GPS定位系统在建筑工程测量中的应用措施

摘 要：GPS全球定位系统作为新形式测量系统,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(GlobalPositioningSystem)在公路工程测量中的应用,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.

关 键 词：全球定位系统；工程测量；特点；应用

中图分类号:TU74文献标识码:A

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.

空间卫星群GPS的空间卫星群由24颗约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4～1l颗GPS卫星发送出的信号.

GPS的地面控制系统：GPSS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.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.

lGPS定位原理

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GPS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、sbp、scp,同样通过接收卫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等于[(xp－xa)2+(yp－ya)2+(zp+za)2]

sbp2等于[(xp－xb)2+(yp－yb)2+(zp+zb)2]

sep2等于[(xp－xe)2+(yp-ye)2+(zp+zc)2]

式中(xa,ya,za),(xb,yb,zb),(xc,ye,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.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.

2GPS测量的技术特点

相对于常规的测量方法来讲,GPS测量有高以下特点：

2.1测站之间无需通视

测站问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+1ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,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.大量实验证明,在小于50km的基线上,其相对定位精度可12×10-6,而在100～500km的基线上可达10-6～10-6.

2.3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30～40min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短.例如使用接收机的rtk法可在5s以内求得测点坐标.

2.4提供三维坐标

GPS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GPS测量的自动化程度很高.

目前GPS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.

3GPS卫星定位系统在工程测量中的应用

3.1GPS测量的技术设计

(1)设计依据：GPS测量的技术设计主要依据1999年建设部发布的行业标准《贼市测

量规范》、1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》及工程测量合同有关要求制定的.

(2)设计精度：根据工程需要和测区情况,选择城市或工程二级GPS网作为测区首级控制网.要求平均边长小于1km,最弱边相对中误差小于1／10000,GPS接收机标称精度的固定误差a≤15mm,比例误差系数b≤20×l0-7

(3)设计基准和网形：控制网共12个点,其中联测已知平面控制点2个,高程控制点5个.采用3台GPS接收机观测,网形布设成边连式.

(4)观测计划：根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度(空问位置因子PDOP),

选择最佳观测时段(卫星多于4颗,且分布均匀,PDOP值小于6),并编排作业调度表.

3.2GPS测量的外业实施

(1)选点GPS测量测站点之间不要求一定通视,图形结构也比较灵活,因此,点位选择比较方便.但考虑GPS测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑：a.每点最好与某一点通视,以便后续测量工作的使用；b.点周围高度角15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收；c.点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等,以免电磁场对信号的干扰；d.点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方,以便观测和13后使用；e.选点结束后,按要求埋设标石,并填写点之记.

(2)观测根据GPS作业调度表的安排进行观测,采取静态相对定位,卫星高度角15°,时段长度45min,采样间隔10s.在3个点上同时安置3台接收机天线(对中、整平、定向),量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿.

3.3GPS测量的数据处理GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段,采用随机软件完成.通过GPS在测量中的应用,得到如下体会：

(1)GPS控制网选点灵活,布网方便,基本不受通视、网形的限制,特别是在地形复杂、通视困难的测区,更显其优越性.但由于测区条件较差,边长较短(平均边长不300m).基线相对精度较低,个别边长相对精度大于1/10000.因此,当精度要求较高时,应避免短边,无法避免时,要谨慎观测.

(2)GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化,且观测时间在不断减少,大大降低了作业强度,观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响.但由于各别点的选定受地形条件限制,造成树木遮挡,影响对卫星的观测及信号的质量,经重测后通过.因此,应严格按有关要求选点,择最佳时段观测,并注意手机、步话机等设备的使用.

(3)GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成,只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度,即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标.但由于联测已知高程点较少(仅联测5个),致使控制点高程精度较低.因此,要保证控制点高程的精度,必须联测足够的已知高程点.通过以上分析,GPS系统在工程测量上将有很大的发展与空间,为工程施工质量提供了有利的保障.