GPS 技术简介及其在工程测量中的应用举例录入：qk10 来源：Internet 时间：2008-1-9 【 字体：大 中 小 】 双击滚屏 1、引言全球定位系统(Global Po sit ioning System, 简称GPS) 是美国从20 世纪70 年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统, 历时20 年, 耗资200 多亿美元, 分三阶段研制, 陆续投入使用, 并于1994 年全面建成。GPS 是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统, 它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能, 而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此, GPS 技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用, 并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。本文介绍GPS 在山区工程测量中的应用, 并提出几点体会。2、GPS 简介2. 1 GPS 构成GPS 主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。(1)GPS 空间卫星星座由21 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。24 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内, 轨道平面的倾角为55, 卫星的平均高度为20 200 km , 运行周期为11 h 58 m in。卫星用L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号, 导航定位信号中含有卫星的位置信息, 使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻, 在高度角15以上, 平均可同时观测到6 颗卫星, 最多可达到9 颗。(2) GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS 卫星的观测数据, 计算各卫星的轨道参数、钟差参数等, 并将这些数据编制成导航电文, 传送到注入站, 再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。(3)GPS 用户设备由GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机) 等组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号, 跟踪卫星的运行, 并对信号进行交换、放大和处理, 再通过计算机和相应软件, 经基线解算、网平差, 求出GPS 接收机中心(测站点) 的三维坐标。2. 2 GPS 定位原理GPS 定位是根据测量中的空间距离交会定点原理实现的。在待测点Q 设置GPS 接收机, 在某一时刻同时接收到3 颗(或3颗以上) 卫星S1、S2、S3 所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心(测站点) 至卫星的距离Q1、Q2、Q3。根据卫星星历可查到该时刻卫星的三维坐标(Xj, Yj, Zj) , j= 1, 2,3, 从而由下式解算出Q 点的三维坐标(X, Y, Z)。P21= (X- X1) 2+ (Y- Y1) 2+ (Z- Z1) 2P22= (X- X2) 2+ (Y- Y2) 2+ (Z- Z2) 2P23= (X- X3) 2+ (Y- Y3) 2+ (Z- Z3) 22. 3 GPS 定位方式GPS 的定位方式有绝对定位和相对定位两种。( 1) 绝对定位。绝对定位也叫单点定位, 其基本原理是以GPS 卫星和用户接收机天线之间的距离(或距离差) 观测量为基础, 并根据已知的卫星瞬时坐标, 来确定用户接收机天线所对应的点位, 即观测站的位置。应用GPS 绝对定位, 根据用户接收机天线所处状态不同, 又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。(2) 相对定位。相对定位的最基本情况, 是两台GPS 接收机, 分别安置在基线的两端, 并同步观测相同的GPS 卫星, 以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。根据用户接收机天线所处状态不同, 又可分为动态相对定位和静态相对定位。实时动态(RTK) 定位技术作为一种动态相对定位方式, 近年来得到广泛应用。它是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS (RTKGPS) 技术, 它是GPS 测量技术发展的一个新突破。实时动态定位(RTK) 系统由基准站和流动站组成, 建立无线数据通讯是实时动态测量的保证, 其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点, 安置一台接收机作为参考站, 对卫星进行连续观测, 流动站上的接收机在接收卫星信号的同时, 通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据, 随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况, 根据待测点的精度指标, 确定观测时间, 从而减少冗余观测, 提高工作效率。2. 4 GPS 测量特点相对于常规测量来说, GPS 测量主要有以下特点: 测量精度高。GPS 观测的精度明显高于一般常规测量, 在小于50 km的基线上, 其相对定位精度可达110- 6, 在大于1000km 的基线上可达110- 8。测站间无需通视。GPS 测量不需要测站间相互通视, 可根据实际需要确定点位, 使得选点工作更加灵活方便。观测时间短。随着GPS 测量技术的不断完善, 软件的不断更新, 在进行GPS 测量时, 静态相对定位每站仅需20 m in 左右,动态相对定位仅需几秒钟。仪器操作简便。