GPS在测量工程中的应用

[摘要]GPS(Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域,GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量以及地形测量等各个方面。文章主要对GPS在测量工程中的应用进行探讨,可供参考。

[关键词]GPS;工程测量;应用;RTK定位技术

[作者简介]颜超,海南地质综合勘察设计院,海南海口,571700

[中图分类号] P228.4[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723(2010)02-0057-0002

一、GPS测量技术

GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力,引起了广大测量工作者的极大兴趣。最初GPS定位基本上只有一个作业模式——静态相对定位,两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星1～2 h或更长一些时间,通过观测数据的后处理,给出各待定点间的基线向量,在采用广播卫星的条件下,静态定位可取得 5mm +1×10-6 D(双频)或10mm +2×10-6 D (单频)基线解精度。

随着技术的发展,快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路,大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统(双频)在10km以内的短边上,正常接收4～5颗卫星5min左右,即可获取5～10mm +1×10-6 D的基线精度,与1～2 h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。各个GPS测量厂商看好这个大趋势,纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪,有的称之为RTK(实时动态测量),有的称之为RTK GPS。

总之,GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟,GPS测量功能更加完善,GPS测量应用面更广,并且GPS测量设备价格变得低廉,操作更加简便,使GPS测量更加实用化和自动化。

下面主要介绍GPS系统的组成、工作原理及其在测量领域的应用特点。

二、GPS系统的组成

GPS全球定位系统由GPS工作卫星城的空间部分、若干地面站组成的地面监控部分及接收机为主的用户部分组成。三者既有独立功能和作用,又有机结合形成完整系统。

(一)空间星座部分

空间部分由7颗试验卫星和24颗GPS工作卫星组成,GPS工作卫星均匀分布倾角为55°的6个轨道上,轨道高度约为2×104km,各轨道升交点的赤经相差60°。每条轨道上均匀分布着4颗卫星,相邻轨道之间的卫星还要彼此之间叉开40°,以保证全球均匀覆盖的要求,并在任意时刻全球各处都能测到高度角为15°以上的4颗卫星。

(二)地面监控部分

地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。

(三)用户设备部分

用户设备部分包括GPS接收机和数据处理软件等。GPS接收机主要由天线、信号处理器、显示装置、记录装置、电源等组成。其主要功能是通过天线接收GPS卫星发射的无线电信号,在信号处理器中进行中频放大、滤波和信号处理,解码得到广播电文、获得伪距定位结果,将观测数据存储并传递电脑进行处理。

三、GPS的工作原理与技术特点

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在GPS测量中通常采用两类坐标系统:一类是在空间固定的坐标系统;另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统,在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果,因此在测量中得到了广泛的应用。

相对于常规的测量方法来讲,GPS测量有以下特点:

(1)测站之间无需通视。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)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为 5mm+1×10-6 D,而红外仪标称精度为 5mm+5×10-6 D,GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。

(3)观测时间短。采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。

(4)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。

(5)操作简便。GPS测量的自动化程度较高。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。而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。

(6)全天候作业。GPS观测可在任何地点、任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。

在中国GPS定位技术的应用已深入各个领域,国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术。在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地震的形变监测、海岛或海域测量等也已广泛地使用GPS技术。

四、 GPS全球定位系统在工程测量中的应用

目前公路工程勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备,但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制,作业强度大,且效率低,大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造,在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前,用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量,为勘测阶段测绘带状地形图、路线平面、纵横断面测量提供依据;在施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网。这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段。公路测量的技术潜力蕴含于RTK(实时动态定位)技术的应用之中,RTK技术在公路工程测量中的应用,有着非常广阔的前景。

(一)实时动态(RTK)定位技术

实时动态(RTK)定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破,在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知,无论静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果,而且也无法对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性,这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置1台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测。流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。

实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式。两种定位模式相结合,在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。

(二)静态定位模式

要求GPS接收机在每一流动站上,静止地进行观测。在观测过程中,同时接收基准站和卫星的同步观测数据,实时解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中,如控制网加密。若采用常规测量方法(如全站仪测量),受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难;而采用RTK快速静态测量,可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5～10 min,不及静态测量所需时间的1/5, 在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。

(三)动态定位

测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需2～10 s)进行初始化工作,之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时确定采样点的空间位置。其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面测量等工作;且整个测量过程不需通视,有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点.

(四)RTK技术的优点

RTK技术主要具有以下优点:

1.实时动态显示经可靠性检验可达厘米级精度的测量成果(包括高程)。

2.彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS作业效率。

3.作业效率高,每个放样点只需要停留2～4s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的。

4.应用范围广,可以涵盖公路测量(包括平、纵、横)、施工放样、监理、竣工测量、养护测量、GIS前端数据采集诸多方面。

5.如辅助相应的软件,RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势。

五、结语

GPS测量技术的应用使得地质测绘的精度、作业效率和实时性达到最佳的融合,极大地推进了地质测量技术的发展,使地质测量手段实现自动化或半自动化,有力地促进地质测量的精确度和测量速度。GPS技术将在地质测量和其他领域得到更广阔的应用。