GPS定位原理及其在海域施工中的應(yīng)用

王鳳玉

摘 要:隨著GPS技術(shù)的發(fā)展,該技術(shù)在測量方面的應(yīng)用,已充分顯示了GPS測量技術(shù)較常規(guī)測量技術(shù)的優(yōu)越性。本文首先介紹了GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理和特點,最后簡要介紹了其在海域施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:GPS定位原理海域施工

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

GPS是利用衛(wèi)星的測時和測距進(jìn)行導(dǎo)航,以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它可向全球用戶提供連續(xù)、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(shù)除用于精密導(dǎo)航和軍事目的外,還廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、資源調(diào)查等廣泛領(lǐng)域。

1GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(wèi)星上傳播到地面的單程時間來計算距離。由于衛(wèi)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(wèi)星信號和導(dǎo)航電文加以解算,求得接收機天線相對于WGS-84坐標(biāo)系原點(地球質(zhì)心)絕對坐標(biāo)的一種定位方法。此原理被廣泛用于導(dǎo)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(wèi)星的鐘差,可以利用導(dǎo)航電文中所給出的有關(guān)鐘差參數(shù)加以修正,而接收機小的鐘差一般難以預(yù)先確定,所以通常把它作為一個未知參數(shù),與觀測站的坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一起求解。求算測站點坐標(biāo)實質(zhì)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(biāo),這時觀測站應(yīng)位于以3顆衛(wèi)星為球心,相應(yīng)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(wèi)星的點位坐標(biāo)分量再加上鐘差參數(shù),共有4個未知數(shù),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(wèi)星。

1.2 相對定位原理

使用一臺GPS接收機進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)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(wèi)星,以確定基線端點在坐標(biāo)系的相對位置或基線向量。當(dāng)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(shù)據(jù)。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(tài)分靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種。

靜態(tài)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(jìn)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(shù)小時縮短為幾分鐘,而精度卻沒有降低。動態(tài)相對定位是將一臺接收機設(shè)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(wèi)星,從而確定流動點與參考點之間的相對位置。動態(tài)相對定位的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)無需存儲,但難以發(fā)現(xiàn)粗差,精度較低;后者在基線長度為數(shù)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(shù)在測量方面的應(yīng)用,充分顯示了GPS測量技術(shù)較常規(guī)測量技術(shù)的優(yōu)越性。相對于常規(guī)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(guī)測量,在小于50km的基線上,其相對定位精度可達(dá)1×10-6,在大于1000km的基線上可達(dá)1×10-8。當(dāng)精度要求較高時,應(yīng)避免短邊,大法避免時,要謹(jǐn)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(jù)實際需要確定點位,布網(wǎng)方便,特別是在地形復(fù)雜、通視因難的測區(qū),更顯其優(yōu)越性。但內(nèi)于觀測質(zhì)量主要受觀測時衛(wèi)星的空間分市和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響,所以應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點,選擇最佳時段觀測,并注意手機、步話機等設(shè)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(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量,應(yīng)重復(fù)測量。

(3)觀測時間短。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善,軟件的不斷更新,在進(jìn)行GPS測量時,靜態(tài)相對定位每站僅帶20min左右,動態(tài)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(shè)定參數(shù),接收機即可進(jìn)行自動觀測和記錄。整個作業(yè)過程全出微電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制,自動記錄、自動數(shù)據(jù)須處理、自動平差計算。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)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(zhì)量。

(5)全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多,且分布均勻,可保證征任何時間、任何地點連續(xù)進(jìn)行觀測,一般不受大氣狀況的影響。

(6)提供三維坐標(biāo)。只要保證接收衛(wèi)星信號的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度,即可方便地求出符合精度要求的測站點二維坐標(biāo),其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。但若聯(lián)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(lián)測足夠的已知高程點。

3GPS在海域施工中的應(yīng)用

由于GPS減少了環(huán)境因素的制約。不管刮風(fēng)、下雨、大霧天氣,GPS都可以進(jìn)行測量,所以能夠保證施工全天候作業(yè)。海域施工中GPS打樁定位系統(tǒng)在海上施工中可實現(xiàn)遠(yuǎn)離岸邊施工船的定位。實現(xiàn)定位過程中數(shù)據(jù)的自動采集與處理。能夠以圖形和數(shù)字的形式反映施工打樁的當(dāng)前和設(shè)計位置,便于操作人員調(diào)整船位進(jìn)行施工打樁。

利用GPS打樁系統(tǒng)進(jìn)行打樁定位,只要把樁位的三維坐標(biāo)和斜率等要素輸入控制系統(tǒng)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(yōu)點。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對打樁定位現(xiàn)場再現(xiàn),在項目部或公司就可以對GPS的定位操作進(jìn)行同步監(jiān)控,并且將有關(guān)的各種數(shù)據(jù)即時傳送,在岸上就可以掌握沉樁情況,對各項參數(shù)進(jìn)行檢查復(fù)核,防止由于參數(shù)錯誤而釀成大錯,同時對沉樁偏位進(jìn)行監(jiān)控,為技術(shù)管理和施工管理帶來了便利。特別是水下炸礁作業(yè),GPS定位儀保證了鉆孔的準(zhǔn)確性,能對定位船舶的位移隨時的進(jìn)行修正。視線不好時,使用GPS定位儀能準(zhǔn)確的將作業(yè)人員帶到作業(yè)現(xiàn)場和送到碼頭。使用GPS定位儀,在船舶行進(jìn)和錨泊作業(yè)中使操作更靈活方便準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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