GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用探討

河南省中牟縣天宇規(guī)劃測(cè)繪隊(duì) 李建平 張景英

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用探討

河南省中牟縣天宇規(guī)劃測(cè)繪隊(duì) 李建平 張景英

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，由美國(guó)國(guó)防部建成的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開(kāi)始投入使用。這種導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過(guò)測(cè)距和定時(shí)進(jìn)行空間交會(huì)定點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)、連續(xù)和高精度的三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息提供給世界各地的用戶。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣，給人類生活帶來(lái)了更多便利。

一、GPS系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)

1.GPS系統(tǒng)的組成。GPS定位系統(tǒng)主要是由工作衛(wèi)星的空間部分、地面監(jiān)控部分及用戶部分組成的。這3部分分別具有獨(dú)立的功能和作用，同時(shí)各部分之間又有機(jī)結(jié)合在一起，形成一套完整的定位系統(tǒng)。

GPS地面接收機(jī)接收天上四顆以上的定位衛(wèi)星的電磁信號(hào)，并可根據(jù)所接受到不同衛(wèi)星之間信號(hào)的時(shí)間差，準(zhǔn)確地計(jì)算出接收機(jī)該時(shí)距離各衛(wèi)星的距離。由GPS衛(wèi)星在空中位置可知，因此可通過(guò)一定的計(jì)算公式將衛(wèi)星位置和已測(cè)出的距離進(jìn)行換算，確定接收機(jī)在地球上的位置，包括經(jīng)緯度、海拔等地理信息。目前，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)已開(kāi)始應(yīng)用于考古測(cè)繪、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通及國(guó)際戰(zhàn)爭(zhēng)中。如黑龍江的三江平原地區(qū)，因其是漢魏遺址，是考古重要地點(diǎn)，文物保護(hù)部門利用該定位技術(shù)，對(duì)遺址進(jìn)行精確定位，并將遺址群繪制成為平面彩色圖系，不僅數(shù)據(jù)精確，也節(jié)省了人力物力；我國(guó)城市交通以上海為首，交通部門可通過(guò)衛(wèi)星定位對(duì)城市車輛進(jìn)行定位，方便政府部門的管理，更便捷了百姓生活；國(guó)際戰(zhàn)爭(zhēng)上，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算敵方陣營(yíng)及重要部署，給敵方以致命突襲，有力把握戰(zhàn)爭(zhēng)局勢(shì)。

2.GPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠較快適應(yīng)各種復(fù)雜變更情況，節(jié)省時(shí)間，避免人力損耗，能夠克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程能夠真正實(shí)現(xiàn)數(shù)值化和信息化。在工程測(cè)量實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中，GPS系統(tǒng)不只可以用于測(cè)量和導(dǎo)航，同時(shí)可用于測(cè)速及測(cè)時(shí)。GPS定位系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）避免通視。測(cè)站間的相互通視是傳統(tǒng)測(cè)量學(xué)中一個(gè)較難解決的問(wèn)題，但在利用GPS定位系統(tǒng)過(guò)程中，避免了測(cè)站間的通視問(wèn)題，能夠使選點(diǎn)更加方便靈活，并使造標(biāo)費(fèi)用大大節(jié)省。

（2）定位精度較高。GPS測(cè)量的優(yōu)越性能隨距離的增長(zhǎng)而愈顯突出。在一份對(duì)北京土地開(kāi)發(fā)項(xiàng)目實(shí)施中，所要開(kāi)發(fā)地區(qū)涉及10個(gè)邊遠(yuǎn)郊縣，而且多數(shù)位于山區(qū)地帶，工作人員進(jìn)入該地區(qū)后，易迷失方向，難以定位。通過(guò)GPS測(cè)繪技術(shù)的使用，可在50km以下的基線上，相對(duì)定位精度達(dá)到百萬(wàn)分之一以上；在100km以上的基線上，定位精度達(dá)到千萬(wàn)分之一，輕松解決定位難問(wèn)題。

（3）定位迅速。利用該定位系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位時(shí)，對(duì)20km以下的基線，快速相對(duì)定位通常只需20min；在動(dòng)態(tài)相對(duì)定位時(shí)，完成初始化工作以后，可在任意時(shí)刻對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行定位，觀測(cè)時(shí)間僅需幾秒。

（4）全天候工作。利用該技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)定位的過(guò)程中，不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，也不會(huì)因天氣狀況影響觀測(cè)效果。在平面控制測(cè)量的過(guò)程中通常以導(dǎo)線如結(jié)點(diǎn)、閉合導(dǎo)線的形式進(jìn)行測(cè)量；在重要構(gòu)造物測(cè)量時(shí)，通常布設(shè)成線形鎖、三角網(wǎng)的形式。

