浦仕順

[摘要]GPS的是美國(guó)國(guó)防部建立的一個(gè)全天候、空基導(dǎo)航系統(tǒng)。由于GPS測(cè)量有傳統(tǒng)測(cè)量不可取代的優(yōu)點(diǎn),所以在公路測(cè)量領(lǐng)域收到越來越多的重視。對(duì)GPS技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用與信號(hào)誤差分析進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]公路測(cè)量 GPS 應(yīng)用

中圖分類號(hào):TN96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0810095-01

一、GPS定位技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量的特點(diǎn)

高精度GPS定位技術(shù)在各種控制測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。從1982年第一代測(cè)量型無碼GPS接收機(jī)Macrometer V-100投入市場(chǎng)以來,在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面,都得到了蓬勃的發(fā)展。廣泛的試驗(yàn)活動(dòng)為GPS精密定位技術(shù)在測(cè)量工作總的應(yīng)用展現(xiàn)了廣闊的前景。目前,GPS定位技術(shù)已高度自動(dòng)化,所達(dá)到的定位精度,使測(cè)量工作的模式、理念產(chǎn)生了革命性的變化。相對(duì)經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)來說,GPS定位技術(shù)主要有以下特點(diǎn)。

觀測(cè)站之間無需通視。既要保持良好的通視條件,又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu),這一直是經(jīng)典測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐方面的問題之一。而GPS測(cè)量不需觀測(cè)站之間互相通視,因而不再需要建造規(guī)標(biāo)。這樣不僅可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間,同時(shí)也可使點(diǎn)位的選擇變得更加靈活。

定位精度高。大量實(shí)驗(yàn)表明,通常在小于50km的基線上,其相對(duì)定位精度可達(dá)lxl0-6～2xl0-6,而在100-500km的基線上可達(dá)10-6、10-7。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善,目前在大于1000km的距離上,相對(duì)定位精度已可達(dá)到或優(yōu)于10-8。

觀測(cè)時(shí)間短。目前,利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法,完成一條基線的相對(duì)定位所需的觀測(cè)時(shí)間,根據(jù)精度的不同約為1-3小時(shí)。為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)間,提高作業(yè)速度,近年來發(fā)展的短基線(不超過20km)快速相對(duì)定位法,其觀測(cè)時(shí)間僅需數(shù)分鐘。

提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量中,在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

二、GPS在公路測(cè)量中的應(yīng)用

我國(guó)自80年代末石油部、總參測(cè)繪局、國(guó)家測(cè)繪局等陸續(xù)進(jìn)口了GPS接收機(jī)并展開了各方面的研究工作。進(jìn)入90年代后,隨著衛(wèi)星的增多,GPS接收機(jī)的價(jià)格下降等原因,我國(guó)的一些公路勘測(cè)設(shè)計(jì)單位購(gòu)置了GPS接收機(jī)。GPS在公路工程中的應(yīng)用主要包括三個(gè)方向:公路控制測(cè)量:公路測(cè)設(shè)和橋、隧形變監(jiān)測(cè)。

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制測(cè)量。公路控制測(cè)量是路線勘測(cè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),隨著高等級(jí)道路的興建,對(duì)路線勘測(cè)提出了更高的要求,由于線路長(zhǎng)且已知點(diǎn)少,因此,用常規(guī)手段不僅布網(wǎng)困難而且難以滿足高精度的要求,而GPS高精度的特點(diǎn)正好可以滿足這一要求。在隧道外控制、特大橋梁的施工,也需要高精度控制測(cè)量。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁和隧道貫通的控制測(cè)量中,由于無需通視,可構(gòu)成較強(qiáng)的圖形結(jié)構(gòu)特別是對(duì)常規(guī)測(cè)量中無檢核的支點(diǎn)的量測(cè)提供了方便。在公路控制測(cè)量中通常采用靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù),也就是至少有兩臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)觀測(cè),經(jīng)處理后可以精確獲得兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)差,根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)。由于靜態(tài)相對(duì)定位精度高,因此廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)等高精度測(cè)量領(lǐng)域。同樣靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)將在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)逐步地取代以往的常規(guī)測(cè)量方法廣泛應(yīng)用于公路控制測(cè)量中,如用于建立路線精密控制網(wǎng)、橋隧精密控制網(wǎng)等。

