摘要:GPS测量技术的出现和不断发展,极大地促进了地籍测绘工作的进步,不仅使地籍测绘的工作方式发生了根本性的变革,也大大提高了工程测绘的工作效率、拓广了工程测绘的服务范围。文章对GPS测量的基本原理、选点与建立标志、成果检核与数据处理等GPS在工程测绘中的应用进行了分析。
关键词:GPS;工程测绘;网形设计; 外业关测
中图分类号:P228文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0031-02
一、全球定位系统(GPS)
全球定位系统(GPS)是“卫星授时测距导航/全球定位系统”的简称。该系统由美国国防部于1973年组织研制,历经20年,耗资近300亿美元,于1993年建设成功,主要为军事导航与定位服务。GPS利用卫星发射的无线电信号进行导航定位,具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、侧速和授时功能,并具有良好的保密性和抗干扰性。GPS已成为美国导航技术现代化的重要标志,被称为本世纪继阿波罗登月计划之后的又一重大航天技术。GPS不但可以用于军事上各兵种和武器的导航定位,在民用上也具有广泛的应用。GPS定位技术的引入,引发了测绘技术的一场革命,使得测绘领域步入了一个崭新的时代。
全球定位系统(GPS)由三部分(如图1所示)组成:空间卫星星座、地面监控系统和用户设备。
经过20年的发展,GPS已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域,尤其是对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在许多学科,如地球动力学、大地测量学、天文学、大气科学、海洋科学、地球物理勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测以及精密时间传递等方面的广泛应用,充分地显示了这一卫星定位技术的高精度与高效益。
二、GPS定位原理
全球定位系统(GPS)的定位基本原理,是空间距离交会定点原理。假设在地面上有3个无线电信号发射台,其位置坐标已知,用(xi,yi,zi)(其中i=1,2,3)表示。用户接收机在某一时刻采用无线电测距的原理测得接收机到3个无线电发射台的距离只Ri(i=1,2,3),则只需以3个发射台为球心,以所测距离为半径,即可用距离交会原理计算出用户接收机的空间位置(xp,yp,zp,)。其数学模型如下:
Ri=
如果只有两个无线电发射台,则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种通过无线电测距交会定点的方法是目前仍在使用的飞机、轮船的导航定位方法。现在将无线电信号发射台从地面搬到位于空间中的卫星之上,组成一个卫星导航定位系统,应用无线电测距交会的原理,便可由3个以上地面已知点交会出卫星的空间位置;反之,利用3个以上卫星的已知空间位置,又可以交会出地面上未知点的空间位置,这就是GPS卫星定位的基本原理。
与传统测绘相比,GPS有其明显的技术优势:
1.定位精度高。用载波相位做相对定位,观测时间少于20min,可以达到±5mm的距离精度。若采用快速定位方法,观测时问仅需1min左右,即能达到±0.1m的距离精度。
2.提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时,还可以精确测定观测站的大地高程。
3.观测站之间无须通视。既要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好结构,一直是常规测量在实践方面的难题之一。GPS测量可以节省常规测量所需的造标费用,减少测量时间,经济效益十分显著。
4.全天候作业。GPS测量工程通常可在任何地点、任何时间连续地进行。
三、GPS测量实施
GPS测量的外业工作主要包括选点、建立观测标志、野外观测以及成果质量检核等;内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序,则可分为技术设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理等阶段。现将GPS测量中最常用的精密定位方法——静态相对定位方法的工作程序作一简单介绍。
(一)GPS网的技术设计
