GPS面積測量儀的研發(fā)原理及應(yīng)用技巧
來源： http://m.52lvi.cn/ 類別：實用技術(shù) 更新時間：2013-02-21 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 全球定位系統(tǒng)GPS面積測量儀是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20多年，耗資200×108美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時3維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS面積測量儀的全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。
GPS面積測量儀的基本組成和工作原理：全球定位系統(tǒng)(GPS面積測量儀)主要由三大部分組成：空間星座部分，地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。1)空間星座部分：全球定位系統(tǒng)(GPS面積測量儀)的空間星座部分，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個軌道面內(nèi)，每個軌道面有4個。GPS面積測量儀衛(wèi)星迄今已設(shè)計了3代。第一代Block1型用于系統(tǒng)實驗，稱實驗衛(wèi)星，共研制和發(fā)射了11顆，設(shè)計壽命5a，現(xiàn)已停止工作。第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計壽命7．5a，從1989年初到1994年上半年發(fā)射完畢。第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計中，預(yù)計20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。2)地面監(jiān)控部分：GPS面積測量儀的地面控制系統(tǒng)包括一個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS面積測量儀的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去，同時還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等；監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)；注入站的作用是將主控站計算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS面積測量儀地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。3)用戶設(shè)備部分：用戶部分由GPS面積測量儀接收機、計畝器、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS面積測量儀衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進行導(dǎo)航定位等。在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕、便于攜帶的GPS面積測量儀定位裝置和高精度的技術(shù)指標為工程測量帶來了極大的方便。
GPS面積測量儀的工作原理：GPS面積測量儀系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置某點P架設(shè)GPS面積測量儀接收機，在某一時刻t同時接收了3顆(A，B，C)以上的GPS面積測量儀衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS面積測量儀接收機至GPS面積測量儀衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置(3維坐標)。應(yīng)用實例：測區(qū)位于北緯31°11'，東經(jīng)121°29'，交通方便，行政隸屬于上海上海新區(qū)花木鎮(zhèn)管轄。鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)縱橫，其時，新國際博覽中心、磁懸浮列車工程(花木至上海國際機場段)正在抓緊施工和準備中。該工程位于楊高南路和花木路的交界處，東臨錦康路，北接錦嚴路�？刂泣c在4km左右的兩幢大樓的屋頂上，考慮到工期較緊，測區(qū)利用前方交會通視也困難等因素，決定采用GPS面積測量儀靜態(tài)測量。
采用的儀器設(shè)備：作業(yè)采用的儀器設(shè)備：LOCUS型雙頻接收機3臺(包括主機、腳架、基座、連接線等)，其精度為5mm±1×10－6。GPS面積測量儀測量的外業(yè)實施：選點，GPS面積測量儀測量站點之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS面積測量儀測量的特殊性，并顧及后續(xù)測量，選點時應(yīng)著重考慮以下因素：
1)點周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；2) 計畝器的點位要遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；3)點位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；4)選點結(jié)束后，按要求埋設(shè)標石，并填寫點之記。為了方便測量，本次項目選點分別選在視野開闊的兩條馬路交叉路口。觀測，根據(jù)GPS面積測量儀作業(yè)調(diào)度表的安排進行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。兩臺GPS面積測量儀分別架設(shè)在興榮家園8－9號和富都花園5號樓的屋頂(其點號分別為G3315和G3319)，另外一臺架設(shè)在J1號點上，在這3個點上同時安置3臺接收機天線(對中、整平、定向)，量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機自動記錄，填寫測量手簿。45min后，將架設(shè)在J1點的GPS面積測量儀接收機轉(zhuǎn)到J2點上，再同步觀測45min(如圖1所示)。