目前GPS 接收机自动化程度越来越高, 操作智能化, 观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数, 接收机即可进行自动观测和记录。全天候作业。GPS 卫星数目多, 且分布均匀, 可保证在任何时间、任何地点连续进行观测, 一般不受天气状况的影响。提供三维坐标。GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标, 其高程精度已可满足四等水准测量的要求。3、GPS 应用举例3. 1 GPS 在控制测量中的应用全球定位系统(GPS) 在平面控制测量方面的应用, 是目前GPS 定位技术应用的一个重要领域, 它的主要作用是:(1) 建立和维持高精度3 维地心坐标系统。(2) 不同大地控制网之间的联测和转换。(3) 建立新的地面控制网(点)。(4) 检核和改善已有地面网。(5) 对已有的地面网进行加密。(6) 研究与精化大地水准面。由于GPS 测量精度高, 花费时间少, 作业方法灵活多样, 所以广泛应用于各种形式的控制测量中。下面是D 级GPS 的一个实例。3. 1. 1 工程概况该工程由某集团公司投资建造, 是一个集休闲、娱乐、旅游、渡假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊, 占地66. 7 hm多, 属两山夹一沟地形, 山地面积约占三分之二。最高处约90m。山上树木茂盛, 地形复杂, 通视困难, 行走不便。为了该工程的设计和施工, 需建立首级控制网。考虑到工程复杂, 工期较紧,测区通视困难, 地形起伏大等因素, 决定采用GPS 测量。3. 1. 2 技术设计(1) 设计依据。GPS 测量的技术设计主要依据1999 年建设部发布的行业标准城市测量规范、1997 年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程及工程测量合同有关要求制定的。(2) 设计精度。选择城市二级GPS 网作为测区首级控制网。要求平均边长小于1 km , 最弱边相对中误差小于110 000, GPS接收机标称精度的固定误差a15mm , 比例误差系数b2010- 6。(3) 设计基准和网形。控制网共12 个点, 其中联测已知平面控制点2 个(0I12, 0I13) 和高程控制点5 个(0 I12, 0I13, 0105,0109, 0110, 其高程由四等水准测得)。网形布设成边连式。(4) 观测计划。根据GPS 卫星的可见预报图和几何图形强度(空间位置因子PDO P) , 采用3 台GPS 接收机观测, 选择最佳观测时段(卫星多于4 颗, 且分布均匀, PDO P 值小于6) , 并编排作业调度表。3. 1. 3 外业实施(1) 选点。GPS 测量测站点之间不要求一定通视, 图形结构也比较灵活, 因此, 点位选择比较方便。但考虑GPS 测量的特殊性, 并顾及后续测量, 选点时应着重考虑: 每点最好与某一点通视, 以便后续测量工作的使用; 点周围高度角15以上不要有障碍物, 以免信号被遮挡或吸收; 点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等, 以免电磁场对信号的干扰; 点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方, 以便观测和日后使用; 选点结束后, 按要求埋设标石, 并填写点之记。(2) 观测。根据GPS 作业调度表的安排进行观测, 采取静态相对定位, 卫星高度角15, 时段长度45m in, 采样间隔10 s。在3个点上同时安置3 台接收机天线(对中、整平、定向) , 量取天线高, 测量气象数据, 开机观察, 当各项指标达到要求时, 按接收机的提示输入相关数据, 则接收机自动记录, 观测者填写测量手簿。3. 1. 4 数据处理GPS 网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段, 采用随机软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后, 得到GPS 控制点的三维坐标, 各点精度均小于5mm , 其各项精度指标符合技术设计要求。3. 2 GPS 在公路测量中的应用GPS 测量具有高精度、高效率的优点, 在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS 接收机性能和数据处理技术逐渐完善, GPS 应用领域也不断拓宽。实时GPS 测量在公路工程中可完成多种工作。(1) 中线测设设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路在地面标定出来。采用实时GPS 测量, 只需将中线柱点的坐标输入GPS 接收机中, 系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立的完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度趋于一致。(2) 纵、横断面测量公路中线确定后, 利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用实时GPS 测量。与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。(3) 施工测量实时GPS 系统既有良好的硬件, 也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。3. 3 GPS 在航空摄影测量中的应用随着我国城市化进程的加快, 大面积地形图需要更新。原始地形图更新方式速度慢, 需测量人员使用棱镜到实地进行碎部点数据采集, 这种方式费时费力, 且有些地方为悬崖峭壁, 测量人员无法到达或很危险。随着航测技术的发展, 航测成图越来越成为城市大比例尺地图更新的主要手段。对航测像片的定位定向就需要在实地上进行平面及高程点位控制测量, 然后在像片上进行刺点, 这项测量工作若用传统测量方式很困难。若用GPS进行测量则非常方便, 使用GPS 实时动态(RTK) 定位方式进行测量, 测量人员仅需几秒钟就可完成一个像控点的测量。这样就可以线划成图, 快速完成地图的更新。目前济南市已完成4200平方公里的航测图, 已完成线划图近一半, 如此大规模的航测成图中, GPS 功不可没。4、结束语通过GPS 在测量中的应用, 得到如下体会。