河南省中牟縣天宇規(guī)劃測繪隊 李建平 張景英

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在工程測繪中的應(yīng)用探討

河南省中牟縣天宇規(guī)劃測繪隊 李建平 張景英

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，由美國國防部建成的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開始投入使用。這種導(dǎo)航系統(tǒng)主要通過測距和定時進(jìn)行空間交會定點，來實現(xiàn)將實時、連續(xù)和高精度的三維坐標(biāo)、速度及時間信息提供給世界各地的用戶。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣，給人類生活帶來了更多便利。

一、GPS系統(tǒng)組成及優(yōu)點

1.GPS系統(tǒng)的組成。GPS定位系統(tǒng)主要是由工作衛(wèi)星的空間部分、地面監(jiān)控部分及用戶部分組成的。這3部分分別具有獨立的功能和作用，同時各部分之間又有機(jī)結(jié)合在一起，形成一套完整的定位系統(tǒng)。

GPS地面接收機(jī)接收天上四顆以上的定位衛(wèi)星的電磁信號，并可根據(jù)所接受到不同衛(wèi)星之間信號的時間差，準(zhǔn)確地計算出接收機(jī)該時距離各衛(wèi)星的距離。由GPS衛(wèi)星在空中位置可知，因此可通過一定的計算公式將衛(wèi)星位置和已測出的距離進(jìn)行換算，確定接收機(jī)在地球上的位置，包括經(jīng)緯度、海拔等地理信息。目前，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)已開始應(yīng)用于考古測繪、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通及國際戰(zhàn)爭中。如黑龍江的三江平原地區(qū)，因其是漢魏遺址，是考古重要地點，文物保護(hù)部門利用該定位技術(shù)，對遺址進(jìn)行精確定位，并將遺址群繪制成為平面彩色圖系，不僅數(shù)據(jù)精確，也節(jié)省了人力物力；我國城市交通以上海為首，交通部門可通過衛(wèi)星定位對城市車輛進(jìn)行定位，方便政府部門的管理，更便捷了百姓生活；國際戰(zhàn)爭上，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計算敵方陣營及重要部署，給敵方以致命突襲，有力把握戰(zhàn)爭局勢。

2.GPS系統(tǒng)的優(yōu)點。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠較快適應(yīng)各種復(fù)雜變更情況，節(jié)省時間，避免人力損耗，能夠克服傳統(tǒng)測量方法的弊端，對動態(tài)監(jiān)測過程能夠真正實現(xiàn)數(shù)值化和信息化。在工程測量實際測繪過程中，GPS系統(tǒng)不只可以用于測量和導(dǎo)航，同時可用于測速及測時。GPS定位系統(tǒng)在測量過程中具有如下優(yōu)點。

（1）避免通視。測站間的相互通視是傳統(tǒng)測量學(xué)中一個較難解決的問題，但在利用GPS定位系統(tǒng)過程中，避免了測站間的通視問題，能夠使選點更加方便靈活，并使造標(biāo)費(fèi)用大大節(jié)省。

（2）定位精度較高。GPS測量的優(yōu)越性能隨距離的增長而愈顯突出。在一份對北京土地開發(fā)項目實施中，所要開發(fā)地區(qū)涉及10個邊遠(yuǎn)郊縣，而且多數(shù)位于山區(qū)地帶，工作人員進(jìn)入該地區(qū)后，易迷失方向，難以定位。通過GPS測繪技術(shù)的使用，可在50km以下的基線上，相對定位精度達(dá)到百萬分之一以上；在100km以上的基線上，定位精度達(dá)到千萬分之一，輕松解決定位難問題。

（3）定位迅速。利用該定位系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)相對定位時，對20km以下的基線，快速相對定位通常只需20min；在動態(tài)相對定位時，完成初始化工作以后，可在任意時刻對流動站進(jìn)行定位，觀測時間僅需幾秒。

（4）全天候工作。利用該技術(shù)進(jìn)行觀測定位的過程中，不受時間、地點限制，也不會因天氣狀況影響觀測效果。在平面控制測量的過程中通常以導(dǎo)線如結(jié)點、閉合導(dǎo)線的形式進(jìn)行測量；在重要構(gòu)造物測量時，通常布設(shè)成線形鎖、三角網(wǎng)的形式。

