论工程测量中的GPS技术

摘要：本文探讨了GPS在工程测量中的特点，并论述了gps测量技术在工程测绘中的应用等，有一定的理论价值和现实意义。

关键词：GPS；工程测绘；精度；特点

1、GPS测量技术应用

GPS的出现给测绘领域带来了根本性的变革,具体现:在大地测量方面, GPS定位技术以其精度高、速度快费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测中。时至今日,可以说GPS定位技术已完全取代了用常测角、测距手段建立的大地控制网。一般将应用GPS卫定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以GPS网分为两大类:一类是全球或全国性的高精度GPS网这类GPS网中相邻点的距离在数百公里至上万公里,其要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。一类是区域性的GPS网,包括GPS城市网、矿区网和工网等,这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里其主要任务是直接为国民经济建设服务。

在工程测量领域, GPS定位技术正在日益发挥其巨大作用。如,利用GPS可进行各级工程控制网的测量、GPS用于精密工程测量和工程变形监测、利用GPS进行机载航空摄影测量、利用RTK技术进行点位的测设等。在灾害监测领域, GPS可用于地震活跃区的地震监测、大坝监测、油田下沉、地表移动和沉降监测等,此外还可用来测定极移和地球板块的运动。

2、GPS相对于其他卫星定位系统的特点

GPS系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统,它以高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特点著称,比其它导航定位系统具有更强的优势。GPS与GLONASS和NAVSAT主要特征比较见表1所示。

表1 GPS与GLONASS和NAVSAT主要特征比较

4、GPS测量的特点

GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下:

4.1、功能多、用途广GPS

系统不仅可以用于测量、导航,还可以用于测速、测时。测速的精度可达0・1 m /s,测时的速度可达几十毫微妙。其应用领域不断扩大。

4.2、定位精度高

大量的实验和工程应用表明,用载波相位观测量进行静态相对定位,在小于50 km的基线上,相对定位精度可达1×10-6~2×10-6,而在100 km~500 km的基线上可达10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善,可望在大于1 000 km的距离上,相对定位精度达到或优于10-8。在实时动态定位(RTK)和实时差分定位(RTD)方面,定位精度可达到厘米级和分米级,能满足各种工程测量的要求。其精度如表2所示。随着GPS定位技术及数据处理技术的发展,其精度还将进一步提高。

表2 GPS实时定位、测速与测时精度

4.3、实时定位

利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。

4.4、观测时间短

目前,利用经典的静态相对定位模式,观测20 Km以内的基线所需观测时间,对于单频接收机在1 h左右,对于双频接收机仅需15 min~20 min。采用实时动态定位模式,流动站初始化观测1 min~5 min后,并可随时定位,每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制网,可缩短观测时间,提高作业效益。

4.5、观测站之间无需通视

经典测量技术需要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量只要求测站15°以上的空间视野开阔,与卫星保持通视即可,并不需要观测站之间相互通视,因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30% ~50% )。同时,也使选点工作变得非常灵活,完全可以根据工作的需要来确定点位,可通视也使电位的选择变得更灵活,可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出, GPS测量虽然不要求观测站之间相互通视,但为了方便用常规方法联测的需要,在布设GPS点时,应该保证至少一个方向通视。

4.6、操作简便GPS测量的自动化程度很高

对于“智能型”接收机,在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态,而其他工作,如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束观测时,仅需关闭电源,收好接机,便完成野外数据采集任务。如果在一个测站上需要作较长时间的连续观测,还可实行无人值守的数据采集,通过网络或其他通讯方式,将所采集的观测数据传送到数据处理中心,实现全自动化的数据采集与处理。GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小。例如, Ashtech单频接收机―――LOCUS最大重量1・4 kg,是天线、主机、电源组合在一起的一体机,自化程度较高,野外测量时仅“一键”开关,携带和搬运都很方便。

4.7、可提供全球统一的三维地心坐标

经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测量观测站的大地高程。GPS测量的这一特点,不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的,因此全球不同点的测量成果是相互关联的。

4.8、全球全天候作业

GPS卫星较多,且分布均匀,保证了全球地面被连续覆盖,使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作,通常情况下,除雷雨天气不宜观测,一般不受天气状况的影响。因此,GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面,它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革;另一方面,也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透,从而促进了测绘科学技术的现代化发展。

5、GPS测量及四等光电测距三角高程测量

5.1、 GPS测量

E级GPS控制网以边连接方式布设,平均距离为500 m~1 000 m。GPS数据采集采用6台灵锐S-82型双频接收机。为确保观测质量,预先根据星历预报编制观测计划。GPS观测时的PDOP值均小于5,保证了卫星的几何结合和数据采集质量。观测中作业模式采用静态观测,采样间隔为5″,卫星截止高度角为15°,有效卫星数均大于7,同步观测时间为40 min~50 min。天线斜高分别在测前测后用钢卷尺各量取3次取平均值使用。

5.2、 四等光电测距三角高程测量

光电测距三角高程测量,采用拓普康GTP-3005LN型全站仪进行施测。距离及高差均采用正倒镜各测4次并进行往返测,取往返测平均值使用。各项指标均满足《光电测距高程导线测量规范》的要求。

6、 GPS高差与三角高差的差值分析

对比数据由GPS网中随机抽取,共抽取8条基线,并对其进行三角高差测量。表1中往返高差限差均按《光电测距高程导线测量规范》要求的四等高程导线往返高差限差Δh=±45S计算。我们可以看到每一段的GPS高差与三角高差的差值都优于规范要求,而且每公里高差误差最大值为±3.29 cm,可见在小面积范围内GPS高差精度已经达到了四等高程导线的精度。

7、结束语

检测结果表明, 10 km2范围内GPS高差完全可以取代四等三角高差及等外水准高差而应用于施工当中。由此可见,在小面积的测区内如果采用单点作为测区起算点而建立的独立坐标系统下, GPS高程也同样能满足像地质矿产勘查与物化探工程测绘的精度要求。

参考文献：

[1]王金山,周园.测量学基础[M].北京:教育科学出版社,2004.

[2]孟凡超. GPS-RTK与全站仪联合作业在数字测图中的应用[J]. 北京测绘,2010(2)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。