GPS測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用研究論文

　　0 引言

　　全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，英文簡(jiǎn)稱GPS），工作基本原理是通過(guò)人造衛(wèi)星進(jìn)行定位測(cè)量或授時(shí)。這種定位有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) ，如速度快、全天候、儀器輕便、自動(dòng)化程度高等等，因此在各等級(jí)的控制測(cè)量工作中均已廣泛應(yīng)用。目前．我國(guó)已建立了 A、B 兩級(jí)國(guó)家 GPS 控制網(wǎng)。

　　1 GPS 簡(jiǎn)介

　　1.1 GPS 的組成

　　GPS 衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備三個(gè)部分組成全球定位系統(tǒng)。

　　1) GPS 衛(wèi)星星座

　　24 顆人造衛(wèi)星其中 3 顆衛(wèi)星備用組成 GPS 衛(wèi)星底座 ，工作衛(wèi)星分布在 6 個(gè)固定的軌道面上 ，如圖 1 所示 ，處于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目是變化 ，少時(shí)為 4 顆．多時(shí)達(dá) 11 顆。

　　2) 地面監(jiān)控系統(tǒng)

　　全球 5 個(gè)地面站組成 GPS 的地面監(jiān)控系統(tǒng) ，按功能地面站分為三類 ，分別為主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站。這三類地面站有著不同的功能 ，又相互協(xié)作共同完成信息采集。

　　主控站主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng) ，由主控站對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ，然后由注入站向人工衛(wèi)星發(fā)送一系列描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道參數(shù)的數(shù)據(jù) ，最后經(jīng)檢測(cè)站監(jiān)控工作中衛(wèi)星的工作狀態(tài) ，并將采集的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到主控站。

　　1.2 GPS 網(wǎng)的布設(shè)方式

　　GPS 網(wǎng)的連接形式比常規(guī)測(cè)量網(wǎng)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是靈活性大。常見(jiàn)的 GPS 網(wǎng)有點(diǎn)連式、邊連式、邊點(diǎn)混連式和網(wǎng)連式。

　　2 GPS 測(cè)量水利的外業(yè)工作

　　2.1 選點(diǎn)與立標(biāo)

　　GPS 水利測(cè)量時(shí)應(yīng)該遵循四大原則 :

　　1) 測(cè)量點(diǎn)選擇交通便利、周圍無(wú)障礙物的地方 ，視野開(kāi)闊保證有足夠的視場(chǎng) ；另外測(cè)量點(diǎn)地面基礎(chǔ)牢固 ，而且易于下次找到 ，保存測(cè)量點(diǎn)的位置。

　　2) 測(cè)量點(diǎn)選擇在至少 200 米內(nèi)沒(méi)有大功率無(wú)線電發(fā)射源 ；離高壓線的距離不得小于 50m，以避免高壓線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)GPS 信號(hào)的干擾。

　　3) 測(cè)量點(diǎn)選擇在無(wú)強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體 ，如大面積水域是強(qiáng)烈的干擾物 ，因此要避免大面積水域。如此選擇的目的是為了避免多路徑效應(yīng)。

　　4) 測(cè)量點(diǎn)選擇時(shí) ，有就測(cè)量點(diǎn)不選新的測(cè)量點(diǎn)。使用舊的測(cè)量點(diǎn)前對(duì)舊點(diǎn)的穩(wěn)定性和完整性進(jìn)行檢查 ，符合要求繼續(xù)使用。另外 GPS 網(wǎng)點(diǎn)要鋪設(shè)標(biāo)志性的標(biāo)石。為準(zhǔn)確標(biāo)定點(diǎn)位 ，另外選擇標(biāo)石也有要求 ，選擇的標(biāo)石要穩(wěn)定、堅(jiān)固以便長(zhǎng)久使用。預(yù)埋標(biāo)石后及時(shí)標(biāo)記和更新選點(diǎn)網(wǎng)圖。

　　2.2 制定水利外業(yè)測(cè)量計(jì)劃

　　制定良好的計(jì)劃有助于順利完成數(shù)據(jù)采集任務(wù) ，還可以保證測(cè)量精度并且提高測(cè)量工作效率 ，測(cè)量計(jì)劃這么重要 ，觀測(cè)計(jì)劃的內(nèi)容有 ：

