GPS定位技术在城市测量中的应用
GPS全球定位系统技术的基础是美国国防部研制的导航星,利用接收机来接收卫星发射的信号,GPS数据是由卫星信息(轨道参数、卫星钟改正、电离层模型)和GPS观测量组成的,GPS观测量包括伪距、载波相位(载波拍频相位),积分多普勒记数、多普勒计数和过渡相位,这些观测量使得GPS技术可用于精密基线测量,因此,可用来建立高精度大地控制点。
GPS使用L波段,配有两个载频;L1的中心频率为1575.42MHZ,L2的中心频率为1227.6HMZ,接收机有许多种类,按所要求的精度可分为单频粗码接收机和双频精码接收机,使用精码GPS接收机的实时定位精度优于10米,精码接收机的实时定位精度在25米左右,使用相位接收机,经对数据处理的相对定位(基线的三维测定)精度达百万分之一左右,基线长度可以从几公里到千公里,典型地15公里基线的三个坐标差可达厘米级,所用测量时间最多为几个小时。
GPS全球定位系统,具有性能好,精度高,应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。由于空间技术与电子技术的发展,大地测量定位系统向空间技术发展,定位仪器越来越精度高、小型化、多功能,传统的大地网将逐步为空间定位技术所取代。GPS技术应用于测量有测点间无通视要求。选点方便,可以大量减少建造高标节省造标费用,可以全天观测,观测时间短,数据处理速度快,成果精度高等优点。GPS卫星全球定位系统的全面建成和发展,将导致导航和测绘行业一场深刻的技术革命。
随着改革开放的新形势,城市化进程的加快,城市测量有了很大发展,城市测量成果、成图是城市规划、建设管理必需的重要基础资料,而大地测量是其他测绘工作的基础,大地测量的任务是为测制各种地形图和为工程建设提供地面点的坐标位置,同时还要为地球物理学等学科提供精确的基础资料。结合各城市控制测量(或大地测量)的实际,采用GPS定位技术进行城市控制网的建立、扩建有着重要意义。目前,我国已有不少城市如深圳、海口、沧洲、抚顺、北京(试验网)等进行了这方面的探索,均取得较好成果。
1992年1月,在建设部规划司的组织领导下,成立了全国城市测量GPS应用研究中心,由行业集资购置GPS接收机,“中心”挂靠在北京市测绘院。其宗旨是对GPS定位技术进行开发应用研究,并把研究的成果直接转化为生产力,为各城市控制网的建立或改建提供必要的支持。现将“中心”成立以来工作概况做以下简价:
仪器设备:
“中心”购进Trimble公司4000SE单频接收机六台,配有圆顶天线,仪器标称精度斜距为10mm+2ppm·D,经对接收机进行长、短基线测试,及与标准基线检验比较和其他需检项目,均达到标称精度指标。
应用情况:
“中心”从四月份开始作业生产,先后在河北省平山县、晋州、青岛、太原、长治、石家庄、包头、银川等八个城市进行GPS城市网测量共计280余点,另在北京地区和广西北海市配合工程测量,观测GPS网控制点近百余点。各城市布网原则是旧网基础上扩大控制面积和提高精度。技术设计方案、选点、埋石等项准备均由各城市自行进行。外业测量计划和数据处理,是根据各城市具体情况和要求,由GPS作业组进行安排。诸如设站次数、网的连接扩展、必要的重合点的选择等。
作业技术依据“中心”制定的“GPS技术暂行规定”和技术设计书的要求。根据卫星通过该地区时间,制定作业计划,选择最佳卫星组,为安全起见尽量白天作业,每天观测两个时段,观测时至少有四颗卫星可被跟踪,PDOP≤8,每点至少设站两次,时段长掌握在90—120min,采用边连式扩展增加多余观测量。
各城市布网点数及作业时间
外业基线预处理及成果取舍:
野外作业携带便携式微机一台,对每天观测数据及时进行基线预处理,凡复测基线、闭合环超限或整周模糊度无解的都进行了重测,(每个城市都有2—3个时段)。
究其原因认为有以下几个方面:
(1)仪器不稳定,可能与气象条件有关,有一台接收机经修理后使用第一天凡与该仪器有关基线全面不能用,继续作业有改善。
(2)温度过高影响成果精度,如在某地温度达36℃—38℃时成果不能取用,调整观测时间后可解决。
(3)雷雨闪电过后,发生停机现象多次。
(4)天线高丈量不准确影响基线长度。
(5)4000SE单额接收机适用于短基线测量,其超过15公里以上的基线,将增加返工率。
成果使用情况:
平山县网15个点全为重合点,原网为无定向四级导线网,精度按城市测量规范施测,GPS测成果与原导线坐标相比,全部小于±5cm。在其控制下加密导线均得到精度很高的结果。
青岛市网有21个重合点,原网为三、四等点,以三个高级点进行约束,新旧坐标比较有85%以上的点小于±5cm。有四个点相差较大,最大为8.9cm。青岛市勘测院已在该四点控制下布测一级导线,方位角、导线全长相对闭合差均超限,使用新成果大大改变了原来状况,几条导线方位角闭合差在2”左右,导线全长相对闭合差都在几十万分之一以上。
长治市成果业已使用,在新测GPS网点控制下布设Ⅳ级导线,在三个点设站进行导线连接角观测,检查角分别为1” .1、1” .6、2” .2,导线平差后最弱边相对误差为1/8.7万。
其他,用于工程测量中的GPS网点,均取得良好效果。
通过几个城市对成果的应用和与旧坐标比较,GPS定位技术用于城市控制网和工程网,具有精度高、速度快、效率高、成本低成果精度均匀可靠的优点。GPS定位技术已在城乡建设、地质、石油、矿山、水电、交通、铁道等测量部门广加应用,都收到较好的经济效益和社会效益,这项技术在测绘领域中将越来越得到广泛应用。
GPS定位技术还正受着美国的控制,我国的大专院校、科研部门正积极参与这一场高技术领域的研究,建立我国高精度GPS控制网,从事GPS定轨和精密定位的研究,这将对GPS技术在国民经济建设,国防建设和科学研究的各个领域中展示出应用的美好前景。
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