朱 健
湖南城建职业技术学院 湖南省湘潭市 411101
摘要：?GPS 系统即是指全球定位系统，能够为用户提供全天性、全球性、可连续、实时的高精度三维坐标。GPS 技术作为一种具有较高科技含量的现代化技术，服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。本文:介绍了GPS系统概念、组成、工作原理、技术特点等; GPS-RTK在工程测量中的应用;并将公路工程的GPS-RTK测量技术与传统的测量技术相比较,指出了GPS-RTK在公路工程测量中的优势和发展前景。
关键词：GPS系统; GPS测量技术;工程测量;应用
1 GPS系统的概念
GPS 系统即是指全球定位系统(Global Positioning System)，具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标，广泛应用于众多领域。其中主要包括: 为各种运输行业提供必要的定位功能以及导航数据; 在城市勘探、采矿勘探、海洋勘探等项目的布局设计中进行布网控制;对地质变化和海洋变化等地球力学运动进行监控;对国界和领海边界进行标定;测量大地水准面等。GPS作为新一代卫星导航与定位系统,具有良好的抗干扰性和保密性。
2 GPS测量技术
GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力,也引起了广大测量工作者的极大兴趣。当时GPS定位基本上只有一个作业模式———静态相对定位,两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星1～2 h或更长一些时间,通过观测数据的后处理,给出各待定点间的基线向量,在采用广播星历的条件下,静态定位可取得5 mm + 1 ×10 - 6D (双频)或10 mm + 2 ×10 - 6D (单频)基线解精度。随着技术的发展,快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路,大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统(双频)在10 km以内的短边上,正常接收4～5颗卫星5min左右,即可获取5～10 mm + 1 ×10 - 6D 的基线精度,与1～2 h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。各个GPS测量厂商看好这个大趋势,纷纷推出各自的GPS测量新产品--RTK(实时动态测量) ,有的称之为RTK GPS。总之, GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟, GPS测量功能更加完善, GPS测量应用面更广,并且GPS测量设备价格变得低廉,操作更加简便,使GPS测量更加实用化和自动化。20世纪80年代以来,随着GPS定位技术的出现和不断发展完善,使测绘定位技术发生了革命性的变革,为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术,正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替;定位方法已从静态扩展到动态;定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。
下面主要介绍GPS系统的组成、工作原理以及其在测量领域的应用特点。
2.1 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,测量用户还应有卫星接收设备。空间卫星群, 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同时接收4～11颗GPS卫星发送出的信号。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。
2.2 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。就是在需要定位的位置p点架设GPS接收机,在某一时刻同时接收了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点的三维坐标( xp , yp , zp ) ,其数学式为:sap2 = [ ( xp - xa ) 2 + ( yp - ya ) 2 + ( zp + za ) 2 ]sbp2 = [ ( xp - xb ) 2 + ( yp - yb ) 2 + ( zp + zb ) 2 ]scp2 = [ ( xp - xc ) 2 + ( yp - yc ) 2 + ( zp + zc ) 2 ](1) 式(1)中( xa , ya , za ) , ( xb , yb , zb ) , ( xc , yc , zc )分别为卫星a, b, c在ti刻的空间直角坐标。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,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。
213 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:
1)测站之间无需通视。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)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5 mm+ 1 ×10 - 6D,而红外仪标称精度为5 mm + 5 ×10 - 6D, 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。
3)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30～40 min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。
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。
5)操作简便。GPS测量的自动化程度较高。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。
3 GPS全球定位系统在工程测量中的应用
GPS全球定位系统(Global Positioning System)在工程测量中的应用,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。
工程测量主要应用了GPS的两大功能:静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息,确定地面某点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统,把已知的三维坐标点位,实地放样地面上。利用GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。例如在公路控制测量中使用静态功能这一技术进行定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。下面以GPS测量技术在公路测量中的应用为例介绍GPS系统在实际工程测量工作中的应用。随着国民经济的快速增长,国内高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇,这就对勘测设计提出了更高的要求,随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展,公路设计已实现CAD化,有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持;建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链,减少数据转抄、输入等中间环节,是公路勘测设计“内外业一体化”的要求,也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备,但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制,作业强度大,且效率低,大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造,在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前,用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量,为勘测阶段测绘带状地形图、路线平面、纵横断面测量提供依据;在施工阶段为桥梁,隧道建立施工控制网,这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段,公路测量的技术潜力蕴于RTK(实时动态定位)技术的应用之中, RTK技术在公路工程测量中的应用,有着非常广阔的前景。
下面就RTK技术在公路勘测中的应用作简单的介绍。
311 实时动态( RTK)定位技术简介
实时动态(RTK)定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破,在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知,无论静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果,而且也无法对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性,这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置1台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式,两种定位模式相结合,在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。
3111 快速静态定位模式
要求GPS接收机在每一流动站上,静止的进行观测。在观测过程中,同时接收基准站和卫星的同步观测数据,实时解算整周未知数和用户站的三维坐标,如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中,如控制网加密;若采用常规测量方法(如全站仪测量) ,受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难,而采用RTK快速静态测量,可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5 ～10 min不及静态测量所需时间的五分之一,在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
3112 动态定位
测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需2～10 s)进行初始化工作,之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时确定采样点的空间位置。其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面测量等工作。且整个测量过程不需通视,有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点。
3113 RTK技术的优点
RTK技术主要具有以下优点:
1)实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程) ;
2)彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS作业效率;
3)作业效率高,每个放样点只需要停留2～4 s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的;
4)应用范围广,可以涵盖公路测量(包括平、纵、横) ,施工放样,监理,竣工测量,养护测量, GIS前端数据采集诸多方面;
5)如辅助相应的软件, RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势。
4 结论
综上所述,虽然GPS测量技术在公路工程测量中的应用使传统的公路工程测量技术有了突飞猛进的发展,但二者相比,常规测量方法还存在以下的缺陷:
1)规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定。由于公路测量的作业面是一狭长带状,这样,导线长度很难达到规范要求,往往会出现超规范作业。
2)搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统,往往国测、军测、城市控制点混杂一起,这就存在系统间的兼容性问题,如果用不兼容的起算点,势必影响测量质量。
3)国家大地点破坏严重影响测量作业。由于国家基础控制点,大多为20世纪50、60年代完成,有些点由于经济建设的需要已被破坏,有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。因此往往不易找到导线的联测点。这样路线控制测量的质量得不到保证。
4)地面通视困难往往影响常规测量的实施。由于通视的条件的限制,在大范围密林、密灌及青纱帐地区,根本无法实施常规控制测量。
相比较, GPS测量技术在公路工程测量上具有较大的优势和发展前景:
1) GPS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。
2) GPS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。
3) GPS RTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地获得所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧道勘察,它可以直接进行实地实时放样、点位测量等。
4) GPS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。
5) GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样,是GPS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,实施常规水准测量有困难时, GPS高程测量无疑是一种有效的手段。GPS在公路工程测量中的应用,对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革,极大地提高了勘测精度和勘测效率,特别是实时动态(RTK)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。
[参 考 文 献]
[ 1 ] 张正禄1工程测量学的发展现状和趋势[ J ] 1武汉测绘科技大学学报, 1999, (增刊) 1
[ 2 ] 许国祯1GPS最新态势及嵌入式GPS/ INS系统[ J ] 1卫星应用, 1997, (3) : 38～441
[ 3 ] 周良,刘经南,张全德. 2000年前后GPS进展状况[ J ] 1地理信息世界, 1998, (3) : 23～271
作者简介:
朱健，男，江西省全南县人，1968年4月出生，副教授、高级工程师，研究方向：测绘科学技术