GPS技術(shù)在航道測(cè)量工程中的應(yīng)用

孫小彬

（江蘇省宿遷市航道維護(hù)隊(duì)，江蘇 宿遷 223800）

1 GPS概述：

GPS（全球定位系統(tǒng)Global Positioning System）是美國從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，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)。該系統(tǒng)由空間星座，地面監(jiān)控系統(tǒng)，用戶系統(tǒng)三部分組成。其工作定位原理是：在過地心的6個(gè)軌道面上均勻分布24顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星全天候，實(shí)時(shí)的向地面發(fā)送衛(wèi)星定位信息。用戶接收機(jī)根據(jù)接收的定位信息，實(shí)時(shí)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。從而達(dá)到全球性,全天候、連續(xù)的精密三維定位與導(dǎo)航的目的。

該系統(tǒng)在建成之后，就以其精確快速的定位能力廣泛應(yīng)用到大地測(cè)量，地質(zhì)監(jiān)測(cè)，船舶、飛機(jī)導(dǎo)航，森林滅火等很多行業(yè)。在眾多接收機(jī)中手持導(dǎo)航儀以其靈活快速、高精度、易操作性在民用休閑人群中廣泛應(yīng)用。

2 使用GPS靜態(tài)技術(shù)建立區(qū)域控制網(wǎng)

2.1 建立區(qū)域GPS控制網(wǎng)的必要性

許多測(cè)繪生產(chǎn)部門在多年對(duì)等級(jí)平高控制點(diǎn)使用過程中發(fā)現(xiàn)：能使用的控制點(diǎn)數(shù)量少且損壞情況嚴(yán)重，還有大多數(shù)控制點(diǎn)分布在距測(cè)區(qū)較遠(yuǎn)的山上。使用起來十分不便，所以有必要在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)精度較高的靜態(tài)GPS區(qū)域控制網(wǎng)。

2.2 建網(wǎng)原則

2.2.1 布設(shè)的控制網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)滿足測(cè)區(qū)測(cè)量工作要求，均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)。

2.2.2 方便進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）和實(shí)時(shí)差分（RTD）等測(cè)量技術(shù)在以后的測(cè)繪工作中的使用。

2.2.3 根據(jù)RTK和RTD所使用的GPS接收機(jī)的作用半徑來確定控制網(wǎng)點(diǎn)的密度，一般來說兩點(diǎn)之間應(yīng)控制在5～10km左右。

2.2.4 為求定GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，在地面坐標(biāo)系中選定起算數(shù)據(jù)和聯(lián)測(cè)原有地方控制點(diǎn)若干個(gè)，用以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在選擇聯(lián)測(cè)點(diǎn)時(shí)，既要考慮充分利用舊資料，又要使新建的GPS網(wǎng)不受舊資料精度較低的影響。

2.2.5 根據(jù)所需控制網(wǎng)的精度要求來確定布網(wǎng)形式及使用的GPS接收機(jī)類型、觀測(cè)時(shí)段和觀測(cè)時(shí)間等。

2.3 儀器配備

在進(jìn)行GPS靜態(tài)測(cè)量時(shí)，應(yīng)選用具有靜態(tài)功能的雙頻或單頻的GPS接收機(jī)及相應(yīng)的平差軟件。其中雙頻GPS接收機(jī)因觀測(cè)量中有L2載波，其精度較高，且可以適當(dāng)減少觀測(cè)時(shí)間，所以盡量選用雙頻GPS接收機(jī)。此外，還應(yīng)配備腳架、電池、卷尺、對(duì)點(diǎn)器和用以保證共同觀測(cè)時(shí)間的通訊工具等。

2.4 實(shí)施

2.4.1 數(shù)據(jù)采集

在條帚門公共航道測(cè)量中，就是在已知平高點(diǎn)和欲布設(shè)的GPS控制網(wǎng)點(diǎn)上架設(shè)儀器，對(duì)中、整平后開始采集數(shù)據(jù)。此時(shí)應(yīng)注意同步觀測(cè)的GPS接收機(jī)數(shù)和共同觀測(cè)時(shí)間等要符合規(guī)范要求。并做好外業(yè)觀測(cè)記錄，將天線高、點(diǎn)名和時(shí)段信息等記錄清楚。

2.4.2 數(shù)據(jù)傳輸

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)通過卡讀器或電纜利用軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中并存儲(chǔ)好。

2.4.3 基線解算

利用隨機(jī)帶的軟件來解基線，并檢查基線閉合差報(bào)告,若有超限的基線則需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直到報(bào)告中基線、閉合差全部合格方可進(jìn)行下一步。

2.4.4 平差

首先要進(jìn)行的是三維無約束平差，此時(shí)可由軟件自動(dòng)選取一個(gè)點(diǎn)的WGS-84系的三維坐標(biāo)為起算依據(jù)，輸出成果為各點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)、基線向量及其改正數(shù)和精度信息。檢查平差報(bào)告，若存在粗差可在平差中采用隨機(jī)軟件提供的自動(dòng)方法或人工方法剔除，直至全部合格。然后利用無約束平差后的可靠觀測(cè)量和以知點(diǎn)在國家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及高程進(jìn)行三維或二維約束平差，即將各點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到國家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系中。此時(shí)輸出成果為各點(diǎn)在國家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)及精度指標(biāo)。