關(guān)機：記錄關(guān)機時間，再次量取天線高，和開機前量取的天線高比較，兩次誤差≤3mm，記錄在手簿上，若兩次量取的天線高誤差≤3mm，取其平均值，作為最后天線高，若兩次天線高誤差超限，查明原因，記錄在手簿上。
GPS面積測量儀測量的數(shù)據(jù)處理：GPS面積測量儀網(wǎng)數(shù)據(jù)處理主要分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，采用AshtechSolution軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS面積測量儀控制點的3維坐標，其具體操作步驟如下：1)啟動AshtechSolution軟件，建立項目并且設(shè)定工程名“上海地塊”，加入原始數(shù)據(jù)，首先進行基線解算，并進行無約束平差。2)選中菜單Project下拉菜單Setting項，屏幕上出現(xiàn)ProjectSettings對話框，選中CoordinateSystem。3)在卡頁中的System下拉菜單中選擇localGrid。4)在localGrid下拉菜單中選擇New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現(xiàn)LocalGridSystemDefinition對話框。5)在Name中輸入自定義坐標系名稱。6)在BaseGrid下拉菜單中選擇New，然后單擊其右面的方塊按扭，出現(xiàn)GridSystemDefinition對話框。7)在SystemName中輸入基準坐標系系統(tǒng)名。8)在Zone下拉菜單中選New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現(xiàn)ZoneDefinitionDialog對話框。9)在Name中輸入基準坐標系統(tǒng)投影方式的自定義名稱，其中Geodetic項Projection項不作更改，接下來的1～5的參數(shù)作如下處理：①LongitudeOfCentermeridion中輸入中央子午線經(jīng)度為121°0'00．00″E。②ScalfactoratCentralmeridion中輸入尺度比為1.00000。③其余三項不作更改，輸入完成后按OK，退回GridSystemDefinition對話框，再點擊OK退回到localGridSys-temDefinition對話框，并單擊下面的Estimate按鈕，出現(xiàn)localGridTransformationParametesEstimate對話框。10)在SiteID中選擇控制點名，在localCoordinate下面表格中輸入地方坐標系，且在On下的方塊上點擊標鉤。11)將兩個控制點坐標輸入(G3319：縱坐標X=－2290．000m，橫坐標Y=5500．131m；G3315：縱坐標X=－5731．400m，橫坐標Y=4472．119m)完成后，單擊Caculate計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。12)單擊OK退回，再OK退回ProjectSettings對話框，再按確定。13)接下來即可進行約束平差。14)生成報告(見表1)。
根據(jù)我公司實測坐標，利用面積計算軟件算得實測面積為：S=62897．9m2，與房地局面積之差值2．1m2，符合國家標準《房產(chǎn)測量規(guī)范》(GB/T17986．1－2000)的面積限差要求。
通過對本次測量過程和結(jié)果的分析可對GPS面積測量儀測量技術(shù)作以下結(jié)論：1)觀測站之間無需通視，既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測量技術(shù)在實踐方面的難題之一。GPS面積測量儀測量不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點即可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間(一般造標費用約占總經(jīng)費的30%～50%)，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。不過，GPS面積測量儀測量雖不要求觀測站之間相互通視，但必須保持觀測站的上空開闊(凈空)，以使接受GPS面積測量儀衛(wèi)星的信號不受干擾。即使在高聳入云的屋頂也可以靈活運用，如本文中的兩幢大樓的控制點。2)定位精度高：現(xiàn)已完成的大量實驗表明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達1～2×10－6，而在100～500km的基線上可達10－6～10－7。隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10－8。3)觀測時間短：利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為1～3h。4)3維坐標：GPS面積測量儀測量，在精確測定觀測站平面位置的同時，還可以精確測定觀測站的大地高程。5)操作簡便：GPS面積測量儀測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。另外，GPS面積測量儀用戶接收機一般重量較輕、體積較小，因此攜帶和搬運很方便。6)全天候作業(yè)：GPS面積測量儀觀測工作，可以在任何地點，也可以結(jié)合農(nóng)機作業(yè)面積測量儀進行使用，任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。7)也存在著一些不利因素：GPS面積測量儀由于儀器價格的昂貴，所以不會被大范圍應(yīng)用到一般的土建和交通建設(shè)中，它只是作為前期工程提供控制用。在影響GPS面積測量儀衛(wèi)星信號接收的遮蔽地帶只能用全站儀或其他的測量工具，以彌補GPS面積測量儀的不足。如本例中的上海地塊面積測量引測基點，由它們向外擴展，用全站儀引出加密點。但隨著科學(xué)的發(fā)展，GPS面積測量儀技術(shù)應(yīng)用前景將更加廣闊。
