GPS測量在機場擴建工程中的應用

李宏

摘要：GPS全球定位系統是新一代衛星導航定位系統，具有全天候、高精度、自動化、高效率等優點，已廣泛應用于測繪、資源勘察、地球動力學等領域。基于此，本文詳細分析了GPS測量在機場擴建工程中的應用。

關鍵詞：GPS測量;機場擴建;應用

GPS技術作為20世紀的高新技術，由于其全天候、無通視性等特點，在測量領域引起了廣泛的關注。隨著GPS系統的不斷完善及其定位精度高、速度快、效益高等特點，它在大地測量、工程測量、工程與地殼變形觀測、地籍測量、航空攝影測量、海洋測繪等領域得到了迅速而廣泛的應用。GPS技術在機場擴建工程中的應用，改變了傳統的測量工作模式，提高了工作效率，帶來了可觀的經濟效益。

一、GPS系統簡介

全球定位系統（GPS）是一種以人造地球衛星為基礎的高精度無線電導航的定位系統，它在全球任何地方及近地空間都能提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。GPS是美圍從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用戶能在傘球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測量工作。近年來，GPS技術在我國測繪領域迅速推廣，廣泛應用于大地測量、精密工程測量、地殼和建筑物形變監測、石油物探資源調查、城市測繪，并已開始用于交通運輸、軍事，海洋、航道、航測、遙感、通汛、氣象等領域。

GPS的整個系統由空間部分、地面控制部分、用戶部分組成。①空間部分：該部分由24顆GPS工作衛星組成，其中2l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控制郜分：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等組成。

二、GPS技術特征

在進行GPS測量過程中，與常規測量內容與形式相比較，其具有十分明顯的特點。

1、測量精度方面。GPS觀測能提供的精度相對更高于常規測量內容，尤其是在50km范圍內的基線位置，GPS測量形成的相對定位精度能達到12×10-6，相對于此，GPS測量滿足100～500km條件的基線則能達到10-6～10-7。

2、GPS測量站點不存在通視情況。該測量站建設并不需要形成通視，只要根據實際需求進行定位就能選定具體工作點，這樣能提升工作效率。

3、GPS測量觀測時問短。由于GPS測量相關技術在發展過程中不斷更新換代，軟件開發層次不斷提升，在開展具體測量工作過程中，需根據實際情況具體測量。不通觀測站點的測量時間往往達到30～40min之間。測量的方法主要采用靜態定位法。該過程中所產生的時間相對較短，動態能達到的相對定位也只是需要短短幾秒鐘。

4、儀器操作方面。當前社會科技發展過程中，GPS接受裝置自動化的程度與水平越來越高，智能化的操作方式令觀測人員能對天線高及開機的參數設定。

5、全天候作業。GPS測量所提供的衛星數量越大，分布情況良好，就能確保在任何時間與地點上進行連續觀測，且同樣不會受到天氣因素的影響。

三、GPS測量在機場擴建工程中的應用

1、工程概況。某機場將新建一座5.5萬m2的航站樓，改造現有2.58萬m2的航站樓。配套完善貨運、公共、環保等設施。該工程占地面積大，細部結構復雜，測量精度要求高。

2、影響GPS測量控制網精度的因素及措施。影響GPS控制網精度的因素包括：廣播星歷的誤差、精密星歷的誤差、衛星鐘誤差、地球自轉影響、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包括：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;為削弱多路徑誤差，觀測點應選在低反射特性物體周圍，還可適當升高天線高度;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。

3、網形選擇。由于6PS控制網點間無需通視，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。其中，星形網的幾何圖形簡單，直接觀測邊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。

GPS網形布設應遵循一定原則：GPS網應根據測區實際需要和交通狀況進行設計;在布網設計中應考慮原測繪成果資料及各種大比例尺地形圖的沿用，宜采用原有坐標系統;GPS網應由一個或若干個獨立觀測環構成，也可采用附合線路形式構成;為求得GPS點在地面坐標系的坐標。應在地面坐標系中選定起算數據和聯測原有地方控制點若干個;為求得GPS網點的正常高，應進行水準測量的高程聯測。

4、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。若P≥M（R-1）+1。則GPS網中多余向量達到最大，為T（R-1）-（P-1）。這樣在滿足GPS網費用指標前提下，能保證機場GPS網的精度、靈敏度及可靠性。

需注意的是，機場建設中往往涉及坐標變換問題，因機場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：為坐標轉換、縮放、錯切變化系數，不同變換取值不同;為坐標平移系數，平移量為0時其值為0。

四、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±l″。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。

參考文獻：

[1]周立.GPS測量技術[M].北京：黃河水利出版社，2015.

[2]鄧云仁.GPS測量在機場擴建T程中的應用[J].中國新技術新產品，2015（03）.