GPS測量在機場擴建工程中的應用

鄧云仁

（四川省場道工程有限公司，四川 成都 610000）

GPS測量在機場擴建工程中的應用

鄧云仁

（四川省場道工程有限公司，四川 成都 610000）

文章通過對GPS系統簡介，特點及使用方法做了了闡述。同時結合工程實例，主要就GPS測量技術在某機場擴建工程中的實際應用進行了分析。

GPS測量；擴建工程；機場

1 GPS系統簡介

（Global Positioning System，簡稱GPS）全球定位系統是美國從20世紀70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛星導航與定位系統，并于1994年全面建成。GPS的整個系統由空間、地面控制和用戶部分組成。（1）空間部分：GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛星組成，其中21顆為可用于導航的衛星，3顆為活動的備用衛星。它們分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛星的平均高度為20～200km，運行周期為11h58min。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆衛星，最多可達到9顆。（2）控制部分：GPS地面監控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站根據各監測站對GPS衛星的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。（3）用戶部分：GPS用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算機）等組成。

1.1 GPS定位原理。GPS定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的J。如圖1所示，在待測點Q設置GPS接收機，在某一時刻同時接收到3顆（或3顆以上）衛星S1、S2、S3所發出的信號。通過數據處理和計算，解算出Q點的三維坐標（y，z）。

1.2 GPS測量的特點

圖1 GPS定位原理

相對于常規測量來說，GPS測量主要有以下特點。（1）測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規測量，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。（2）測站問無需通視。GPS測量不需要測站問相互通視，可根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。（3）觀測時問短。隨著GPS測量技術的不斷完善及軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短，動態相對定位僅需幾秒鐘。（4）儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄。（5）全天候作業。GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時問、任何地點連續進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。（6）提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

2 工程實例

2.1 工程概況

石鎖高速公路起自石林半截河，接昆石高速公路，止于鎖龍寺，接在建的鎖龍寺至蒙自高速公路和已建成的平遠街至鎖龍寺高速公路，全長107.482公里。是云南省第一個全面采用總承包方式建設的高速公路，是國道主干線二連浩特--河口公路云南省境內的一段，同時也是亞洲公路網A14越南河內--云南昆明--緬甸曼德勒的重要組成部分。該工程投資50億元，計劃30個月建成通車，建成后將成為一條雙向準6車道高速公路。其中道面一標段（k0+0~k32+700）由四川省場道有限公司施工。

2.2 GPS測量在某機場擴建工程中的應用

2.2.1 影響GPS測量控制網精度的因素及措施。影響GPS控制網精度的主要因素有：廣播星歷的誤差、精密星歷的誤差、衛星鐘誤差、地球自轉的影響、相對論效應影響、電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑誤差、接收機鐘差所產生的誤差、觀測誤差、天線相位中心位置誤差等。

為了滿足機場工程測量的精度要求，針對影響精度的主要因素常采用的主要技術措施有：增加觀測時段長度和時段數；選用3～5臺套GPS接收機同步觀測，以保證得到足夠的可靠的觀測數據；采用靜態相對定位，保證天線與測點準確對中和整平，事先要對光學對點器進行校準；為了削弱多路徑誤差，觀測點應選在低反射特性物體周圍，還可以適當升高天線高度；在觀測時，采用預報方法預報衛星星歷，使衛星信號方向性基本相同。

2.2.2 網形選擇。由于GPS控制網點間不需要通視，并且網的精度主要取決于觀測時衛星與測站間的幾何圖形、觀測數據的質量、數據處理方法，與GPS網形關系不大。因此，GPS網布設形式可分為星形連接、點連式、邊連式、網連式及邊點混合連接等，見圖2、圖3、圖4。

圖2 星形網

圖3 點連式網形

圖4 邊連式網形

星形網的幾何圖形簡單，直接觀測邊之間不構成任何閉合圖形，所以檢查和發現粗差的能力較差。這種圖形廣泛應用于精度較低的工程測量、邊界測量、地籍測量和地形測圖等。點連式布網所構成的圖形幾何強度較弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般在作業中不單獨使用。邊連式布網有較多的重復基線和獨立環，有較強的幾何強度。網連式作業需要4臺以上的接收機，采用這種布網方式所測設的GPS網具有較強的圖形強度和較高的可靠性，但作業效率低，花費的經費和時間較多，一般僅適用于要求精度較高的控制網測量。

2.2.3 GPS作業設計進行GPS控制測量作業設計時，一方面要考慮后勤經濟問題，目的在于縮短外業時間，節約資金，使測量費用指標達到最優；另一方面，要有較多的多余觀測，以提高觀測成果的精度和可靠性，同時還必須考慮各待測點的點位精度的均勻性。因此，一般機場GPS控制網作業設計應滿足下列原則：各測點上設站次數應盡量相同；保證點間距滿足規范要求，并沿最短路徑遷站；應聯測相距較遠并位于測區內或邊緣的高等級控制點；每次重復設站盡量不用相同的接收機。

設有P個GPS點，R臺接收機，觀測時段為T。如果P≥M（R－1）＋1，那么GPS網中多余向量達到最大，為T（R－1）－（P－1）。這樣在滿足GPS網費用指標的前提下，能保證機場GPS網的精度、靈敏度和可靠性。

值得一提的是，機場建設中往往涉及坐標變換問題，因為機場建筑物（構筑物）一般是矩形或對稱結構，建筑紅線多與機場跑道中心線平行或垂直，因此一般規劃設計均在機場坐標系中進行。以飛機跑道中心線為基準建立機場坐標系。機場坐標系縱軸平行或重合于主跑道中心線，常記為X；橫軸垂直于縱軸，常記為Y，構成坐標系。為了避免正負號引起不必要的錯誤或麻煩，機場坐標系原點的選擇應當保證測區內的坐標不出現負值，同時便于計算和應用。

工程測量中常用高斯平面直角坐標系，并且機場坐標系是在國家等級控制網或當地城市測量控制網的基礎上建立起來的，當兩坐標系發生聯系時，應當進行坐標變換，即坐標平移變換、旋轉變換、比例變換、錯切變換。可用一簡單的線性模型（變換通式）表示：

式中：a1，a2，b1，b2為坐標轉換、縮放、錯切變化系數，不同變換取值不同；a3，b3為坐標平移系數，平移量為0時其值為0。

3 GPS飛機場軸線定位

在確定機場跑道中心軸線方位的精度時，按機場等級而定，最高精度應低于±1″，解算GPS基線時一定要用精密軟件，最低也應優于±6″，可用接收機自帶的商業軟件解算。

結語。隨著GPS系統的完善及具有的定位精度高、速度快、效益高等特點，迅速廣泛地應用于大地測量、工程測量、工程與地殼變形觀測、地籍測量、航空攝影測量和海洋測繪等諸多領域。GPS技術在太原飛機場擴建工程中的應用，改變了傳統的測量作業工作方式，提高了工作效率，也帶來了可觀

的經濟效益。

[1]郭金運，徐泮林，王同孝.機場工程測量中若干問題的分析[J].東北測繪，2000（3）：20－30.

[2]周立.GPS測量技術[M].北京：黃河水利出版社，2006.

[3]高井祥.數字測圖原理與方法[M].北京：中國礦業大學出版社，2001.

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