GPS面積測量儀的基本組成和工作原理：全球定位系統(tǒng)(GPS面積測量儀)主要由三大部分組成：空間星座部分，地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。1)空間星座部分：全球定位系統(tǒng)(GPS面積測量儀)的空間星座部分，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個軌道面內(nèi)，每個軌道面有4個。GPS面積測量儀衛(wèi)星迄今已設(shè)計了3代。第一代Block1型用于系統(tǒng)實驗，稱實驗衛(wèi)星，共研制和發(fā)射了11顆，設(shè)計壽命5a，現(xiàn)已停止工作。第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計壽命7．5a，從1989年初到1994年上半年發(fā)射完畢。第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計中，預(yù)計20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。2)地面監(jiān)控部分：GPS面積測量儀的地面控制系統(tǒng)包括一個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS面積測量儀的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去，同時還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等；監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)；注入站的作用是將主控站計算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS面積測量儀地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。3)用戶設(shè)備部分：用戶部分由GPS面積測量儀接收機、計畝器、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS面積測量儀衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進行導(dǎo)航定位等。在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕、便于攜帶的GPS面積測量儀定位裝置和高精度的技術(shù)指標為工程測量帶來了極大的方便。
GPS面積測量儀的工作原理：GPS面積測量儀系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置某點P架設(shè)GPS面積測量儀接收機，在某一時刻t同時接收了3顆(A，B，C)以上的GPS面積測量儀衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS面積測量儀接收機至GPS面積測量儀衛(wèi)星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置(3維坐標)。應(yīng)用實例：測區(qū)位于北緯31°11'，東經(jīng)121°29'，交通方便，行政隸屬于上海上海新區(qū)花木鎮(zhèn)管轄。鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)縱橫，其時，新國際博覽中心、磁懸浮列車工程(花木至上海國際機場段)正在抓緊施工和準備中。該工程位于楊高南路和花木路的交界處，東臨錦康路，北接錦嚴路�？刂泣c在4km左右的兩幢大樓的屋頂上，考慮到工期較緊，測區(qū)利用前方交會通視也困難等因素，決定采用GPS面積測量儀靜態(tài)測量。
采用的儀器設(shè)備：作業(yè)采用的儀器設(shè)備：LOCUS型雙頻接收機3臺(包括主機、腳架、基座、連接線等)，其精度為5mm±1×10－6。GPS面積測量儀測量的外業(yè)實施：選點，GPS面積測量儀測量站點之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS面積測量儀測量的特殊性，并顧及后續(xù)測量，選點時應(yīng)著重考慮以下因素：
1)點周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；2) 計畝器的點位要遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；3)點位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；4)選點結(jié)束后，按要求埋設(shè)標石，并填寫點之記。為了方便測量，本次項目選點分別選在視野開闊的兩條馬路交叉路口。觀測，根據(jù)GPS面積測量儀作業(yè)調(diào)度表的安排進行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。兩臺GPS面積測量儀分別架設(shè)在興榮家園8－9號和富都花園5號樓的屋頂(其點號分別為G3315和G3319)，另外一臺架設(shè)在J1號點上，在這3個點上同時安置3臺接收機天線(對中、整平、定向)，量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機自動記錄，填寫測量手簿。45min后，將架設(shè)在J1點的GPS面積測量儀接收機轉(zhuǎn)到J2點上，再同步觀測45min(如圖1所示)。
關(guān)機：記錄關(guān)機時間，再次量取天線高，和開機前量取的天線高比較，兩次誤差≤3mm，記錄在手簿上，若兩次量取的天線高誤差≤3mm，取其平均值，作為最后天線高，若兩次天線高誤差超限，查明原因，記錄在手簿上。
