浅谈GPS技术在工程测量中的应用

王念龙

摘要:随着全球定位系统(GPS)技术不断完善及计算机技术和相应科学的发展,GPS技术在测绘领域中不断扩展应用范围,使测绘定位技术发生了革命性的变革,为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。文章介绍了GPS系统的组成、工作原理、质量检验及应用体会。

关键词:GPS技术;GPS系统;工作原理;高程控制点

中图分类号:TV453 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)29-0190-02

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今,GPS已经成为当令世界上最实用,也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。随着我国建筑交通事业的发展,一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS 技术在工程测量中得到了广泛的应用。

一、GPS系统的组成

GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成。

(一)空间卫星群

GPS的空间卫星群是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星群,并均匀分布在6 个轨道面上,各平面之间交角为60°,轨道和地球赤道的倾角为55°,卫星的平均高度为20200 km,运行周期为11h58min。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,这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4～11颗GPS卫星发送出的信号。

(二)GPS的地面控制系统

GPS 的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站,主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正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注入到相应卫星的存储器中去;同时还对卫星进行控制,向卫星发布指令,调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星工作状态。

(三)GPS的用户部分设备

用户部分设备由GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成,其作用是由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)的三维坐标等。随着现代的科学技术的发展,体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。

二、GPS的工作原理

GPS系统是根据测量中的距离交会定点原理实现GPS定位。首先我们假定在待测点Q设置GPS接收机,在某一时刻tk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ρ1、ρ2、ρ3根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标(Xj,Yj,Zj),j=1,2,3,从而解算出Q点的三维坐标(X,Y,Z)。

三、GPS测量的特点

(一)测站之间无须通视

测站间相互通视一直是测量学的难题。而GPS测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,GPS这一特点, 使得选点更加灵活方便。

(二)观测时间短

观测时间短采用GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右,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 min左右,动态相对定位仅需几秒钟。例如使用Timble4800GPS 接收机的RTK 法可在5s以内求得测点坐标。

(三)提供三维坐标

GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。

(四)定位精度高

一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明,在在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1×10-6,在大于1000 km的基线上可达1×10-8。

(五)操作简便

GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作智能化,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。

(六)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。

四、GPS测量仪器的质量检验

了解测量仪器性能、工作特性及可能达到的精度水平。既是制定GPS作业计划的依据,也是GPS定位测量顺利完成的重要保证。对GPS测量仪器先进行作业前的检验是很有必要的测量型GPS接收机实测检验主要参照国家测绘局发布的中华人民共和国测绘行业标准,全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程(1995-07-01),具体主要检验方法:(1)天线相位中心稳定性测试;(2)内部噪声水平测试;(3)野外作业性能及不同测程精度指标的测试;(4)频标稳定性检验和数据质量的评价;(5)高低温性能测试。

五、应用实例

(一)工程概况

某工程位于城郊,占地66.7hm2多,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。工程规划是建造一个集休闲、娱乐、旅游、渡假等功能于一体的综合项目。为了该工程的设计和施工,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。

(二)GPS测量的技术设计

1.设计依据。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。

2.设计精度。根据工程需要和测区情况,选择工程二级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1/10000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤15 mm,比例误差系数b≤20×10-6。

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(I12,I13),高程控制点5个(I12,I13,105,109,110,其高程由四等水准测得)。采用3台GPS接收机观测,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PDOP),选择最佳观测时段(卫星多于4颗,且分布均匀,PDOP值小于6),并编排作业调度表。

(三)GPS测量的外业实施

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,要注意选点对后续测量的影响。

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45min,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。

(四)GPS测量的数据处理

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,其各项精度指标符合技术设计要求。

六、GPS测量的应用体会

1.GPS控制网选点灵活,布网方便,基本不受通视、网形的限制,它的作业不受距离限制,非常适合于国家大地点破坏严重地区、地形条件困难地区、局部重点工程地区等。

2.GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化,整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制,自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。且观测时间在不断减少,它不受人为因素的影响。可以大大提高工作及成果质量。但由于个别点的选定受地形条件限制,造成树木遮挡,影响对卫星的观测及信号的质量,经重测后通过。因此,应严格按有关要求选点和选择最佳时段观测,并注意手机等可能会产生干扰的设备的使用。

3.GPS测量可以极大地降低劳动作业强度,减少野外砍伐工作量,提高作业效率。一般GPS 测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

4.GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成,只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度,即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少(仅联测5个),致使控制点高程精度较低。因此,要保证控制点高程的精度,必须联测足够的已知高程点。

七、结语

随着GPS技术的不断成熟,单点定位精度的不断提高,GPS技术在各个都领域将得到广泛的应用,因此,加强GPS系统的应用研究相当的有必要。