二、工程測繪過程中GPS技術(shù)實施

1. 選點與標(biāo)志的建立。在選點的過程中要注意以下要求：點位應(yīng)選在交通便利的地帶，該地帶視場要開闊；對電磁波有干擾的地帶不宜選點，如高壓線、電視臺及大面積的水域地帶都將干擾電磁波的接收。

2. 外業(yè)的觀測。GPS的對外觀測作業(yè)主要有天線的安置、實時觀測及對觀測結(jié)果的記錄等。

（1）安置天線。安置天線過程中主要注意對中、定向、整平和對天線高的測量。在靜態(tài)相對定位的過程中，要把天線架設(shè)在三腳架上，并在標(biāo)志中心的上方進(jìn)行對中，同時保持基座上的水準(zhǔn)氣泡在居中位置。調(diào)整天線定向過程中，要確保定向標(biāo)準(zhǔn)線面向正北方，誤差小于5°。測量天線高時，應(yīng)從相位中心量起，直至觀測點的標(biāo)志中心，此段垂直距離即為天線的垂直高度。

（2）觀測作業(yè)。在進(jìn)行作業(yè)觀測任務(wù)時，要及時捕獲衛(wèi)星的信號，并實時跟蹤處理，獲得定位所需的信息和數(shù)據(jù)。在安置完天線以后，為確保電源和接收機(jī)的正常開通，要將接收機(jī)安置在離天線不遠(yuǎn)的安全區(qū)域內(nèi)。在開啟電源進(jìn)行觀測時，要保證系統(tǒng)已檢查無誤。

（3）數(shù)據(jù)處理與成果校核。為了保證對外觀測的質(zhì)量和預(yù)期定位精度的實現(xiàn)，應(yīng)對觀測成果進(jìn)行校核。在結(jié)束觀測任務(wù)以后，要對獲得的觀測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行分析、校核，對出現(xiàn)的不合格的觀測結(jié)果要及時采取補(bǔ)測措施，經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后，方可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三、GPS系統(tǒng)實施實例

1. GPS用于大橋的控制測量。鄂黃長江公路大橋在建造初期為了施工及設(shè)計的便利，采用GPS技術(shù)對首選方案Ⅲ、Ⅳ橋位進(jìn)行Ⅲ等平面控制測量。以雙大地四邊形布網(wǎng)作為設(shè)計方案。與江面垂直的長邊約為1 200m，平行的短邊約為500m。雙大地四邊形與兩個國家Ⅱ等以上大地點聯(lián)測。在平差處理以后，控制網(wǎng)的精度通常為：誤差在最弱點位中為1.93cm，在最弱邊長相對為1/113 000。使Ⅲ等平面控制測量的精度要求得到了滿足。

2. GPS測量用于導(dǎo)線控制測量。河北境內(nèi)高邑至邢臺段的京深高速公路地處華北平原，地勢坦蕩平整，最大相對高差在20m左右，平均海拔大約50m，境內(nèi)分布村莊較多，植被多為小麥及田間行樹，機(jī)耕道和公路密集分布。在導(dǎo)線測量過程中，采用3臺Wild 200 GPS接收機(jī)，采取點連接方式開始同時作業(yè)，完成作業(yè)后，使其向前滾動。

3. GPS測量用于密林、密灌地區(qū)路線控制測量。在海南中線新建公路?？谥镣筒范蔚臏y設(shè)中，從石山到永發(fā)鎮(zhèn)有20km距離，植被覆蓋較厚，其中刺密灌、荔枝、龍眼、雜草地較多，人跡罕見，并分布大量火山口。這種地區(qū)幾乎沒有使用紅外儀導(dǎo)線進(jìn)行測量的可能。為提高高等級公路測設(shè)質(zhì)量，采用GPS沿路線每隔2km做一對GPS點，這一對GPS點應(yīng)保證足夠的水平通視距離?？稍?km一對的GPS通視點的建設(shè)基礎(chǔ)上前后各支出不超過1km進(jìn)行放線測設(shè)工作，這樣不僅能夠保證工作的測設(shè)質(zhì)量，又能使作業(yè)的勞動強(qiáng)度大大減小，從而縮短了測設(shè)周期。