GPS測(cè)量在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

李宏

摘要：GPS全球定位系統(tǒng)是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。基于此，本文詳細(xì)分析了GPS測(cè)量在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量;機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建;應(yīng)用

GPS技術(shù)作為20世紀(jì)的高新技術(shù)，由于其全天候、無(wú)通視性等特點(diǎn)，在測(cè)量領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善及其定位精度高、速度快、效益高等特點(diǎn)，它在大地測(cè)量、工程測(cè)量、工程與地殼變形觀測(cè)、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)繪等領(lǐng)域得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。GPS技術(shù)在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量工作模式，提高了工作效率，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

一、GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全球定位系統(tǒng)（GPS）是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無(wú)線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方及近地空間都能提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息。GPS是美圍從20世紀(jì)70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，并于1994年全面建成。GPS用戶能在傘球范圍內(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)量工作。近年來(lái)，GPS技術(shù)在我國(guó)測(cè)繪領(lǐng)域迅速推廣，廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地殼和建筑物形變監(jiān)測(cè)、石油物探資源調(diào)查、城市測(cè)繪，并已開始用于交通運(yùn)輸、軍事，海洋、航道、航測(cè)、遙感、通汛、氣象等領(lǐng)域。

GPS的整個(gè)系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分、用戶部分組成。①空間部分：該部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，其中2l顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。它們分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的平均高度為20～200km，運(yùn)行周期為11h58min。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控制郜分：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用戶部分：GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備等組成。

二、GPS技術(shù)特征

在進(jìn)行GPS測(cè)量過(guò)程中，與常規(guī)測(cè)量?jī)?nèi)容與形式相比較，其具有十分明顯的特點(diǎn)。

1、測(cè)量精度方面。GPS觀測(cè)能提供的精度相對(duì)更高于常規(guī)測(cè)量?jī)?nèi)容，尤其是在50km范圍內(nèi)的基線位置，GPS測(cè)量形成的相對(duì)定位精度能達(dá)到12×10-6，相對(duì)于此，GPS測(cè)量滿足100～500km條件的基線則能達(dá)到10-6～10-7。

2、GPS測(cè)量站點(diǎn)不存在通視情況。該測(cè)量站建設(shè)并不需要形成通視，只要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定位就能選定具體工作點(diǎn)，這樣能提升工作效率。

3、GPS測(cè)量觀測(cè)時(shí)問短。由于GPS測(cè)量相關(guān)技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中不斷更新?lián)Q代，軟件開發(fā)層次不斷提升，在開展具體測(cè)量工作過(guò)程中，需根據(jù)實(shí)際情況具體測(cè)量。不通觀測(cè)站點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間往往達(dá)到30～40min之間。測(cè)量的方法主要采用靜態(tài)定位法。該過(guò)程中所產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較短，動(dòng)態(tài)能達(dá)到的相對(duì)定位也只是需要短短幾秒鐘。

4、儀器操作方面。當(dāng)前社會(huì)科技發(fā)展過(guò)程中，GPS接受裝置自動(dòng)化的程度與水平越來(lái)越高，智能化的操作方式令觀測(cè)人員能對(duì)天線高及開機(jī)的參數(shù)設(shè)定。

5、全天候作業(yè)。GPS測(cè)量所提供的衛(wèi)星數(shù)量越大，分布情況良好，就能確保在任何時(shí)間與地點(diǎn)上進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，且同樣不會(huì)受到天氣因素的影響。

三、GPS測(cè)量在機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

1、工程概況。某機(jī)場(chǎng)將新建一座5.5萬(wàn)m2的航站樓，改造現(xiàn)有2.58萬(wàn)m2的航站樓。配套完善貨運(yùn)、公共、環(huán)保等設(shè)施。該工程占地面積大，細(xì)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量精度要求高。

2、影響GPS測(cè)量控制網(wǎng)精度的因素及措施。影響GPS控制網(wǎng)精度的因素包括：廣播星歷的誤差、精密星歷的誤差、衛(wèi)星鐘誤差、地球自轉(zhuǎn)影響、相對(duì)論效應(yīng)影響、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多路徑誤差、接收機(jī)鐘差所產(chǎn)生的誤差、觀測(cè)誤差、天線相位中心位置誤差等。

為滿足機(jī)場(chǎng)工程測(cè)量的精度要求，針對(duì)影響精度的主要因素常采用的主要技術(shù)措施包括：增加觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度和時(shí)段數(shù);選用3～5臺(tái)套GPS接收機(jī)同步觀測(cè)，以保證得到足夠可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù);采用靜態(tài)相對(duì)定位，保證天線與測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確對(duì)中和整平，事先要對(duì)光學(xué)對(duì)點(diǎn)器進(jìn)行校準(zhǔn);為削弱多路徑誤差，觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在低反射特性物體周圍，還可適當(dāng)升高天線高度;觀測(cè)時(shí)，采用預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)衛(wèi)星星歷，使衛(wèi)星信號(hào)方向性基本相同。