二、工程測(cè)繪過(guò)程中GPS技術(shù)實(shí)施

1. 選點(diǎn)與標(biāo)志的建立。在選點(diǎn)的過(guò)程中要注意以下要求：點(diǎn)位應(yīng)選在交通便利的地帶，該地帶視場(chǎng)要開(kāi)闊；對(duì)電磁波有干擾的地帶不宜選點(diǎn)，如高壓線、電視臺(tái)及大面積的水域地帶都將干擾電磁波的接收。

2. 外業(yè)的觀測(cè)。GPS的對(duì)外觀測(cè)作業(yè)主要有天線的安置、實(shí)時(shí)觀測(cè)及對(duì)觀測(cè)結(jié)果的記錄等。

（1）安置天線。安置天線過(guò)程中主要注意對(duì)中、定向、整平和對(duì)天線高的測(cè)量。在靜態(tài)相對(duì)定位的過(guò)程中，要把天線架設(shè)在三腳架上，并在標(biāo)志中心的上方進(jìn)行對(duì)中，同時(shí)保持基座上的水準(zhǔn)氣泡在居中位置。調(diào)整天線定向過(guò)程中，要確保定向標(biāo)準(zhǔn)線面向正北方，誤差小于5°。測(cè)量天線高時(shí)，應(yīng)從相位中心量起，直至觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)志中心，此段垂直距離即為天線的垂直高度。

（2）觀測(cè)作業(yè)。在進(jìn)行作業(yè)觀測(cè)任務(wù)時(shí)，要及時(shí)捕獲衛(wèi)星的信號(hào)，并實(shí)時(shí)跟蹤處理，獲得定位所需的信息和數(shù)據(jù)。在安置完天線以后，為確保電源和接收機(jī)的正常開(kāi)通，要將接收機(jī)安置在離天線不遠(yuǎn)的安全區(qū)域內(nèi)。在開(kāi)啟電源進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，要保證系統(tǒng)已檢查無(wú)誤。

（3）數(shù)據(jù)處理與成果校核。為了保證對(duì)外觀測(cè)的質(zhì)量和預(yù)期定位精度的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行校核。在結(jié)束觀測(cè)任務(wù)以后，要對(duì)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析、校核，對(duì)出現(xiàn)的不合格的觀測(cè)結(jié)果要及時(shí)采取補(bǔ)測(cè)措施，經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后，方可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三、GPS系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例

1. GPS用于大橋的控制測(cè)量。鄂黃長(zhǎng)江公路大橋在建造初期為了施工及設(shè)計(jì)的便利，采用GPS技術(shù)對(duì)首選方案Ⅲ、Ⅳ橋位進(jìn)行Ⅲ等平面控制測(cè)量。以雙大地四邊形布網(wǎng)作為設(shè)計(jì)方案。與江面垂直的長(zhǎng)邊約為1 200m，平行的短邊約為500m。雙大地四邊形與兩個(gè)國(guó)家Ⅱ等以上大地點(diǎn)聯(lián)測(cè)。在平差處理以后，控制網(wǎng)的精度通常為：誤差在最弱點(diǎn)位中為1.93cm，在最弱邊長(zhǎng)相對(duì)為1/113 000。使Ⅲ等平面控制測(cè)量的精度要求得到了滿足。

2. GPS測(cè)量用于導(dǎo)線控制測(cè)量。河北境內(nèi)高邑至邢臺(tái)段的京深高速公路地處華北平原，地勢(shì)坦蕩平整，最大相對(duì)高差在20m左右，平均海拔大約50m，境內(nèi)分布村莊較多，植被多為小麥及田間行樹(shù)，機(jī)耕道和公路密集分布。在導(dǎo)線測(cè)量過(guò)程中，采用3臺(tái)Wild 200 GPS接收機(jī)，采取點(diǎn)連接方式開(kāi)始同時(shí)作業(yè)，完成作業(yè)后，使其向前滾動(dòng)。

3. GPS測(cè)量用于密林、密灌地區(qū)路線控制測(cè)量。在海南中線新建公路海口至屯昌路段的測(cè)設(shè)中，從石山到永發(fā)鎮(zhèn)有20km距離，植被覆蓋較厚，其中刺密灌、荔枝、龍眼、雜草地較多，人跡罕見(jiàn)，并分布大量火山口。這種地區(qū)幾乎沒(méi)有使用紅外儀導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量的可能。為提高高等級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量，采用GPS沿路線每隔2km做一對(duì)GPS點(diǎn)，這一對(duì)GPS點(diǎn)應(yīng)保證足夠的水平通視距離?？稍?km一對(duì)的GPS通視點(diǎn)的建設(shè)基礎(chǔ)上前后各支出不超過(guò)1km進(jìn)行放線測(cè)設(shè)工作，這樣不僅能夠保證工作的測(cè)設(shè)質(zhì)量，又能使作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大大減小，從而縮短了測(cè)設(shè)周期。