GPS网的技术设计是一项基础性的工作。这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行,其主要内容包括精度指标的确定和网的图形设计等。
1.GPS测量的精度指标。精度指标的确定取决于网的用途,设计时应根据用户的实际需要和可以实现的设备条件,恰当地确定GPS网的精度等级。精度指标通常以网中相邻点之间的距离误差mR来表示,其形式为:
(1)
式中D为相邻点间的距离(km)。现将我国不同类级GPS网的精度指标列于表1所示:
2.网形设计。常规控制测量中,控制网的图形设计十分重要。而在GPS测量时由于不需要点间通视,因此图形设计灵活性比较大。GPS网设计主要考虑以下几个问题:(1)网的可靠性设计。GPS测量有很多优点,如测量速度快,测量精度高等,但是由于是无线电定位,受外界环境影响大,所以在图形设计时应重点考虑成果的准确可靠和有较可靠的检验方法。GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形,以增加检核条件,提高网的可靠性;(2)GPS点虽然不需要通视,但是为了便于与常规方法联测和扩展,要求控制点至少与一个其他控制点通视,或者在控制点附近300m外布设一个通视良好的方位点,以便建立联测方向;(3)为了求定GPS网坐标与原有地面控制网坐标之间的坐标转换参数,要求至少有三个GPS控制网点与地面控制网点重合;(4)为了利用GPS进行高程测量,在测区内GPS点应尽可能与水准点重合,或者进行等级水准联测;(5)GPS点尽量选在天空视野开阔、交通方便地点,并要远离高压线、变电所及微波辐射干扰源。
(二)选点与建立标志
由于GPS测量观测站之间不要求通视,而且网形结构灵活,故选点工作远较常规大地测量简便;并且省去了建立视标的费用,降低了成本。但GPS测量又有其自身的特点,因此选点时,应满足以下要求:点位应选在交通方便、易于安置接收设备的地方,且视野开阔,以便同常规地面控制网的联测;GPS点应避开对电磁波接收有强烈吸收、反射等干扰影响的金属和其他障碍物体,如高压线、电台、电视台、高层建筑、大范围水面等。
点位选定后,应按要求埋置标石,以便保存。最后,应绘制点之记、GPS网选点图,作为提交的选点技术资料。
(三)外业观测
外业观测是指利用GPS接收机采集来自GPS卫星的导航信号,其作业过程大致可分为天线安置、接收机操作和观测记录。外业观测应严格按照技术设计时所拟定的观测计划进行实施,只有这样,才能协调好外业观测的进程,提高工作效率,保证测量成果的精度。为了顺利地完成观测任务,在外业观测之前,还必须对所选定的接收设备进行严格的检验。
天线的妥善安置是实现精密定位的重要条件之一,其具体内容包括:对中、整平、定向并量取天线高。
接收机操作的具体方法步骤,详见仪器使用说明书。实际上,目前GPS接收机的自动化程度相当高,一般仅需按动若干功能键,就能顺利地自动完成测量工作;并且每做一步工作,显示屏上均有提示,做到实时记录,减少外作用操作量。
观测记录的形式一般有两种:一种由接收机自动形成,并保存在机载存储器中,供随时调用和处理,这部分内容主要包括接收到的卫星信号、实时定位结果及接收机本身的有关信息。另一种是测量手簿,工作量大,需要有人随时记录,其中包括观测时的气象元素等其他有关信息。观测记录是GPS定位的原始数据,也是进行后续数据处理的惟一依据,必须妥善保管。
(四)成果检核与数据处理
观测成果的外业检核是确保外业观测质量,实现预期定位精度的重要环节。所以,当观测任务结束后,必须在测区及时对外业观测数据进行严格的检核;并根据情况采取淘汰或必要的重测、补测措施。只有按照《规范》要求,对各项检核内容严格检查,确保准确无误,才能进行后续的平差计算和数据处理。
GPS测量采用连续同步观测的方法,一般15秒钟自动记录一组数据,其数据之多,信息量之大是常规测量方法无法相比的;同时,采用的数学模型、算法等形式多样,数据处理的过程相当复杂。在实际工作中,借助于电子计算机,使得数据处理工作的自动化达到了相当高的程度,这也是GPS能够被广泛使用的重要原因之一。
四、结语
与传统测绘方法相比,GPS测绘具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无需通视、不用建标等优点,而且仪器设备小巧轻便,操作简单便捷。经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
参考文献
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