GPS理论与技术及其在地籍测量中的应用

2012-07-08沈阳天衡测绘有限公司于雪琦

湖北农机化 2012年2期

关键词：全天候流动站高精度

沈阳天衡测绘有限公司于雪琦

GPS理论与技术及其在地籍测量中的应用

沈阳天衡测绘有限公司于雪琦

本文简要介绍了GPS（全球卫星定位系统）理论与技术特点、组成、基本原理方法及其在地籍测量中的应用。

GPS；组成；特点；原理；地籍；应用

0 引言

GPS（全球卫星定位系统）具有进行高精度的、全天候的实时定位能力，既可直接获取地理信息也可以确定各种传感器的位置。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供三维坐标、速度和时间，随着社会的进步和科学的发展，人们也越来越认识到GPS理论和技术的重要性，并已经广泛地应用在各行各业。

1 GPS系统的组成

GPS系统包括三大部分：即空间部分、地面监控部分、用户设备部分。

（1）空间部分：GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面倾角为55°，卫星的平均高度为20 200km，运行周期为12恒星时。同一轨道上的各卫星的升交角距为90°，GPS卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。由于全球定位系统较好地解决了定位精度、定位速度、定位的可靠性及覆盖面等因素之间的矛盾，因而有可能逐步取代相互交叉重叠的地面无线电导航定位系统而成为一种通用的导航定位系统。

（2）地面监控部分：轨道预报（监测和控制卫星系统），确定系统时间，预报卫星星历、卫星钟状态，更新卫星导航电文。

（3）用户设备部分：由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位，用后处理软件包对观测数据进行精加工，以获取精密定位结果。

GPS（全球卫星定位系统）就是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如果用户P在某一时刻ti用GPS接受机同时测得了从接受机至视场中的3颗GPS卫星（A，B，C）的距离SAP、SBP、SCP，而且该时刻这些卫星在空间的位置也是已知的话，那么我们就能用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X，Y，Z）。

其观测方程为：

式中：（XAYAZA），（XBYBZB），（XCYCZC）分别为卫星A，B，C在时刻ti的空间坐标。

2 GPS导航定位系统的特点

GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作方便、应用广泛等特点著称。

2.1 定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10－6，100～500km可达10－7，1000km以上可达10－9。在300～1 500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm，基线边长越长越能突显出定位精度高的优势。

2.2 观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需要15～20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1～2分钟；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1～2分钟，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。

2.3 测站间无需通视

测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

2.4 可提供三维坐标

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。目前，GPS水准可满足四等水准测量的精度。

2.5 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傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。

2.6 全天候作业

目前，GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

2.7 功能多，应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m／s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。

3 GPS（RTK）在地籍测量中的应用

GPS、RTK测量技术是建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位系统，地形测图是为城市以及为各种工程提供不同比例尺的地形图，以满足城镇规划和各种经济建设的需要。地籍测量是精确测定土地权属界址点的位置，同时测绘供土地管理部门使用的大比例尺的地籍平面图，并量算土地面积。用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置，并按照一定的规律和符号绘制成平面图。GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到4颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。

地籍测量中应用RTK技术可测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍图，能实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入GIS系统，可及时、精确地获得地籍和房地产图。但在影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带，应使用全站仪、测距仪、经纬仪等测量工具，采用解析法或图解法进行细部测量。