三、GPS定位原理與誤差分析

GPS定位是以GPS衛(wèi)星和用戶接收天線之間的距離為基本觀測(cè)量,根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo),確定用戶天線所對(duì)應(yīng)的位置,其實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)。在一個(gè)側(cè)站上只需3個(gè)獨(dú)立距離觀測(cè)量。GPS采用的是時(shí)差測(cè)距原理,即通過測(cè)量GPS信號(hào)從衛(wèi)星傳播到用戶接收機(jī)的時(shí)間差計(jì)算距離,由于衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘不同步,因此,觀測(cè)的測(cè)站至衛(wèi)星間的距離稱為偽距。衛(wèi)星鐘差可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的鐘差參數(shù)修正,接收機(jī)鐘差難以預(yù)先準(zhǔn)確確定,可將其作為未知參數(shù)與觀測(cè)站坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并解出。在一個(gè)測(cè)站上,除了三個(gè)待定位置參數(shù)外,還需要增加一個(gè)接收機(jī)鐘差參數(shù),因而至少應(yīng)有4個(gè)同步偽距觀測(cè)量,即至少必須同觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星。

絕對(duì)定位是以地球質(zhì)心為參考點(diǎn),確定接收機(jī)天線在WGS-84坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。定位作業(yè)僅需一臺(tái)接收機(jī)工作,又稱單點(diǎn)定位。根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同,又可分為動(dòng)本絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。當(dāng)用戶接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上,確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法,稱為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。它一般只能得到?jīng)]有(或很少)多余觀測(cè)量的實(shí)時(shí)解。當(dāng)接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài),確定觀測(cè)站絕對(duì)坐標(biāo)的方法,稱為靜態(tài)絕對(duì)定位。它可以連續(xù)地測(cè)定觀測(cè)站至衛(wèi)星的偽距,可獲得充分的多余觀測(cè)量,通過后處理可以提高定位的精度。靜態(tài)絕對(duì)定位和動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位統(tǒng)稱為偽距法定位。

GPS相對(duì)定位是目前在GPS測(cè)量中定位精度最高的定位方法。相對(duì)定位是用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線的兩個(gè)端點(diǎn),其位置靜止不動(dòng),同步觀測(cè)相同的4顆以上的GPS衛(wèi)星,定基線兩端點(diǎn)在地心地固坐標(biāo)系中的相對(duì)位置。它采用載波相位觀測(cè)量為基本觀測(cè)量,由于載波波長(zhǎng)較短,其測(cè)量精度遠(yuǎn)高于偽距測(cè)量精度,并且采用不同載波相位觀測(cè)量的線性組合可以有效地削弱衛(wèi)星星歷誤差、信號(hào)傳播誤差以及接收機(jī)鐘不同步誤差對(duì)定位的影響。天線長(zhǎng)時(shí)間固定在基線兩端點(diǎn)上,可保證足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù),可以準(zhǔn)確確定整周未知數(shù)No。在通常情況下,采用廣播星歷定位,相對(duì)定位精度可達(dá)10-6～10-7,采用精密星歷和軌道改進(jìn)技術(shù),相對(duì)定位精度可提高到10-8～10-9。

GPS定位實(shí)際上是以時(shí)間為基準(zhǔn)的定位,用戶通過測(cè)量衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)到用戶收到信號(hào)的時(shí)間差來確定用戶到衛(wèi)星的距離。由于該時(shí)間差中含有衛(wèi)星鐘和用戶接收機(jī)鐘的誤差,因而稱測(cè)量的距離為偽距。GPS的定位是基于同時(shí)觀測(cè)四顆GPS衛(wèi)星到用戶的偽距和所接收到的廣播星歷進(jìn)行定位解算。定位誤差中與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要是衛(wèi)星廣播星歷誤差和衛(wèi)星鐘差。

GPS接收機(jī)的誤差主要是接收機(jī)鐘差和接收機(jī)噪聲。與衛(wèi)星鐘一樣接收機(jī)鐘也有鐘差,而且接收機(jī)中一般使用穩(wěn)定度較低的石英鐘。接收機(jī)鐘差的大小與鐘的質(zhì)量有關(guān)。GPS信號(hào)從20,000米的高空傳播到地面穿越大氣層時(shí),受到電離層和對(duì)流層的影響。電離層和對(duì)流層均使得GPS測(cè)距信號(hào)產(chǎn)生延遲。

此外,當(dāng)用戶附近存在大型電磁波反射面(如水庫(kù)、大型建筑物)時(shí)接收機(jī)會(huì)接收到經(jīng)反射面反射的GPS信號(hào),從而造成定位誤差,稱為多路徑效應(yīng)。多路經(jīng)效應(yīng)不僅影響觀測(cè)值的精度,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使信號(hào)失鎖,是近距離高精度GPS測(cè)量的主要誤差源。

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