GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測(cè)量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。

 

①空間衛(wèi)星群GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬(wàn)公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。

 

②GPS的地面控制系統(tǒng)GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國(guó)本土。

 

③GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等。

 

 

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置p點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了三顆(a、b、c)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離sap、sbp、scp，同樣通過(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標(biāo)）。從而用距離交會(huì)的方法求得p點(diǎn)的維坐標(biāo)（xp，yp，zp），其數(shù)學(xué)式為：

 

sap2=[（xp-xa）2+（yp-ya）2+（zp+za）2]

 

sbp2=[（xp-xb）2+（yp-yb）2+（zp+zb）2]

 

scp2=[（xp-xc）2+（yp-yc）2+（zp+zc）2]

 

式中（xa，ya，za），（xb，yb，zb），（xc，yc，zc）分別為衛(wèi)星a，b，c在時(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。

 

在GPS測(cè)量中通常采用兩類(lèi)坐標(biāo)系統(tǒng)，一類(lèi)是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類(lèi)是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱(chēng)地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠�路工程控制測(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測(cè)成果，因此在測(cè)量中被廣泛的應(yīng)用。

 

 

2.1 測(cè)站之間無(wú)需通視測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。

 

2.2 定位精度高一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱(chēng)精度為5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50公里的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線上可達(dá)10-6～10-7。

 

2.3 觀測(cè)時(shí)間短采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。例如使用接收機(jī)的rtk法可在5s以?xún)?nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

 

2.4 提供三維坐標(biāo)GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

 

2.5 操作簡(jiǎn)便GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。 http://wWw.gWyoO.Com

 

 

3.1 GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

 

①設(shè)計(jì)依據(jù)。GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測(cè)量規(guī)范》、1997年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。

 

②設(shè)計(jì)精度。根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于1km，最弱邊相對(duì)誤差小于1/10000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數(shù)b≤20×10－6。

 

③設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形。控制網(wǎng)共12個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)2個(gè)，高程控制點(diǎn)5個(gè)。采用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。④觀測(cè)計(jì)劃。根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見(jiàn)預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。

 

3.2 GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

 

①選點(diǎn)。GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：

 

a.每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測(cè)量工作的使用；

 

b.點(diǎn)周?chē)�高度�?5°以上不要有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；

 

c.點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；

 

d.點(diǎn)位應(yīng)選在視野開(kāi)闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測(cè)和日后使用；

 

e.選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫(xiě)點(diǎn)之記。

 

②觀測(cè)。

 

根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè)，采取靜態(tài)相對(duì)定位，衛(wèi)星高度角15°，時(shí)段長(zhǎng)度45min，采樣間隔10s。在三個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置三臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平、定向），量取天線高，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，開(kāi)機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫(xiě)測(cè)量手簿。

 

通過(guò)以上分析，GPS系統(tǒng)在工程測(cè)量上將有很大的發(fā)展空間，為工程施工質(zhì)量提供了有利的保障。