qū)通視困難,地形起伏大等因素,決定采用GPS測(cè)量。

(二)GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)依據(jù)。主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測(cè)量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》及工程測(cè)量合同有關(guān)要求。

2.設(shè)計(jì)精度。根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況,選擇工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于1 km,最弱邊相對(duì)中誤差小于1/10000,GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15 mm,比例誤差系數(shù)b≤20×10-6。

3.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形?？刂凭W(wǎng)共12個(gè)點(diǎn),其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)2個(gè)(I12,I13),高程控制點(diǎn)5個(gè)(I12,I13,105,109,110,其高程由四等水準(zhǔn)測(cè)得)。采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè),網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

4.觀測(cè)計(jì)劃。根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度(空間位置因子PDOP),選擇最佳觀測(cè)時(shí)段(衛(wèi)星多于4顆,且分布均勻,PDOP值小于6),并編排作業(yè)調(diào)度表。

(三)GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

1.選點(diǎn)。GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視,圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,因此,點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性,要注意選點(diǎn)對(duì)后續(xù)測(cè)量的影響。

2.觀測(cè)。根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè),采取靜態(tài)相對(duì)定位,衛(wèi)星高度角15°,時(shí)段長(zhǎng)度45min,采樣間隔10 s。在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)接收機(jī)天線(對(duì)中、整平、定向),量取天線高,測(cè)量氣象數(shù)據(jù)。

(四)GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段,采用隨機(jī)軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測(cè)和網(wǎng)平差后,得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo),其各項(xiàng)精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

六、GPS測(cè)量的應(yīng)用體會(huì)

1.GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活,布網(wǎng)方便,基本不受通視、網(wǎng)形的限制,它的作業(yè)不受距離限制,非常適合于國(guó)家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。

2.GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化,整個(gè)作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制,自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少,它不受人為因素的影響。可以大大提高工作及成果質(zhì)量。但由于個(gè)別點(diǎn)的選定受地形條件限制,造成樹木遮擋,影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量,經(jīng)重測(cè)后通過。因此,應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)和選擇最佳時(shí)段觀測(cè),并注意手機(jī)等可能會(huì)產(chǎn)生干擾的設(shè)備的使用。

3.GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率。一般GPS 測(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的3倍以上。

4.GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成,只要保證接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度,即可方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測(cè)已知高程點(diǎn)較少(僅聯(lián)測(cè)5個(gè)),致使控制點(diǎn)高程精度較低。因此,要保證控制點(diǎn)高程的精度,必須聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)。

七、結(jié)語

隨著GPS技術(shù)的不斷成熟,單點(diǎn)定位精度的不斷提高,GPS技術(shù)在各個(gè)都領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用,因此,加強(qiáng)GPS系統(tǒng)的應(yīng)用研究相當(dāng)?shù)挠斜匾?/p>