鄧云仁

（四川省場道工程有限公司，四川 成都 610000）

GPS測量在機(jī)場擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

鄧云仁

（四川省場道工程有限公司，四川 成都 610000）

文章通過對(duì)GPS系統(tǒng)簡介，特點(diǎn)及使用方法做了了闡述。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例，主要就GPS測量技術(shù)在某機(jī)場擴(kuò)建工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。

GPS測量；擴(kuò)建工程；機(jī)場

1 GPS系統(tǒng)簡介

（Global Positioning System，簡稱GPS）全球定位系統(tǒng)是美國從20世紀(jì)70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，并于1994年全面建成。GPS的整個(gè)系統(tǒng)由空間、地面控制和用戶部分組成。（1）空間部分：GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。它們分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的平均高度為20～200km，運(yùn)行周期為11h58min。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。（2）控制部分：GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。（3）用戶部分：GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等組成。

1.1 GPS定位原理。GPS定位是根據(jù)測量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的J。如圖1所示，在待測點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1、S2、S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，解算出Q點(diǎn)的三維坐標(biāo)（y，z）。

1.2 GPS測量的特點(diǎn)

圖1 GPS定位原理

相對(duì)于常規(guī)測量來說，GPS測量主要有以下特點(diǎn)。（1）測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規(guī)測量，在小于50公里的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線上可達(dá)10-6～10-7。（2）測站問無需通視。GPS測量不需要測站問相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。（3）觀測時(shí)問短。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善及軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測量時(shí)，每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時(shí)間更短，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。（4）儀器操作簡便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測和記錄。（5）全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)問、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測，一般不受天氣狀況的影響。（6）提供三維坐標(biāo)。GPS測量可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

石鎖高速公路起自石林半截河，接昆石高速公路，止于鎖龍寺，接在建的鎖龍寺至蒙自高速公路和已建成的平遠(yuǎn)街至鎖龍寺高速公路，全長107.482公里。是云南省第一個(gè)全面采用總承包方式建設(shè)的高速公路，是國道主干線二連浩特--河口公路云南省境內(nèi)的一段，同時(shí)也是亞洲公路網(wǎng)A14越南河內(nèi)--云南昆明--緬甸曼德勒的重要組成部分。該工程投資50億元，計(jì)劃30個(gè)月建成通車，建成后將成為一條雙向準(zhǔn)6車道高速公路。其中道面一標(biāo)段（k0+0~k32+700）由四川省場道有限公司施工。

2.2 GPS測量在某機(jī)場擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

2.2.1 影響GPS測量控制網(wǎng)精度的因素及措施。影響GPS控制網(wǎng)精度的主要因素有：廣播星歷的誤差、精密星歷的誤差、衛(wèi)星鐘誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響、相對(duì)論效應(yīng)影響、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多路徑誤差、接收機(jī)鐘差所產(chǎn)生的誤差、觀測誤差、天線相位中心位置誤差等。

為了滿足機(jī)場工程測量的精度要求，針對(duì)影響精度的主要因素常采用的主要技術(shù)措施有：增加觀測時(shí)段長度和時(shí)段數(shù)；選用3～5臺(tái)套GPS接收機(jī)同步觀測，以保證得到足夠的可靠的觀測數(shù)據(jù)；采用靜態(tài)相對(duì)定位，保證天線與測點(diǎn)準(zhǔn)確對(duì)中和整平，事先要對(duì)光學(xué)對(duì)點(diǎn)器進(jìn)行校準(zhǔn)；為了削弱多路徑誤差，觀測點(diǎn)應(yīng)選在低反射特性物體周圍，還可以適當(dāng)升高天線高度；在觀測時(shí)，采用預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)衛(wèi)星星歷，使衛(wèi)星信號(hào)方向性基本相同。

2.2.2 網(wǎng)形選擇。由于GPS控制網(wǎng)點(diǎn)間不需要通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測時(shí)衛(wèi)星與測站間的幾何圖形、觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法，與GPS網(wǎng)形關(guān)系不大。因此，GPS網(wǎng)布設(shè)形式可分為星形連接、點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接等，見圖2、圖3、圖4。

圖2 星形網(wǎng)