　　1) 編制 GPS 衛(wèi)星的可見(jiàn)性預(yù)報(bào)圖。

　　2) 選擇衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度。在 GPS 定位過(guò)程中 ，測(cè)量衛(wèi)星與觀測(cè)站形成的幾何圖形 ，用空間位置因子 (PROP) 表示其強(qiáng)度。選擇位置是 PDOP 不應(yīng)大于 6。

　　3) 選擇最佳觀測(cè)時(shí)間段。在工作衛(wèi)星大于等于 4 顆的時(shí)候 ，進(jìn)行測(cè)量最佳時(shí)間段 ，這樣得到數(shù)據(jù)更加精確。如果 GPS網(wǎng)規(guī)模較大時(shí) ，可以選擇劃分觀測(cè)區(qū)域 ，從而實(shí)施分區(qū)觀測(cè)。

　　2.3 水利工程外業(yè)觀測(cè)

　　外業(yè)測(cè)量工作開(kāi)始后 ，外業(yè)工作人員必須遵守測(cè)量工作調(diào)度表規(guī)定進(jìn)行測(cè)量 ，方便工作安排。

　　1) 天線安裝要求

　　接收機(jī)天線安裝時(shí) ，圓水準(zhǔn)氣泡必須嚴(yán)格居中 ，此時(shí)接收天線的定向標(biāo)志線應(yīng)指向北 ，用于減弱相位中心偏差的影響。

　　2) 安裝天線高度要求

　　接收天線安裝好后 ，在以天線為中心 ，在天線周圍 120°三個(gè)方向測(cè)量天線高度 ，三者之間差值小于 3m，然后在有效數(shù)值下記錄平均值。

　　觀測(cè)員完成預(yù)定作業(yè)項(xiàng)目后 ，經(jīng)審核合格后并且完整記錄數(shù)據(jù)才可遷站。

　　2.4 外業(yè)測(cè)量的誤差分析

　　1) 系統(tǒng)誤差

　　儀器的精密度和外界條件變好是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的兩個(gè)主要原因。例如 ，量距時(shí)所用的鋼尺存在尺長(zhǎng)誤差 ，則每量一整尺距離就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的誤差 ；同樣當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)引起鋼尺的長(zhǎng)度變化 ，其引起量距誤差為濕皮變化值的`函數(shù) ，這些都是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差具有象積性質(zhì)，而且一般總是可以預(yù)期出現(xiàn)，并按其出現(xiàn)的規(guī)律采取相應(yīng)的措施以消除和減弱它的影響。例如 ，鋼尺量距時(shí) ，先檢定鋼尺 ，求出尺長(zhǎng)改正數(shù) ，在觀測(cè)時(shí)測(cè)定溫度 ，然后在測(cè)量結(jié)果中將尺長(zhǎng)修正 ，即可消除尺長(zhǎng)誤差和溫度變化對(duì)距離的影響。

　　2) 偶然誤差

　　偶然誤差是由于人、儀器和外界條件等多方面因素引起的，但不能確知其產(chǎn)生的具體原因 ，具有隨機(jī)性。例如 ，無(wú)論是水準(zhǔn)測(cè)量 ，還是角度側(cè)量 ，用望遠(yuǎn)鏡的十字絲照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí) ，由于望遠(yuǎn)鏡的分辨能力、放大倍率的限制以及空氣透明度、目標(biāo)折射率等影響 ，使照準(zhǔn)目標(biāo)或偏左或偏右產(chǎn)生照準(zhǔn)誤差 ，也使估讀數(shù)值變化不定產(chǎn)生讀數(shù)誤差。這些誤差都屬于偶然誤差。

　　偶然誤差的大小和符號(hào)隨著各種偶然因索的綜合影響在不斷地變化 ，不同于系統(tǒng)誤差 ，它不能夠用有效的方法來(lái)消除 ，但可以進(jìn)行總體控制 ，因?yàn)檫@種誤差總體而言 ，服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 ，可利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析。

　　3 結(jié)論

　　水利工程建設(shè)十分重要 ，關(guān)系到很多方面 ，因此在測(cè)量過(guò)程中 ，測(cè)量員要精益求精 ，采用高科技手段進(jìn)行輔助測(cè)量 ，GPS 測(cè)量技術(shù)在以后測(cè)繪工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。