高精度GPS控制測(cè)量相關(guān)問題的分析

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州貴陽550000）

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高精度GPS控制測(cè)量相關(guān)問題的分析

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州貴陽550000）

GPS是一種隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民的需求而發(fā)展起來的代表現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的定位技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)。在現(xiàn)如今的高精度工程建設(shè)中，GPS在控制測(cè)量方面占據(jù)著舉足輕重的地位，它提高了建設(shè)的精確度。在本文中，筆者將針對(duì)GPS的測(cè)量原理、GPS的測(cè)量特點(diǎn)及相關(guān)熱點(diǎn)問題進(jìn)行闡述，促進(jìn)我國的GPS控制測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

高精度GPS；控制；質(zhì)量；測(cè)量

1　引言

高精度的GPS技術(shù)具有效率高、精度準(zhǔn)、成本低、實(shí)時(shí)性、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。隨著高精度GPS的廣泛應(yīng)用，它的使用方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也在不斷發(fā)生改變，都在一定程度上得到了提升。由于GPS的普遍性，高精的GPS技術(shù)也在不斷完善，用GPS測(cè)量已經(jīng)精確到厘米，有的甚至達(dá)到亞毫米程度，這使得大大擴(kuò)展了它的使用范圍和精確程度。

2　GPS測(cè)量的基本原理

GPS測(cè)量的最基本的原理是將兩臺(tái)及兩臺(tái)以上的GPS接收機(jī)分別安裝在預(yù)先規(guī)劃好的測(cè)量基線的兩側(cè)，一同分別觀測(cè)兩臺(tái)GPS接收機(jī)。測(cè)量好GPS和用戶接收機(jī)之間的距離，以此作為測(cè)量的基礎(chǔ)，來確定在協(xié)議地球坐標(biāo)系的基線向量和相對(duì)位置。獲得的相對(duì)位置和基線向量將在GPS平差軟件中進(jìn)行計(jì)算。

3　GPS測(cè)量的特點(diǎn)

3.1高精度定位

在實(shí)踐中和實(shí)驗(yàn)研究的大量實(shí)例證明，用載波相位的方法進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)靜態(tài)的測(cè)量時(shí)，在基線長(zhǎng)度小于50km時(shí)，達(dá)到的測(cè)量精度為1ppm，當(dāng)長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)100～150km時(shí)，精度更是達(dá)到0.1ppm。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展和科學(xué)技術(shù)的不斷改進(jìn)，用GPS測(cè)量的技術(shù)也將不斷被優(yōu)化，在長(zhǎng)度不斷增加的程度上，精確度也將不斷被提高，以此來滿足各行各業(yè)的測(cè)量要求。

3.2全天候

GPS的定位通道主要是通過衛(wèi)星信號(hào)。我國現(xiàn)在具備的GPS專用衛(wèi)星共有24顆，3顆作為備用的GPS衛(wèi)星，分別安置在由6個(gè)等間隔的軌道上，其中每個(gè)軌道共存在4顆GPS衛(wèi)星，該軌道的傾斜角度為55°，歸劃面的交點(diǎn)差60°，相鄰的軌道面衛(wèi)星的交角差30°，衛(wèi)星的運(yùn)行周期為11h58min。這與衛(wèi)星圖的分布大致相同，這可以確保能夠覆蓋全球，同時(shí)保證每位用戶在任何時(shí)間都可以觀測(cè)到4顆和4顆以上的衛(wèi)星，但這受雷雨天氣的影響，除此之外，衛(wèi)星可全天候的工作。

3.3高效率

普通的測(cè)量技術(shù)受兩點(diǎn)觀測(cè)的距離的極大限制，同時(shí)也要求有極好的通視效果，還需要大規(guī)格的建造，這給測(cè)量帶來了極大的困難，也加大了時(shí)間的用量。然而新型的GPS技術(shù)，在測(cè)量時(shí)只需站在視野開闊的區(qū)域內(nèi)，與衛(wèi)星保持極好的聯(lián)系，這比普通的測(cè)量方法在使用要求上方便了許多，同時(shí)也節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用。用高精度GPS工作時(shí)，操作也非常的靈活簡(jiǎn)單，可以根據(jù)具體的實(shí)施需求來確定具體的位置，這可以忽略在普通測(cè)量中測(cè)算傳算點(diǎn)和過渡點(diǎn)的步驟。在不久的將來，高精度GPS技術(shù)將不斷被優(yōu)化，同時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在處理時(shí)用到的軟件工具也將更加強(qiáng)大，即使在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量的結(jié)果也將比花費(fèi)大量心血的普通測(cè)量精確度高，這大大提高了工作的效率。

3.4功能多和操作簡(jiǎn)單

GPS接收機(jī)的改進(jìn)也將是一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)，而且形式也將多樣化，自動(dòng)化的能力也將提高。高精度GPS的測(cè)量形式包括快速靜態(tài)測(cè)量、靜態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)差分定位等，這已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。高精度GPS的數(shù)據(jù)處理過程已經(jīng)達(dá)到高度的自動(dòng)化，有的已經(jīng)幾乎成“傻瓜”形式，而用高精度GPS測(cè)量的觀測(cè)員的工作任務(wù)也已經(jīng)被簡(jiǎn)化，只是在工作中安裝相關(guān)儀器，連接電線，確定天線的高度，記錄天氣的數(shù)據(jù)，和檢查儀器的工作情況，掌管儀器的開機(jī)關(guān)機(jī)，甚至還可以實(shí)施某些無人看管模式，比如數(shù)據(jù)的采集，這是將采集的數(shù)據(jù)直接通過通訊傳達(dá)到數(shù)據(jù)處理中心，來實(shí)現(xiàn)某些階段的全自動(dòng)化。