圖3 點(diǎn)連式網(wǎng)形

圖4 邊連式網(wǎng)形

星形網(wǎng)的幾何圖形簡單，直接觀測邊之間不構(gòu)成任何閉合圖形，所以檢查和發(fā)現(xiàn)粗差的能力較差。這種圖形廣泛應(yīng)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(diǎn)連式布網(wǎng)所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度較弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般在作業(yè)中不單獨(dú)使用。邊連式布網(wǎng)有較多的重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán)，有較強(qiáng)的幾何強(qiáng)度。網(wǎng)連式作業(yè)需要4臺(tái)以上的接收機(jī)，采用這種布網(wǎng)方式所測設(shè)的GPS網(wǎng)具有較強(qiáng)的圖形強(qiáng)度和較高的可靠性，但作業(yè)效率低，花費(fèi)的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間較多，一般僅適用于要求精度較高的控制網(wǎng)測量。

2.2.3 GPS作業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行GPS控制測量作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮后勤經(jīng)濟(jì)問題，目的在于縮短外業(yè)時(shí)間，節(jié)約資金，使測量費(fèi)用指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)；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(shí)還必須考慮各待測點(diǎn)的點(diǎn)位精度的均勻性。因此，一般機(jī)場GPS控制網(wǎng)作業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列原則：各測點(diǎn)上設(shè)站次數(shù)應(yīng)盡量相同；保證點(diǎn)間距滿足規(guī)范要求，并沿最短路徑遷站；應(yīng)聯(lián)測相距較遠(yuǎn)并位于測區(qū)內(nèi)或邊緣的高等級(jí)控制點(diǎn)；每次重復(fù)設(shè)站盡量不用相同的接收機(jī)。

設(shè)有P個(gè)GPS點(diǎn)，R臺(tái)接收機(jī)，觀測時(shí)段為T。如果P≥M（R－1）＋1，那么GPS網(wǎng)中多余向量達(dá)到最大，為T（R－1）－（P－1）。這樣在滿足GPS網(wǎng)費(fèi)用指標(biāo)的前提下，能保證機(jī)場GPS網(wǎng)的精度、靈敏度和可靠性。

值得一提的是，機(jī)場建設(shè)中往往涉及坐標(biāo)變換問題，因?yàn)闄C(jī)場建筑物（構(gòu)筑物）一般是矩形或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，建筑紅線多與機(jī)場跑道中心線平行或垂直，因此一般規(guī)劃設(shè)計(jì)均在機(jī)場坐標(biāo)系中進(jìn)行。以飛機(jī)跑道中心線為基準(zhǔn)建立機(jī)場坐標(biāo)系。機(jī)場坐標(biāo)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(gòu)成坐標(biāo)系。為了避免正負(fù)號(hào)引起不必要的錯(cuò)誤或麻煩，機(jī)場坐標(biāo)系原點(diǎn)的選擇應(yīng)當(dāng)保證測區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)不出現(xiàn)負(fù)值，同時(shí)便于計(jì)算和應(yīng)用。

工程測量中常用高斯平面直角坐標(biāo)系，并且機(jī)場坐標(biāo)系是在國家等級(jí)控制網(wǎng)或當(dāng)?shù)爻鞘袦y量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立起來的，當(dāng)兩坐標(biāo)系發(fā)生聯(lián)系時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，即坐標(biāo)平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、比例變換、錯(cuò)切變換。可用一簡單的線性模型（變換通式）表示：

式中：a1，a2，b1，b2為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、縮放、錯(cuò)切變化系數(shù)，不同變換取值不同；a3，b3為坐標(biāo)平移系數(shù)，平移量為0時(shí)其值為0。

3 GPS飛機(jī)場軸線定位

在確定機(jī)場跑道中心軸線方位的精度時(shí)，按機(jī)場等級(jí)而定，最高精度應(yīng)低于±1″，解算GPS基線時(shí)一定要用精密軟件，最低也應(yīng)優(yōu)于±6″，可用接收機(jī)自帶的商業(yè)軟件解算。

結(jié)語。隨著GPS系統(tǒng)的完善及具有的定位精度高、速度快、效益高等特點(diǎn)，迅速廣泛地應(yīng)用于大地測量、工程測量、工程與地殼變形觀測、地籍測量、航空攝影測量和海洋測繪等諸多領(lǐng)域。GPS技術(shù)在太原飛機(jī)場擴(kuò)建工程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)工作方式，提高了工作效率，也帶來了可觀

的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]郭金運(yùn)，徐泮林，王同孝.機(jī)場工程測量中若干問題的分析[J].東北測繪，2000（3）：20－30.

[2]周立.GPS測量技術(shù)[M].北京：黃河水利出版社，2006.

[3]高井祥.數(shù)字測圖原理與方法[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

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