淺析GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用

□張衛(wèi)東（河南省封丘縣水利局）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)明與研究了很多水利工程測(cè)量設(shè)備。特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行自動(dòng)化處理，促使高精度控制測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)的問世。全球定位系統(tǒng)GPS是在空間定位技術(shù)發(fā)展的前提下誕生的，具有高精度、全天候、多功能、操作簡(jiǎn)便、不受通視條件限制等優(yōu)點(diǎn),進(jìn)一步促進(jìn)了全球定位系統(tǒng)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用及其發(fā)展。

1.GPS定義

GPS全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的星基無線導(dǎo)航定位系統(tǒng)，用戶可以利用該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航、定位和測(cè)速。GPS可以每天24h為全球陸、海、空用戶全天候提供三維位置、速度和時(shí)間信息。與其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GPS全球定位系統(tǒng)精度更高一些，目前GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域，在測(cè)繪領(lǐng)域，主要應(yīng)用于空間大地控制網(wǎng)的布設(shè)、工程測(cè)量、地形圖測(cè)繪、航空攝影輔助測(cè)量等。

GPS的概念是基于衛(wèi)星測(cè)距。用戶通過測(cè)量他們到衛(wèi)星的距離來計(jì)算自己的位置。衛(wèi)星的位置為已知值，每個(gè)GPS衛(wèi)星發(fā)送位置和時(shí)間信號(hào)，用戶接收機(jī)測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，相當(dāng)于測(cè)量用戶到衛(wèi)星的距離，同時(shí)測(cè)量4顆衛(wèi)星可以解出位置、速度和時(shí)間。

2.GPS組成

GPS由3部分組成：空間部分、控制部分和用戶部分。

2.1 空間部分

GPS的空間部分由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成，用來發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星軌道高度2.02萬km，傾角55°，周期12h。為了使衛(wèi)星能夠連續(xù)向用戶提供位置和時(shí)間信息，那么衛(wèi)星的軌道如何分布必須保證在世界各地任何時(shí)間可見到至少6顆衛(wèi)星。

2.2 控制部分

控制部分組件是由1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站、3個(gè)注入站這幾個(gè)部分組成?？刂撇糠质怯煞植荚谌虻娜舾蓚€(gè)跟蹤站組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，跟蹤視野內(nèi)所有GPS衛(wèi)星，收集衛(wèi)星測(cè)距信息，并把收集的信息送到主站。主站計(jì)算衛(wèi)星精密軌道，并產(chǎn)生每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，通過注入站傳送到衛(wèi)星。

2.3 用戶部分

用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、天線及相應(yīng)的用戶設(shè)備等組成。通過接收衛(wèi)星廣播信息計(jì)算出用戶的位置速度和時(shí)間。一般用戶購(gòu)買使用的只是用戶部分。

3.GPS技術(shù)的測(cè)量原理

GPS技術(shù)的測(cè)量基本原理是利用距離交會(huì)技術(shù)，測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到GPS接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，通過一系列方程演算，由地面點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)就可知道接收機(jī)的具體位置。在測(cè)繪中主要利用GPS的定位功能確定點(diǎn)的三維位置。

4.GPS技術(shù)的測(cè)量方法

GPS作為一種定位手段，可應(yīng)用它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位方法，直接獲取各類大地模型信息，解決傳感器位置和姿態(tài)的快速定位問題，這樣也就解決了遙感信息的定位問題。

4.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量

動(dòng)態(tài)測(cè)量：首先，采用靜態(tài)測(cè)量得到兩個(gè)較近已知點(diǎn)的坐標(biāo)和大地高，一臺(tái)GPS機(jī)架設(shè)1個(gè)已知點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))；另一臺(tái)設(shè)于另1個(gè)已知點(diǎn)，同時(shí)作為流動(dòng)點(diǎn)第一點(diǎn)、流動(dòng)點(diǎn)。各點(diǎn)觀測(cè)三維坐標(biāo)精度±10cm，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間距離一般<10km。GPS機(jī)移動(dòng)過程中要求不關(guān)機(jī)，衛(wèi)星數(shù)≥5顆。為了避免動(dòng)態(tài)測(cè)量但要注意的是動(dòng)態(tài)測(cè)量在測(cè)量過程中不能形成閉合圖形，可靠性較差。動(dòng)態(tài)測(cè)量主要用于斷面基點(diǎn)平面坐標(biāo)、地質(zhì)鉆孔三維坐標(biāo)及細(xì)部三角點(diǎn)坐標(biāo)等的測(cè)量。

動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是工作效率較高。其缺點(diǎn)是對(duì)衛(wèi)星信號(hào)要求較高，測(cè)量精度底，觀測(cè)中≥5顆衛(wèi)星，PDOP值≤4。

