GPS面積測量儀的研發原理及應用技巧
來源： http://www.1004-75.com/ 類別：實用技術 更新時間：2013-02-21 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網提供】 全球定位系統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維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近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，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。
GPS面積測量儀的基本組成和工作原理：全球定位系統(GPS面積測量儀)主要由三大部分組成：空間星座部分，地面監控部分和用戶設備部分。1)空間星座部分：全球定位系統(GPS面積測量儀)的空間星座部分，由24顆衛星組成，其中包括3顆備用衛星。衛星分布在6個軌道面內，每個軌道面有4個。GPS面積測量儀衛星迄今已設計了3代。第一代Block1型用于系統實驗，稱實驗衛星，共研制和發射了11顆，設計壽命5a，現已停止工作。第二代Block2和2A型衛星稱為工作衛星，共研制了28顆，設計壽命7．5a，從1989年初到1994年上半年發射完畢。第三代Block3和2R型衛星尚在設計中，預計20顆，以取代第二代衛星，改善全球定位系統。2)地面監控部分：GPS面積測量儀的地面控制系統包括一個主控站、3個注入站和5個監測站。主控站的作用是根據各監控站對GPS面積測量儀的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛星中去，同時還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調度備用衛星等；監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態；注入站的作用是將主控站計算的數據注入到衛星中去。GPS面積測量儀地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。3)用戶設備部分：用戶部分由GPS面積測量儀接收機、計畝器、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS面積測量儀衛星發出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發展，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面積測量儀系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置某點P架設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面積測量儀衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS面積測量儀接收機至GPS面積測量儀衛星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置(3維坐標)。應用實例：測區位于北緯31°11'，東經121°29'，交通方便，行政隸屬于上海上海新區花木鎮管轄。鎮區內交通網絡縱橫，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。控制點在4km左右的兩幢大樓的屋頂上，考慮到工期較緊，測區利用前方交會通視也困難等因素，決定采用GPS面積測量儀靜態測量。
采用的儀器設備：作業采用的儀器設備：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，圖形結構也比較靈活，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，并顧及后續測量，選點時應著重考慮以下因素：
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射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；3)點位應選在視野開闊、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)選點結束后，按要求埋設標石，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GPS面積測量儀作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角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，測量氣象數據，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數據，則接收機自動記錄，填寫測量手簿。45min后，將架設在J1點的GPS面積測量儀接收機轉到J2點上，再同步觀測45min(如圖1所示)。
關機：記錄關機時間，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據處理：GPS面積測量儀網數據處理主要分為基線解算和網平差兩個階段，采用AshtechSolution軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，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，建立項目并且設定工程名“上海地塊”，加入原始數據，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GridSystemDefinition對話框。7)在SystemName中輸入基準坐標系系統名。8)在Zone下拉菜單中選New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現ZoneDefinitionDialog對話框。9)在Name中輸入基準坐標系統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的參數作如下處理：①LongitudeOfCentermeridion中輸入中央子午線經度為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計算轉換參數。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《房產測量規范》(GB/T17986．1－2000)的面積限差要求。
通過對本次測量過程和結果的分析可對GPS面積測量儀測量技術作以下結論：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的良好結構，這一直是經典測量技術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。這一優點即可大大減少測量工作的經費和時間(一般造標費用約占總經費的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。隨著觀測技術與數據處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優于10－8。3)觀測時間短：利用經典的靜態定位方法，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只是安裝并開關儀器、量取儀器高、監視儀器的工作狀態和采集環境的氣象數據，而其他觀測工作，如衛星的捕獲、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：GPS面積測量儀觀測工作，可以在任何地點，也可以結合農機作業面積測量儀進行使用，任何時間連續地進行，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用到一般的土建和交通建設中，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。但隨著科學的發展，GPS面積測量儀技術應用前景將更加廣闊。
GPS面積測量儀的基本組成和工作原理：全球定位系統(GPS面積測量儀)主要由三大部分組成：空間星座部分，地面監控部分和用戶設備部分。1)空間星座部分：全球定位系統(GPS面積測量儀)的空間星座部分，由24顆衛星組成，其中包括3顆備用衛星。衛星分布在6個軌道面內，每個軌道面有4個。GPS面積測量儀衛星迄今已設計了3代。第一代Block1型用于系統實驗，稱實驗衛星，共研制和發射了11顆，設計壽命5a，現已停止工作。第二代Block2和2A型衛星稱為工作衛星，共研制了28顆，設計壽命7．5a，從1989年初到1994年上半年發射完畢。第三代Block3和2R型衛星尚在設計中，預計20顆，以取代第二代衛星，改善全球定位系統。2)地面監控部分：GPS面積測量儀的地面控制系統包括一個主控站、3個注入站和5個監測站。主控站的作用是根據各監控站對GPS面積測量儀的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛星中去，同時還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調度備用衛星等；監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態；注入站的作用是將主控站計算的數據注入到衛星中去。GPS面積測量儀地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。3)用戶設備部分：用戶部分由GPS面積測量儀接收機、計畝器、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS面積測量儀衛星發出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發展，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面積測量儀系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置某點P架設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面積測量儀衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS面積測量儀接收機至GPS面積測量儀衛星的距離SAP，SBP，SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置(3維坐標)。應用實例：測區位于北緯31°11'，東經121°29'，交通方便，行政隸屬于上海上海新區花木鎮管轄。鎮區內交通網絡縱橫，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。控制點在4km左右的兩幢大樓的屋頂上，考慮到工期較緊，測區利用前方交會通視也困難等因素，決定采用GPS面積測量儀靜態測量。
采用的儀器設備：作業采用的儀器設備：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，圖形結構也比較靈活，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，并顧及后續測量，選點時應著重考慮以下因素：
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射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；3)點位應選在視野開闊、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)選點結束后，按要求埋設標石，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GPS面積測量儀作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角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，測量氣象數據，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數據，則接收機自動記錄，填寫測量手簿。45min后，將架設在J1點的GPS面積測量儀接收機轉到J2點上，再同步觀測45min(如圖1所示)。
關機：記錄關機時間，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據處理：GPS面積測量儀網數據處理主要分為基線解算和網平差兩個階段，采用AshtechSolution軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，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，建立項目并且設定工程名“上海地塊”，加入原始數據，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GridSystemDefinition對話框。7)在SystemName中輸入基準坐標系系統名。8)在Zone下拉菜單中選New，并單擊其右邊的方塊按扭，出現ZoneDefinitionDialog對話框。9)在Name中輸入基準坐標系統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的參數作如下處理：①LongitudeOfCentermeridion中輸入中央子午線經度為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計算轉換參數。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《房產測量規范》(GB/T17986．1－2000)的面積限差要求。
通過對本次測量過程和結果的分析可對GPS面積測量儀測量技術作以下結論：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的良好結構，這一直是經典測量技術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。這一優點即可大大減少測量工作的經費和時間(一般造標費用約占總經費的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。隨著觀測技術與數據處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優于10－8。3)觀測時間短：利用經典的靜態定位方法，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只是安裝并開關儀器、量取儀器高、監視儀器的工作狀態和采集環境的氣象數據，而其他觀測工作，如衛星的捕獲、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：GPS面積測量儀觀測工作，可以在任何地點，也可以結合農機作業面積測量儀進行使用，任何時間連續地進行，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用到一般的土建和交通建設中，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。但隨著科學的發展，GPS面積測量儀技術應用前景將更加廣闊。
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