GPS在测量领域的施工放样.doc
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1、-精品word文档 值得下载 值得拥有-GPS在测量领域中的应用摘要:在测量领域中,GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。GPS全球定位系统(Global Positioning System)在测量中的应用,在最近的两年得到了迅速推广,这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。下面将从GPS系统组成,工作原理以及在测量领域的特点。关键词: 定位系统 工程测量 应用1 GPS系统的组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成,除此之外,测量用户当然还应有卫星接收设备。1.1空间卫
2、星群GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成,并均匀分布在6个轨道面上,各平面之间交角为60,轨道和地球赤道的倾角为55,卫星的轨道运行周期为11小时58分,这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗G卫星发送出的信号。GPS的地面控制系统GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站,主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时还对卫星进行控制,向卫星发布指令,调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
3、GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成,其作用是接收GPS卫星发出的信号,利用信号进行导航定位等。在测量领域,随着现代的科学技术的发展,体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。2.GPS的工作原理GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机,在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的G卫星所发出的导航电文,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SCP,同样通过接收卫
4、星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标(Xp,Yp,Zp),其数学式为:SAP2=(Xp-XA)2 (Yp-YA)2 (Zp ZA)22=(Xp-XB)2 (Yp-YB)2 (Zp ZB)2SCP2=(Xp-XC)2 (Yp-YC)2 (Zp ZC)2式中(XA,YA,ZA),(XB,YB,ZB),(XC,YC,ZC)分别为卫星A,B,C在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统,另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统,我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。(如:WGS-84世界大地坐
5、标系和1980年西安大地坐标系。)在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果,因此在测量中被得到了广泛的应用。3.GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲,GPS测量有以下特点:2.1测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰。2.2定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm 1m,而红外仪标称精度为5mm 5m,GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。2
6、.3观测时间短。观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在3040min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如使用Timble4800G接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。2.4提供三维坐标。G测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。2.5操作简便。G测量的自动化程度很高。目前G接收机已趋小型化和操作傻瓜化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高打开电源即可进行自动观测,利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获,跟踪观测等均由仪器自动完成。2.6全天候作业。G观测可在任何地点,任何时间连续地进行,一般
7、不受天气状况的影响。4.小结通过以上对G测量的应用事例的探讨,可以看出G在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景:第一G作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制,非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。第二G测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制,自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。第三GRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。第四G测量可以极大地降低劳动作业强度,减少野外砍伐工作量,提高作业效率。一
8、般G测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。第五G高精度高程测量同高精度的平面测量一样,是G测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下,往往由于这些地区地形条件的限制,实施常规的几何水准测量有困难,G高程测量无疑是一种有效的手段。一、GPS原理及测量摸式(一)、GPS原理24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星, 就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,
9、Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一个修正数,并对外
10、发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。(二)、GPS测量模式随着GPS技术的进步和接收机的迅速发展,GPS在测量定位领域已得到了较为广泛的应用。但是,针对不同的领域和用户的不同要求,需要采用的具体测量方法是不一样的。一般来说,GPS测量模式可分为静态测量和动态测量两种模式,而静态测量模式又分常规静态测量模式和快速静态测量模式,动态测量模式分准动态测量模式(后处理动态,走走停停)和实时动态测量模式,实时动态测量模式分DGPS和RTK方式。下面分别介绍如下:1、常规静态测量这种模式采用两台(或两台
11、以上)GPS接收机,分别安置在一条或数条基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。这种模式一般可以达到5mm十1ppm的相对定位精度。 常规静态测量常用于建立全球性或国家级大地控制网,建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。2、快速静态测量这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机依次到各待测测站,每测站观测数分钟。这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准
12、点相距应不超过20km。3、准动态测量这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站,每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速静态,除了观测时间不一样外,它要求移动站在搬站过程中不能失锁,并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化(采用有OTF功能的软件处理时例外)。这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km。另外,有一种连续动态测量,也属于这种模式。这种测量是在一个基准点安置接收机连
13、续跟踪所有可见卫星。流动接收机在初始化后开始连续运动,并按指定的时间间隔自动记录数据。这种方法常用于精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。4、实时动态测量:DGPS和RTK前面讲述的测量方法都是在采集完数据后用特定的后处理软件进行处理,然后才能得到精度较高的测量结果。而实时动态测量则是实时得到高精度的测量结果。这种模式具体方法是:在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链,连续跟踪所有可见卫星,并通过数据链向移动站发送数据。移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据,并在机进行处理,从而实时得到移动站的高精度位置。DGPS通常叫做实时差分测量,精度为亚米级
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