3.5應(yīng)用廣

普通的測(cè)量方法是對(duì)高程和平面分別進(jìn)行測(cè)量，而新興的高精度GPS測(cè)量方法更加簡(jiǎn)單，可以同時(shí)測(cè)量高程和平面，而且高程測(cè)量可以達(dá)到四等的測(cè)量精度，平面測(cè)量也可以將觀測(cè)位置精確化。這一高精度GPS的測(cè)量特點(diǎn)使得為研究地面存在物的形狀和地面的具體高程提供了更精確的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為高空作業(yè)和導(dǎo)航提供了精確的數(shù)據(jù)。使用的行業(yè)的數(shù)量增多，不僅可以用在路面的導(dǎo)航和工程的建設(shè)，還可以用在航空方面的監(jiān)控與測(cè)量，并且這都取得了不同程度的成功。在海洋方面，為海域的精確繪制也提供了精確的數(shù)據(jù)，也得到了大量的應(yīng)用。

4　GPS的定位原理

高精度GPS的定位原理是在物理和幾何的基礎(chǔ)上演化而來，同時(shí)利用衛(wèi)星在空間中的不同分布和距離地面的距離交匯的位置。在測(cè)量時(shí)，在后面進(jìn)行匯合時(shí)，可以在相同的時(shí)間內(nèi)確定測(cè)量時(shí)的三個(gè)距離才能夠進(jìn)行定位。但是從分析的方面來說，如果想實(shí)現(xiàn)同步性，必須確定時(shí)間的同一性。并且要確保距離要至少有4顆衛(wèi)星的長(zhǎng)度方可確定具體的位置。所以，要想應(yīng)用高精度GPS技術(shù)，必須要知道觀測(cè)地點(diǎn)距離衛(wèi)星的精確長(zhǎng)度。

圖1　GPS定位原理圖

5　相關(guān)熱點(diǎn)問題

鑒別GPS控制網(wǎng)有無粗差，是否符合質(zhì)量要求：

用高精度GPS進(jìn)行踩點(diǎn)時(shí)，要嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。在數(shù)據(jù)采集后要將數(shù)據(jù)通過通訊渠道傳送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)過程也可以完全自動(dòng)化，但是外部觀測(cè)不像是常規(guī)的測(cè)量那樣簡(jiǎn)單，而是通過回?cái)?shù)的測(cè)量，這可以使得數(shù)據(jù)結(jié)果更為精確，同時(shí)也可以通過基線的處理結(jié)果來對(duì)基線的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。對(duì)基線的結(jié)果的處理方式包括單基線處理模式和多基線處理模式，根據(jù)邊長(zhǎng)的不用可以選擇不同的分解方式，其包括三差法、浮點(diǎn)法、固定法。當(dāng)基線的長(zhǎng)度在8km內(nèi)時(shí)，則需要用固定法；當(dāng)在30km內(nèi)時(shí)，固定法和浮點(diǎn)點(diǎn)皆可；當(dāng)長(zhǎng)度超過30km時(shí)，則需要采用三差法。不同的數(shù)學(xué)計(jì)算模式，在執(zhí)行時(shí)要逐步進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

5.1單基線處理模式

在采用單基線處理的數(shù)學(xué)模式時(shí)，通過同一種模式得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，它的任何環(huán)的坐標(biāo)的分量長(zhǎng)度都有相應(yīng)的規(guī)定長(zhǎng)度；在通過不同數(shù)學(xué)模式得到數(shù)的規(guī)定，也需要檢驗(yàn)。

5.2閉合差規(guī)定

不管是用單模式還是多模式的計(jì)算方式，都需要在高精度GPS網(wǎng)中選擇完全獨(dú)立的一組基線，并由此構(gòu)成獨(dú)立環(huán)。全長(zhǎng)的閉合差和坐標(biāo)的閉合差都有相應(yīng)的計(jì)算公式，如下：

WX，WY，WZ≤2nδ

W≤23nδ

式中：W———環(huán)閉合差，W=Wx2+Wy2+Wz2；

n———獨(dú)立環(huán)中的邊數(shù)；

δ———弦長(zhǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)差，δ=a2+（bd）2，按不同控制等級(jí)取固定系數(shù)a，比例系數(shù)b的值，d為基線長(zhǎng)。

5.3復(fù)測(cè)基線的長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果不好，最好不可超過ds≤22δ。

5.4在計(jì)算起點(diǎn)時(shí)，要嚴(yán)格按照《規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，在選擇時(shí)要按照優(yōu)先的原則確定起點(diǎn)的坐標(biāo)值在此過程中要注意的是，每個(gè)同步環(huán)的起點(diǎn)只能選擇一個(gè)?；€的修改后的數(shù)據(jù)結(jié)果的絕對(duì)值要符合：V△x，V△y，V△z≤3δ。

6　總結(jié)

從上面的分析中可以看出，在使用高精度GPS技術(shù)時(shí)，需要注意的主要問題是控制網(wǎng)有無粗差，是否符合質(zhì)量要求的問題，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，就可以更好的實(shí)施高精度GPS測(cè)量來做控制測(cè)量。隨著我國高精度GPS測(cè)量技術(shù)的不斷改善，將會(huì)被更熟練更廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)中，帶動(dòng)我國行業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

［1］傅曉明.工程GPS網(wǎng)平差起算點(diǎn)坐標(biāo)的誤差分析［J］.工程勘察，2004，2.

［2］王增學(xué).如何提高GPS在工程測(cè)量應(yīng)用中的精度［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（1）：62～66.

［3］張勤，李家權(quán).GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：1～210.

黃太康（1972-），貴州道真人，高級(jí)工程師，本科，主要從事測(cè)繪工作。

P228.4

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2095-2066（2016）10-0070-02

2016-3-5