GPS定位原理及其在海域施工中的應用

王鳳玉

摘 要:隨著GPS技術的發展,該技術在測量方面的應用,已充分顯示了GPS測量技術較常規測量技術的優越性。本文首先介紹了GPS全球衛星定位系統的定位原理和特點,最后簡要介紹了其在海域施工中的應用。

關鍵詞:GPS定位原理海域施工

中圖分類號:P228.4 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0030-01

GPS是利用衛星的測時和測距進行導航,以構成全球定位系統。它可向全球用戶提供連續、實時、全天候、高精度的三維位置、運動物體的三維速度和時間信息。GPS技術除用于精密導航和軍事目的外,還廣泛應用于大地測量、工程測量、資源調查等廣泛領域。

1GPS全球衛星定位系統的定位原理

由于電磁波在空間的傳播速度已被精確地測定了,因此我們可利用測定電磁波傳播時間的方法,間接求得兩點之間的距離。GPS接收機是測量電磁波從衛星上傳播到地面的單程時間來計算距離。由于衛星鐘和接收機鐘不可能精確同步,所以用GPS測出的傳播時間中含有同步誤差,因此算出的距離并不是真實的距離,觀測中把含有時間同步誤差所計算的距離稱為“偽距”。為了提高GPS的定位精度,有絕對定位和相對定位之分,具體如下。

1.1 絕對定位原理

絕對定位原理是用一臺接收機,將捕獲到的衛星信號和導航電文加以解算,求得接收機天線相對于WGS-84坐標系原點(地球質心)絕對坐標的一種定位方法。此原理被廣泛用于導航和大地測量中的單點定位。

由于單程測定時間只能測量到偽距,所以必須加以改正。對于衛星的鐘差,可以利用導航電文中所給出的有關鐘差參數加以修正,而接收機小的鐘差一般難以預先確定,所以通常把它作為一個未知參數,與觀測站的坐標在數據處理中一起求解。求算測站點坐標實質上是空間距離的后方交會。在一個觀測站上,原則上必須有3個獨立的觀測距離才可以算出測站的坐標,這時觀測站應位于以3顆衛星為球心,相應距離為半徑的球面與地面交線的交點上。因此,接收機對這3顆衛星的點位坐標分量再加上鐘差參數,共有4個未知數,所以至少需要4個同步偽距觀測值。換言之,至少要同時觀測4顆衛星。

1.2 相對定位原理

使用一臺GPS接收機進行絕對定位,由于受到各種因素的影響,其定位精度較低,這一精度是遠遠達不到工程測量的要求,所以相對定位在工程中廣泛使用。

相對定位的基本情況,兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端同步觀測相同的衛星,以確定基線端點在坐標系的相對位置或基線向量。當然,也可以使用多臺接收機分別安置在若干條基線的端點上,通過同步觀測以確定各條基線的向量數據。相對定位對于中等長度的基線。相對定位也可按用戶接收機在測量過程中所處的狀態分靜態定位和動態定位兩種。

靜態相對定位的精度是很高的,在實施過程中,為縮短觀測時間,采用一種快速相對定位模式,即用一臺接收機固定在參考站上,以確定載波的初始整周待定值,而另一臺接收機在其周圍的觀測站流動,并在每一流動站上靜止與參考站上的接收機進行同步觀測,以測量流動站與固定站之間的相對位置。這種觀測方式可以將每一站上的觀測時間由數小時縮短為幾分鐘,而精度卻沒有降低。動態相對定位是將一臺接收機設置在參考點上不動,另一臺接收機安置在運動的載體上,兩臺接收機同步GPS衛星,從而確定流動點與參考點之間的相對位置。動態相對定位的數據處理有兩種方式:一種是實時處理,另一種是測后處理。前者的觀測數據無需存儲,但難以發現粗差,精度較低;后者在基線長度為數公里的情況下,精度約為1～2cm,比較常用。

2GPS測量的特點

GPS技術在測量方面的應用,充分顯示了GPS測量技術較常規測量技術的優越性。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觀測的精度明顯向于一般常規測量,在小于50km的基線上,其相對定位精度可達1×10-6,在大于1000km的基線上可達1×10-8。當精度要求較高時,應避免短邊,大法避免時,要謹慎觀測。

(2)測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視,使得選點工作更加靈活方便,可根據實際需要確定點位,布網方便,特別是在地形復雜、通視因難的測區,更顯其優越性。但內于觀測質量主要受觀測時衛星的空間分市和衛星信號的質量影響,所以應嚴格按有關要求選點,選擇最佳時段觀測,并注意手機、步話機等設備的使用。若個別點的選定受地形條件限制,造成樹木遮擋,影響對衛星的觀測及信號的質量,應重復測量。

(3)觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善,軟件的不斷更新,在進行GPS測量時,靜態相對定位每站僅帶20min左右,動態相對定位僅需幾秒鐘。

(4)儀器操作簡便,自動化程度向。目前GPS接收機自動化程度越來越向,操作智能化,觀測人員只需對中、整平、量取大線高及開機店設定參數,接收機即可進行自動觀測和記錄。整個作業過程全出微電子技術、計算機技術控制,自動記錄、自動數據須處理、自動平差計算。從數據傳輸到數據處理全部采用隨機軟件完成,不受人為因素的影響,因此大大提高工作效率及成果質量。

(5)全天候作業。GPS衛星數目多,且分布均勻,可保證征任何時間、任何地點連續進行觀測,一般不受大氣狀況的影響。

(6)提供三維坐標。只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度,即可方便地求出符合精度要求的測站點二維坐標,其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。但若聯測的已知高程點較少時,會影響控制點的高程精度。因此,要保證控制點高程的精度,必須聯測足夠的已知高程點。

3GPS在海域施工中的應用

由于GPS減少了環境因素的制約。不管刮風、下雨、大霧天氣,GPS都可以進行測量,所以能夠保證施工全天候作業。海域施工中GPS打樁定位系統在海上施工中可實現遠離岸邊施工船的定位。實現定位過程中數據的自動采集與處理。能夠以圖形和數字的形式反映施工打樁的當前和設計位置,便于操作人員調整船位進行施工打樁。

利用GPS打樁系統進行打樁定位,只要把樁位的三維坐標和斜率等要素輸入控制系統里,打樁船會自動地來控制樁的位置。該方法具有速度快、精度高等優點。通過互聯網技術對打樁定位現場再現,在項目部或公司就可以對GPS的定位操作進行同步監控,并且將有關的各種數據即時傳送,在岸上就可以掌握沉樁情況,對各項參數進行檢查復核,防止由于參數錯誤而釀成大錯,同時對沉樁偏位進行監控,為技術管理和施工管理帶來了便利。特別是水下炸礁作業,GPS定位儀保證了鉆孔的準確性,能對定位船舶的位移隨時的進行修正。視線不好時,使用GPS定位儀能準確的將作業人員帶到作業現場和送到碼頭。使用GPS定位儀,在船舶行進和錨泊作業中使操作更靈活方便準確。

參考文獻

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