GPS测量在机场扩建工程中的应用

李宏

摘要：GPS全球定位系统是新一代卫星导航定位系统，具有全天候、高精度、自动化、高效率等优点，已广泛应用于测绘、资源勘察、地球动力学等领域。基于此，本文详细分析了GPS测量在机场扩建工程中的应用。

关键词：GPS测量;机场扩建;应用

GPS技术作为20世纪的高新技术，由于其全天候、无通视性等特点，在测量领域引起了广泛的关注。随着GPS系统的不断完善及其定位精度高、速度快、效益高等特点，它在大地测量、工程测量、工程与地壳变形观测、地籍测量、航空摄影测量、海洋测绘等领域得到了迅速而广泛的应用。GPS技术在机场扩建工程中的应用，改变了传统的测量工作模式，提高了工作效率，带来了可观的经济效益。

一、GPS系统简介

全球定位系统（GPS）是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方及近地空间都能提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS是美围从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用户能在伞球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测量工作。近年来，GPS技术在我国测绘领域迅速推广，广泛应用于大地测量、精密工程测量、地壳和建筑物形变监测、石油物探资源调查、城市测绘，并已开始用于交通运输、军事，海洋、航道、航测、遥感、通汛、气象等领域。

GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分、用户部分组成。①空间部分：该部分由24颗GPS工作卫星组成，其中2l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控制郜分：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等组成。

二、GPS技术特征

在进行GPS测量过程中，与常规测量内容与形式相比较，其具有十分明显的特点。

1、测量精度方面。GPS观测能提供的精度相对更高于常规测量内容，尤其是在50km范围内的基线位置，GPS测量形成的相对定位精度能达到12×10-6，相对于此，GPS测量满足100～500km条件的基线则能达到10-6～10-7。

2、GPS测量站点不存在通视情况。该测量站建设并不需要形成通视，只要根据实际需求进行定位就能选定具体工作点，这样能提升工作效率。

3、GPS测量观测时问短。由于GPS测量相关技术在发展过程中不断更新换代，软件开发层次不断提升，在开展具体测量工作过程中，需根据实际情况具体测量。不通观测站点的测量时间往往达到30～40min之间。测量的方法主要采用静态定位法。该过程中所产生的时间相对较短，动态能达到的相对定位也只是需要短短几秒钟。

4、仪器操作方面。当前社会科技发展过程中，GPS接受装置自动化的程度与水平越来越高，智能化的操作方式令观测人员能对天线高及开机的参数设定。

5、全天候作业。GPS测量所提供的卫星数量越大，分布情况良好，就能确保在任何时间与地点上进行连续观测，且同样不会受到天气因素的影响。

三、GPS测量在机场扩建工程中的应用

1、工程概况。某机场将新建一座5.5万m2的航站楼，改造现有2.58万m2的航站楼。配套完善货运、公共、环保等设施。该工程占地面积大，细部结构复杂，测量精度要求高。

2、影响GPS测量控制网精度的因素及措施。影响GPS控制网精度的因素包括：广播星历的误差、精密星历的误差、卫星钟误差、地球自转影响、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包括：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;为削弱多路径误差，观测点应选在低反射特性物体周围，还可适当升高天线高度;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。

3、网形选择。由于6PS控制网点间无需通视，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。其中，星形网的几何图形简单，直接观测边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。

GPS网形布设应遵循一定原则：GPS网应根据测区实际需要和交通状况进行设计;在布网设计中应考虑原测绘成果资料及各种大比例尺地形图的沿用，宜采用原有坐标系统;GPS网应由一个或若干个独立观测环构成，也可采用附合线路形式构成;为求得GPS点在地面坐标系的坐标。应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个;为求得GPS网点的正常高，应进行水准测量的高程联测。

4、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。若P≥M（R-1）+1。则GPS网中多余向量达到最大，为T（R-1）-（P-1）。这样在满足GPS网费用指标前提下，能保证机场GPS网的精度、灵敏度及可靠性。

需注意的是，机场建设中往往涉及坐标变换问题，因机场构筑物一般是矩形或对称结构，建筑紅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：

式中：为坐标转换、缩放、错切变化系数，不同变换取值不同;为坐标平移系数，平移量为0时其值为0。

四、GPS飞机场轴线定位

在确定机场跑道中心轴线方位的精度时，按机场等级而定，最高精度应低于±l″。解算GPS基线时一定要用精密软件，最低也应优于±6″，可用接收机自带的商业软件解算。

参考文献：

[1]周立.GPS测量技术[M].北京：黄河水利出版社，2015.

[2]邓云仁.GPS测量在机场扩建T程中的应用[J].中国新技术新产品，2015（03）.