GPS面積測量儀測量的數(shù)據(jù)處理：GPS面積測量儀網(wǎng)數(shù)據(jù)處理主要分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，采用AshtechSolution軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS面積測量儀控制點的3維坐標，其具體操作步驟如下：1)啟動AshtechSolution軟件，建立項目并且設(shè)定工程名“上海地塊”，加入原始數(shù)據(jù)，首先進行基線解算，并進行無約束平差。2)選中菜單Project下拉菜單Setting項，屏幕上出現(xiàn)ProjectSettings對話框，選中CoordinateSystem。3)在卡頁中的System下拉菜單中選擇localGrid。4)在localGrid下拉菜單中選擇New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現(xiàn)LocalGridSystemDefinition對話框。5)在Name中輸入自定義坐標系名稱。6)在BaseGrid下拉菜單中選擇New，然后單擊其右面的方塊按扭，出現(xiàn)GridSystemDefinition對話框。7)在SystemName中輸入基準坐標系系統(tǒng)名。8)在Zone下拉菜單中選New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現(xiàn)ZoneDefinitionDialog對話框。9)在Name中輸入基準坐標系統(tǒng)投影方式的自定義名稱，其中Geodetic項Projection項不作更改，接下來的1～5的參數(shù)作如下處理：①LongitudeOfCentermeridion中輸入中央子午線經(jīng)度為121°0'00．00″E。②ScalfactoratCentralmeridion中輸入尺度比為1.00000。③其余三項不作更改，輸入完成后按OK，退回GridSystemDefinition對話框，再點擊OK退回到localGridSys-temDefinition對話框，并單擊下面的Estimate按鈕，出現(xiàn)localGridTransformationParametesEstimate對話框。10)在SiteID中選擇控制點名，在localCoordinate下面表格中輸入地方坐標系，且在On下的方塊上點擊標鉤。11)將兩個控制點坐標輸入(G3319：縱坐標X=－2290．000m，橫坐標Y=5500．131m；G3315：縱坐標X=－5731．400m，橫坐標Y=4472．119m)完成后，單擊Caculate計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。12)單擊OK退回，再OK退回ProjectSettings對話框，再按確定。13)接下來即可進行約束平差。14)生成報告(見表1)。
根據(jù)我公司實測坐標，利用面積計算軟件算得實測面積為：S=62897．9m2，與房地局面積之差值2．1m2，符合國家標準《房產(chǎn)測量規(guī)范》(GB/T17986．1－2000)的面積限差要求。
通過對本次測量過程和結(jié)果的分析可對GPS面積測量儀測量技術(shù)作以下結(jié)論：1)觀測站之間無需通視，既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測量技術(shù)在實踐方面的難題之一。GPS面積測量儀測量不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標。這一優(yōu)點即可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間(一般造標費用約占總經(jīng)費的30%～50%)，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。不過，GPS面積測量儀測量雖不要求觀測站之間相互通視，但必須保持觀測站的上空開闊(凈空)，以使接受GPS面積測量儀衛(wèi)星的信號不受干擾。即使在高聳入云的屋頂也可以靈活運用，如本文中的兩幢大樓的控制點。2)定位精度高：現(xiàn)已完成的大量實驗表明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達1～2×10－6，而在100～500km的基線上可達10－6～10－7。隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10－8。3)觀測時間短：利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為1～3h。4)3維坐標：GPS面積測量儀測量，在精確測定觀測站平面位置的同時，還可以精確測定觀測站的大地高程。5)操作簡便：GPS面積測量儀測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。另外，GPS面積測量儀用戶接收機一般重量較輕、體積較小，因此攜帶和搬運很方便。6)全天候作業(yè)：GPS面積測量儀觀測工作，可以在任何地點，也可以結(jié)合農(nóng)機作業(yè)面積測量儀進行使用，任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。7)也存在著一些不利因素：GPS面積測量儀由于儀器價格的昂貴，所以不會被大范圍應(yīng)用到一般的土建和交通建設(shè)中，它只是作為前期工程提供控制用。在影響GPS面積測量儀衛(wèi)星信號接收的遮蔽地帶只能用全站儀或其他的測量工具，以彌補GPS面積測量儀的不足。如本例中的上海地塊面積測量引測基點，由它們向外擴展，用全站儀引出加密點。但隨著科學(xué)的發(fā)展，GPS面積測量儀技術(shù)應(yīng)用前景將更加廣闊。
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