GPS测量在机场扩建工程中的应用

2011-01-23邓云仁

中国新技术新产品 2011年3期

关键词：接收机坐标系机场

邓云仁

（四川省场道工程有限公司，四川成都 610000）

GPS测量在机场扩建工程中的应用

邓云仁

（四川省场道工程有限公司，四川成都 610000）

文章通过对GPS系统简介，特点及使用方法做了了阐述。同时结合工程实例，主要就GPS测量技术在某机场扩建工程中的实际应用进行了分析。

GPS测量；扩建工程；机场

1 GPS系统简介

（Global Positioning System，简称GPS）全球定位系统是美国从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，并于1994年全面建成。GPS的整个系统由空间、地面控制和用户部分组成。（1）空间部分：GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星组成，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。它们分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的平均高度为20～200km，运行周期为11h58min。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）控制部分：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）用户部分：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。

1.1 GPS定位原理。GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的J。如图1所示，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，解算出Q点的三维坐标（y，z）。

1.2 GPS测量的特点

图1 GPS定位原理

相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点。（1）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公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。（2）测站问无需通视。GPS测量不需要测站问相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。（3）观测时问短。随着GPS测量技术的不断完善及软件的不断更新，在进行GPS测量时，每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短，动态相对定位仅需几秒钟。（4）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。（5）全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时问、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。（6）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。

2 工程实例

2.1 工程概况

石锁高速公路起自石林半截河，接昆石高速公路，止于锁龙寺，接在建的锁龙寺至蒙自高速公路和已建成的平远街至锁龙寺高速公路，全长107.482公里。是云南省第一个全面采用总承包方式建设的高速公路，是国道主干线二连浩特--河口公路云南省境内的一段，同时也是亚洲公路网A14越南河内--云南昆明--缅甸曼德勒的重要组成部分。该工程投资50亿元，计划30个月建成通车，建成后将成为一条双向准6车道高速公路。其中道面一标段（k0+0~k32+700）由四川省场道有限公司施工。

2.2 GPS测量在某机场扩建工程中的应用

2.2.1 影响GPS测量控制网精度的因素及措施。影响GPS控制网精度的主要因素有：广播星历的误差、精密星历的误差、卫星钟误差、地球自转的影响、相对论效应影响、电离层折射误差、对流层折射误差、多路径误差、接收机钟差所产生的误差、观测误差、天线相位中心位置误差等。

为了满足机场工程测量的精度要求，针对影响精度的主要因素常采用的主要技术措施有：增加观测时段长度和时段数；选用3～5台套GPS接收机同步观测，以保证得到足够的可靠的观测数据；采用静态相对定位，保证天线与测点准确对中和整平，事先要对光学对点器进行校准；为了削弱多路径误差，观测点应选在低反射特性物体周围，还可以适当升高天线高度；在观测时，采用预报方法预报卫星星历，使卫星信号方向性基本相同。

2.2.2 网形选择。由于GPS控制网点间不需要通视，并且网的精度主要取决于观测时卫星与测站间的几何图形、观测数据的质量、数据处理方法，与GPS网形关系不大。因此，GPS网布设形式可分为星形连接、点连式、边连式、网连式及边点混合连接等，见图2、图3、图4。

图2 星形网

图3 点连式网形

图4 边连式网形

星形网的几何图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检查和发现粗差的能力较差。这种图形广泛应用于精度较低的工程测量、边界测量、地籍测量和地形测图等。点连式布网所构成的图形几何强度较弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般在作业中不单独使用。边连式布网有较多的重复基线和独立环，有较强的几何强度。网连式作业需要4台以上的接收机，采用这种布网方式所测设的GPS网具有较强的图形强度和较高的可靠性，但作业效率低，花费的经费和时间较多，一般仅适用于要求精度较高的控制网测量。

2.2.3 GPS作业设计进行GPS控制测量作业设计时，一方面要考虑后勤经济问题，目的在于缩短外业时间，节约资金，使测量费用指标达到最优；另一方面，要有较多的多余观测，以提高观测成果的精度和可靠性，同时还必须考虑各待测点的点位精度的均匀性。因此，一般机场GPS控制网作业设计应满足下列原则：各测点上设站次数应尽量相同；保证点间距满足规范要求，并沿最短路径迁站；应联测相距较远并位于测区内或边缘的高等级控制点；每次重复设站尽量不用相同的接收机。

设有P个GPS点，R台接收机，观测时段为T。如果P≥M（R－1）＋1，那么GPS网中多余向量达到最大，为T（R－1）－（P－1）。这样在满足GPS网费用指标的前提下，能保证机场GPS网的精度、灵敏度和可靠性。

值得一提的是，机场建设中往往涉及坐标变换问题，因为机场建筑物（构筑物）一般是矩形或对称结构，建筑红线多与机场跑道中心线平行或垂直，因此一般规划设计均在机场坐标系中进行。以飞机跑道中心线为基准建立机场坐标系。机场坐标系纵轴平行或重合于主跑道中心线，常记为X；横轴垂直于纵轴，常记为Y，构成坐标系。为了避免正负号引起不必要的错误或麻烦，机场坐标系原点的选择应当保证测区内的坐标不出现负值，同时便于计算和应用。

工程测量中常用高斯平面直角坐标系，并且机场坐标系是在国家等级控制网或当地城市测量控制网的基础上建立起来的，当两坐标系发生联系时，应当进行坐标变换，即坐标平移变换、旋转变换、比例变换、错切变换。可用一简单的线性模型（变换通式）表示：