3、網(wǎng)形選擇。由于6PS控制網(wǎng)點(diǎn)間無(wú)需通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星與測(cè)站間的幾何圖形、觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法，與GPS網(wǎng)形關(guān)系不大。因此，GPS網(wǎng)布設(shè)形式可分為星形連接、點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接等。其中，星形網(wǎng)的幾何圖形簡(jiǎn)單，直接觀測(cè)邊不構(gòu)成任何閉合圖形，所以檢查和發(fā)現(xiàn)粗差的能力較差。這種圖形廣泛應(yīng)用于精度較低的工程測(cè)量、邊界測(cè)量、地籍測(cè)量和地形測(cè)圖等。點(diǎn)連式布網(wǎng)所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度較弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般在作業(yè)中不單獨(dú)使用。邊連式布網(wǎng)有較多的重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán)，有較強(qiáng)的幾何強(qiáng)度。網(wǎng)連式作業(yè)需4臺(tái)以上的接收機(jī)，采用這種布網(wǎng)方式所測(cè)設(shè)的GPS網(wǎng)具有較強(qiáng)的圖形強(qiáng)度和較高的可靠性，但作業(yè)效率低，花費(fèi)的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間較多，一般僅適用于要求精度較高的控制網(wǎng)測(cè)量。

GPS網(wǎng)形布設(shè)應(yīng)遵循一定原則：GPS網(wǎng)應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際需要和交通狀況進(jìn)行設(shè)計(jì);在布網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮原測(cè)繪成果資料及各種大比例尺地形圖的沿用，宜采用原有坐標(biāo)系統(tǒng);GPS網(wǎng)應(yīng)由一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立觀測(cè)環(huán)構(gòu)成，也可采用附合線路形式構(gòu)成;為求得GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。應(yīng)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);為求得GPS網(wǎng)點(diǎn)的正常高，應(yīng)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的高程聯(lián)測(cè)。

4、GPS作業(yè)設(shè)計(jì)。進(jìn)行GPS控制測(cè)量作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮后勤經(jīng)濟(jì)問題，目的在于縮短外業(yè)時(shí)間，節(jié)約資金，使測(cè)量費(fèi)用指標(biāo)達(dá)到最優(yōu);另一方面，要有較多的多余觀測(cè)，以提高觀測(cè)成果的精度和可靠性，同時(shí)還必須考慮各待測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度的均勻性。因此，一般機(jī)場(chǎng)GPS控制網(wǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列原則：各測(cè)點(diǎn)上設(shè)站次數(shù)應(yīng)盡量相同;保證點(diǎn)間距滿足規(guī)范要求，并沿最短路徑遷站;應(yīng)聯(lián)測(cè)相距較遠(yuǎn)并位于測(cè)區(qū)內(nèi)或邊緣的高等級(jí)控制點(diǎn);每次重復(fù)設(shè)站盡量不用相同的接收機(jī)。

設(shè)有P個(gè)GPS點(diǎn)，R臺(tái)接收機(jī).觀測(cè)時(shí)段為T。若P≥M（R-1）+1。則GPS網(wǎng)中多余向量達(dá)到最大，為T（R-1）-（P-1）。這樣在滿足GPS網(wǎng)費(fèi)用指標(biāo)前提下，能保證機(jī)場(chǎng)GPS網(wǎng)的精度、靈敏度及可靠性。

需注意的是，機(jī)場(chǎng)建設(shè)中往往涉及坐標(biāo)變換問題，因機(jī)場(chǎng)構(gòu)筑物一般是矩形或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，建筑紅線多與機(jī)場(chǎng)跑道中心線平行或垂直，因此一般規(guī)劃設(shè)計(jì)均在機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系中進(jìn)行。以飛機(jī)跑道中心線為基準(zhǔn)建立機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系，機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系縱軸平行或重合于主跑道中心線，常記為X;橫軸垂直于縱軸，常記為Y，構(gòu)成坐標(biāo)系。為避免正負(fù)號(hào)引起不必要的錯(cuò)誤或麻煩，機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系原點(diǎn)的選擇應(yīng)保證測(cè)區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)不出現(xiàn)負(fù)值，同時(shí)便于計(jì)算和應(yīng)用。

工程測(cè)量中常用高斯平面直角坐標(biāo)系，并且機(jī)場(chǎng)坐標(biāo)系是在國(guó)家等級(jí)控制網(wǎng)或當(dāng)?shù)爻鞘袦y(cè)量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，當(dāng)兩坐標(biāo)系發(fā)生聯(lián)系時(shí)，應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，即坐標(biāo)平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、比例變換、錯(cuò)切變換?？捎靡缓?jiǎn)單的線性模型（變換通式）表示：

式中：為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、縮放、錯(cuò)切變化系數(shù)，不同變換取值不同;為坐標(biāo)平移系數(shù)，平移量為0時(shí)其值為0。

四、GPS飛機(jī)場(chǎng)軸線定位

在確定機(jī)場(chǎng)跑道中心軸線方位的精度時(shí)，按機(jī)場(chǎng)等級(jí)而定，最高精度應(yīng)低于±l″。解算GPS基線時(shí)一定要用精密軟件，最低也應(yīng)優(yōu)于±6″，可用接收機(jī)自帶的商業(yè)軟件解算。

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