GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)在高程測(cè)量中的應(yīng)用

向子強(qiáng) 秦啟耀

【摘要】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的科技水平得到了巨大的發(fā)展，GPS測(cè)量以其全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn)，已逐步取代了最初的常規(guī)大地測(cè)量和工程測(cè)量。利用GPS定位技術(shù)建立各種用途控制網(wǎng)已經(jīng)相當(dāng)普及。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，GPS技術(shù)具有精度高、測(cè)量簡單、測(cè)量時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，所以以及逐漸的取代了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在控制測(cè)量中的地位。本文就在介紹GPS靜態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)上，分析其在控制測(cè)量中的具體應(yīng)用，供有關(guān)人員參考。

【關(guān)鍵詞】GPS；靜態(tài)測(cè)量；高程測(cè)量

1、GPS靜態(tài)測(cè)量的原理

1.1 GPS定位原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取接收機(jī)的具體位置。其中，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出，而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距）。當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文，當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘作對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

1.2 GPS測(cè)量的方法以及優(yōu)點(diǎn)

GPS測(cè)量方法包括靜態(tài)測(cè)量和RTK測(cè)量，本文主要分析GPS靜態(tài)測(cè)量。該方法是把至少三臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)安置在基線端點(diǎn)上，保持固定不動(dòng)，不受通視條件的限制，但是需要同步觀測(cè)四顆以上衛(wèi)星。測(cè)量時(shí)可觀測(cè)多個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)十分鐘到數(shù)十小時(shí)，最后把觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過結(jié)算軟件處理得到各點(diǎn)坐標(biāo)，在GPS測(cè)量的各種方法中，靜態(tài)測(cè)量的方法精確度最高，具有測(cè)站間不需要通視、可以全天候定位、操作簡單、觀測(cè)時(shí)間較短、可以提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，也因此通常應(yīng)用于各種工程測(cè)量當(dāng)中。

2、GPS靜態(tài)測(cè)量工程應(yīng)用實(shí)例

2.1工程簡介

為了解決某縣的水資源短缺問題。該縣水利局?jǐn)M定在某鎮(zhèn)某河流上修建一座中型水庫，并進(jìn)行前期論證。我單位受該縣水利局委派，于2013年8月9日開赴該河測(cè)區(qū)。該測(cè)區(qū)位于該縣境內(nèi)某河流域一級(jí)支流—長江上游，屬長江水系。水庫控制徑流而積22.96km2，多年平均徑流量1569萬m3，水庫總庫容1346萬m3，可灌溉而積38000畝，是一座為灣壩低熱河谷開發(fā)提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水的中型水庫。該水庫擬定兩種選址方案：上壩址位于多密河寨子腳；下壩址位于水磨房邊，測(cè)區(qū)面積一平方公里。整個(gè)測(cè)區(qū)屬山區(qū)，地形復(fù)雜、植被繁茂、交通極其不便。此次測(cè)量，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1959年北京坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1999年黃海高程系。壩址高程1460m，首級(jí)平而控制我們布設(shè)D級(jí)GPS控制網(wǎng)。GPS接收機(jī)4臺(tái)，采用邊連式，共埋設(shè)GPS靜態(tài)點(diǎn)9個(gè)，聯(lián)測(cè)已知軍控（三角）點(diǎn)3個(gè)，并與合理分布的4個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。

2.2 GPS測(cè)量的外業(yè)準(zhǔn)備與實(shí)施

2.2.1外業(yè)準(zhǔn)備

在實(shí)施GPS外業(yè)作業(yè)前，我們要先對(duì)要測(cè)的地區(qū)進(jìn)行勘察、收集控制點(diǎn)及1：10000地形圖等相關(guān)資料，籌備GPS接收機(jī)4臺(tái)（Trimble 5700），并在廣西省測(cè)繪儀器計(jì)量站進(jìn)行了鑒定。因GPS網(wǎng)的點(diǎn)數(shù)較多，跨的范圍較廣，交通不便，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了分區(qū)觀測(cè)。以上壩址為界劃分兩個(gè)分區(qū)，分別庫區(qū)上游分區(qū)和庫區(qū)下游第二方案壩址以下分區(qū)。為了增強(qiáng)網(wǎng)的整體性，提高網(wǎng)的精度，相鄰分區(qū)設(shè)置了不少于3個(gè)公共觀測(cè)點(diǎn)，并編制了GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)圖，選擇最佳時(shí)段（衛(wèi)星多于5顆，PDOP值小于6）進(jìn)行觀測(cè)。

2.2.2外業(yè)實(shí)施

（1）選點(diǎn)