2.4.5 成果輸出

將最終平差的成果報(bào)告打印或抄寫形成成果表，交給下一道工序使用。

3 應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)進(jìn)行碎部測(cè)量

3.1 RTK測(cè)量的特點(diǎn)

3.1.1 全天候測(cè)量，觀測(cè)時(shí)間短，作業(yè)效率高。移動(dòng)站在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上只需觀測(cè)幾秒鐘，而且不論白天黑夜都可以進(jìn)行。

3.1.2 測(cè)量精度高。通過實(shí)踐證明，使用RTK模式測(cè)量，其點(diǎn)位誤差不積累、不傳播，測(cè)圖精度高而且均勻。

3.1.3 節(jié)省人力。RTK測(cè)量作業(yè)在不復(fù)雜地區(qū)，每個(gè)移動(dòng)站只需一個(gè)儀器操作員即可獨(dú)立操作，在復(fù)雜地區(qū)也只需增加一個(gè)人員來繪制草圖。而基準(zhǔn)站設(shè)置好后即可以自動(dòng)運(yùn)行，且每個(gè)基準(zhǔn)站還可以帶多個(gè)移動(dòng)站。

3.1.4 點(diǎn)與點(diǎn)之間無須通視，而且其通訊半徑多在10公里左右，最遠(yuǎn)可達(dá)到15公里，這樣一來可以大大節(jié)省控制測(cè)量的時(shí)間和費(fèi)用，而且較容易實(shí)施。

3.1.5 RTK測(cè)量的不足之處是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間必須有數(shù)據(jù)鏈通訊，否則就不能實(shí)現(xiàn)。所以當(dāng)測(cè)區(qū)有建筑群和高大樹林遮擋時(shí)，應(yīng)適當(dāng)縮短基準(zhǔn)站和移動(dòng)站間的距離，或?qū)⒒鶞?zhǔn)站的發(fā)射天線盡量架高。

3.2 RTK測(cè)量的實(shí)施

3.2.1 設(shè)置基準(zhǔn)站。將基準(zhǔn)站架設(shè)于所布設(shè)的GPS靜態(tài)控制點(diǎn)上，把該點(diǎn)坐標(biāo)及天線高等信息輸入，設(shè)置好發(fā)射頻率等使之發(fā)射信號(hào)。

3.2.2 設(shè)置移動(dòng)站，收到信號(hào)后進(jìn)行初始化形成固定解，然后開始進(jìn)行碎部測(cè)量。將所測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于電子手簿。

3.2.3 將電子手簿中的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入微機(jī)，使用成圖軟件編輯成圖。

4 應(yīng)用實(shí)時(shí)差分（RTD）技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量

4.1 實(shí)時(shí)差分（RTD）測(cè)量的特點(diǎn)與RTK測(cè)量基本相同，基準(zhǔn)站的設(shè)置除差分模式改為RTD模式外也與RTK測(cè)量相同，只是其定位精度低于RTK測(cè)量，但滿足航道測(cè)量相關(guān)規(guī)范要求。移動(dòng)站設(shè)在船上，使用設(shè)備除GPS接收機(jī)及天線外還應(yīng)配備能運(yùn)行海洋測(cè)量軟件的計(jì)算機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀、換能器等。

4.2 實(shí)施

4.2.1 將基準(zhǔn)站架設(shè)于所布設(shè)的GPS靜態(tài)控制點(diǎn)上，設(shè)置好使之發(fā)射差分信號(hào)。

4.2.2 將船上的移動(dòng)站設(shè)備連接好后開機(jī)，先設(shè)置換能器的吃水深度，按《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》的要求布設(shè)測(cè)線，設(shè)置測(cè)點(diǎn)間距及動(dòng)態(tài)吃水改正數(shù)，然后運(yùn)行海洋測(cè)量軟件，收到差分信號(hào)后開始測(cè)量，將水深數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)。

4.2.3 運(yùn)用成圖軟件將移動(dòng)站采集的水深數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)調(diào)入并編輯成圖。

5 結(jié)束語

由此可見，在大型的航道工程測(cè)量中，GPS新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用大大地提高了測(cè)繪生產(chǎn)工作的效率；降低了測(cè)量成果的差錯(cuò)率；提高了測(cè)繪產(chǎn)品的質(zhì)量。各種GPS測(cè)量技術(shù)得到充分運(yùn)用，它們之間的密切配合不但可以節(jié)省時(shí)間人力物力、縮短工期，還可以大大提高工程的質(zhì)量和精度。

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[3]許瑞棟,李明巨.計(jì)算機(jī)輔助航道測(cè)量系統(tǒng).江蘇測(cè)繪.1998-02-15

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