4.2 靜態(tài)測(cè)量

GPS靜態(tài)測(cè)量法就是根據(jù)制定的觀測(cè)方案，將幾臺(tái)GPS接收機(jī)安置在構(gòu)成同步環(huán)的待定點(diǎn) (未知點(diǎn))上同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，直至將所有環(huán)路觀測(cè)完畢。靜態(tài)測(cè)量一般用三角點(diǎn)、導(dǎo)線等級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，一般觀測(cè)時(shí)間為30～60rain，精度為±5rrea±lppm。為了便于低等級(jí)的控制測(cè)量以常規(guī)方法完成，控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)要有部分GPS點(diǎn)互相通視。為保證GPS控制網(wǎng)的可靠性，控制網(wǎng)布置一定要成環(huán)形。計(jì)算——閉合環(huán)精度，進(jìn)行粗差探測(cè)等。

用GPS在水利工程進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果是測(cè)量渠道、堤防等線路工程導(dǎo)線時(shí)，那么邊長(zhǎng)一般為0.5～2km。水利工程多半是在外業(yè)進(jìn)行觀測(cè)，因此為保護(hù)GPS接收機(jī)，進(jìn)行觀測(cè)時(shí)一定要注意避免強(qiáng)烈的陽(yáng)光直射。

5.GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中存在的不足

5.1 GPS技術(shù)在測(cè)量中存在著誤差

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量技術(shù)也在不斷的提高，GPS的出現(xiàn)提高了測(cè)量精度，現(xiàn)階段，在水利工程測(cè)量過程中還是存在著一些誤差。比如：在高山峽谷、地下、建筑物密集地區(qū)和密林深處,由于衛(wèi)星信號(hào)被遮擋及多路徑效應(yīng)的影響,其監(jiān)測(cè)精度和可靠性不高或無法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還有一些操作人員一時(shí)的疏忽，或觀測(cè)的角度不對(duì)等原因也會(huì)導(dǎo)致GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中存在著一些誤差。

5.2 操作人員不熟練操作與使用

由于GPS是一種高新技術(shù)，在水利工程測(cè)量中剛開始運(yùn)用，存在誤差或效率低下，其原因是操作人員還未具備完善的操作技能，及相關(guān)知識(shí)的匱乏。

5.3 應(yīng)用力度還有待提高

水利工程測(cè)量中采用的電子全站儀和電子水準(zhǔn)儀等先進(jìn)的設(shè)備，在技術(shù)要求上已經(jīng)很成熟，基本能滿足測(cè)量的需要。而GPS的應(yīng)用才開始不久，需要時(shí)間和實(shí)踐，它的運(yùn)用空間很大，有待進(jìn)一步提高。

6.提高GPS技術(shù)的措施

6.1 端正態(tài)度，減少人為因素誤差

水利工程測(cè)量在水利工程中占有很重要的地位，測(cè)量的精確度直接關(guān)系著工程的安全性，誤差太多，會(huì)造成不可預(yù)料的損失。因此，從事水利測(cè)量工作的技術(shù)人員一定要有強(qiáng)烈的責(zé)任心，端正的工作態(tài)度，減少人為因素造成的誤差或失誤，提高測(cè)量的精度，保證工程的順利完工。

6.2 要加強(qiáng)培訓(xùn)，提高技術(shù)人員素質(zhì)

第一，對(duì)GPS技術(shù)的工作原理、機(jī)器構(gòu)造、具體操作進(jìn)行詳細(xì)講解，使技術(shù)人員對(duì)GPS技術(shù)熟練操作。第二，加強(qiáng)技術(shù)人員心理素質(zhì)培訓(xùn)，提高GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的質(zhì)量。第三，詳細(xì)講解在操作過程中出現(xiàn)的一些問題及處理方案，增強(qiáng)技術(shù)人員在實(shí)際操作過程中能夠自如應(yīng)對(duì)，減少失誤率和差錯(cuò)率。

6.3 加強(qiáng)宣傳，提高GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量的運(yùn)用空間

GPS技術(shù)是一種精度比較高的測(cè)量技術(shù)，采用的是全球定位系統(tǒng)，提高了測(cè)量的精確度和效率。因此，應(yīng)大大提高GPS技術(shù)在水利工程測(cè)量中的運(yùn)用空間，提高其知名度擴(kuò)大其在水利工程測(cè)量上的運(yùn)用。

7.結(jié)論

GPS技術(shù)應(yīng)用于水利工程測(cè)量是水利工程測(cè)量史上一項(xiàng)重大技術(shù)革命,其應(yīng)用及開發(fā)的前景十分廣闊，必將對(duì)水利質(zhì)量起到巨大的推動(dòng)作用。

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