參照?qǐng)D形設(shè)計(jì)，遵循以下原則靈活選擇點(diǎn)位：

○1對(duì)于點(diǎn)位的設(shè)置，要設(shè)在易于安放設(shè)備、上點(diǎn)方便、視野開闊、交通便利、適合RTK采集坐標(biāo)的地方；○2點(diǎn)位目標(biāo)要顯著，視場(chǎng)周圍 以上不應(yīng)有障礙物，以減少GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收；○ 3點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如：電視臺(tái)、微波站等），其距離不小于20m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電通道，其距離不小于50m。以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。○ 4點(diǎn)位附近不應(yīng)有大而積水域或不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，以減少多路徑效應(yīng)的影響。○5地而基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存；○6選點(diǎn)人員按技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行踏勘，在實(shí)地按要求選定點(diǎn)位。當(dāng)利用舊點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)舊點(diǎn)的穩(wěn)定性、完好性、可用性進(jìn)行檢查，符合要求方可利用；○7網(wǎng)形應(yīng)有利于同步觀測(cè)邊、點(diǎn)聯(lián)結(jié)；○8當(dāng)所選點(diǎn)位需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)時(shí)，選點(diǎn)人員應(yīng)實(shí)地踏勘水準(zhǔn)路線，提出有關(guān)建議。

（2）標(biāo)志埋設(shè)

GPS網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置要具有中心標(biāo)志性的東西，并在巖石高出部位做好中心標(biāo)志。并做點(diǎn)之記、GPS網(wǎng)的選點(diǎn)網(wǎng)圖，點(diǎn)名一般取村名、山名、地名，調(diào)查后確定。利用原有舊點(diǎn)時(shí)點(diǎn)名不宜更改，點(diǎn)號(hào)編排應(yīng)適合

計(jì)算機(jī)計(jì)算。

2.3.3觀測(cè)工作

（1）儀器設(shè)備

根據(jù)網(wǎng)形設(shè)計(jì)、測(cè)區(qū)自然情況，共投入4臺(tái)GPS接收機(jī)。

（2）技術(shù)指標(biāo)

○1同時(shí)設(shè)置觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目要大于五個(gè)；○2設(shè)有的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目要大于五個(gè)；○3觀測(cè)時(shí)間段設(shè)置為1.5個(gè)；○ 4時(shí)段長50min；○5采樣間隔16秒； ○6 PDOP<6。

（3）天線安裝

○1天線架設(shè)在三腳架上，安置在標(biāo)志中心的上方直接對(duì)中，天線基座上方的圓水準(zhǔn)氣泡必須整平。○2天線的定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北，并顧及磁偏角的影響，以減弱相位中心偏差的影響。○ 3架設(shè)天線距地而lm以上，天線架好后，在圓盤天線120度三個(gè)方向分別量取天線高，取平均值記入手簿。 ○ 4復(fù)查點(diǎn)名并記入測(cè)量手簿中，將天線電纜與儀器進(jìn)行連接，經(jīng)檢查無誤后，方能通電啟動(dòng)儀器。

（4）開機(jī)觀測(cè)

天線安置完成，各項(xiàng)設(shè)備檢查無誤后，即可啟動(dòng)接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。

注意事項(xiàng)如下：

○1開機(jī)后接收機(jī)有關(guān)指示顯示正常并自檢后，輸入有關(guān)測(cè)站和時(shí)段控制信息。○ 2接收機(jī)在開始記錄數(shù)據(jù)后，應(yīng)注意查看有關(guān)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星信號(hào)、相位測(cè)量殘差、實(shí)時(shí)定位結(jié)果及其變化、存儲(chǔ)介質(zhì)記錄等情況。○3在出測(cè)前認(rèn)真檢查電池容量是否充足，觀測(cè)過程中也要特別注意供電情況。○4儀器高按規(guī)定始、末各量測(cè)一次，并及時(shí)記錄在GPS點(diǎn)之記表中，同時(shí)做好觀測(cè)記錄及點(diǎn)位略圖。○5接收機(jī)在觀測(cè)過程中不要靠近接收機(jī)使用對(duì)講機(jī)；雷雨過境，關(guān)機(jī)停測(cè)，并卸下天線。○6觀測(cè)站的全部預(yù)定作業(yè)項(xiàng)口，經(jīng)檢查均已按規(guī)定完成，且記錄與資料完整無誤后方可遷站。 ○7每日檢查儀器內(nèi)存容量，及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)硬盤和外部存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

3、結(jié)論

GPS測(cè)量技術(shù)以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得了廣大測(cè)繪者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。

參考文獻(xiàn)

[1]馬真安，杜井龍.談?wù)凣PS靜態(tài)測(cè)量的內(nèi)外業(yè)工作[J].東北公路.1999（01）

[2]張小望，楊錦.GPS在大型電廠高精度廠區(qū)控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2005（02）

[3]張健，董書藝.Trimble GPS 5700使用中應(yīng)注意的一些問題[J].上海計(jì)量測(cè)試.2005（04）