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GPS技术在测量学中的应用
摘要：GPS 是全球卫星导航系统的重要形式之一, 在90 年代建成并投入运行, 在农业、牧业、渔业、环境领域已显示出极大的应用潜力。它不但被用来进行航天、航海导航, 同样也被广泛使用于交通管制、大地测量、资源勘察、气象观测等各行各业以及科学研究中, 渗透到了国民经济各个方面。介绍GPS 的起源和组 成, 了解它的功能特点, 提升其应用价值。
一、GPS起源
GPS于1973年开始研发,193年12月8日系统达到初始工作能力,星座中布满24颗卫星,1995年7月17日达到全运行能力。它能为全球陆海空各类载体, 全天候24 小时连续提供高精度的三维位置、速度和时间信息。GPs 的优良性能被誉为是一场导航领域的革命, 其应用前景仅受人们的想象力限制, 以至美国国防部也不得不承认军方只是用户中的一小部分.目前, 第三代CPS卫星已开始发射。
二、GPS 的组成GPS由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。
(一)空间部分
CPS空间部分由24 颖卫星组成.卫星均匀分布在6 个倾角为55°的轨道面上, 每个轨道有4颗卫星。卫星用两个L波段频率发射测距信号。卫星轨道采用近圈轨道, 卫星高度约2020公里, 周期约12 恒星时。
GPS卫星在轨道内的分布不是均匀分布的, 这样分布的好处是,当GPS卫星中有卫星发生故障时, 不至于对星座有严重的破坏。其后许多研究提出了对GPs 卫星星座的改进方案, 如有类似GA LILEO 系统的30 颖卫星分布在3 个轨道面的方案和类似GLONSSS的24颗卫星分布在3个轨道面的方案。
(二)地面控制部分
地面控制部分, 目前由分布在全球的5个地面站组成, 其中包括地面
监测站、主控站和注入站.1.监侧站
现有5 个地面监测站。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心.站内设有双频GPS 接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器.接收机对GP S卫星进行连续观测, 以采集数据和监测卫星的工作状况。2.主控站
主控站一个, 设在美国的本土科罗拉多的联合空间执行中心cSoc。主控站除协调和管理地面监控系统工作外, 其主要任务是: ① 根据本站和其他监测站的所有观测资料, 推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等, 并把这些数据传送到注入站;提供全球定位系统的时间基准； 调整偏离轨道的卫星和起用备用卫星。
3.注入站
注入站现有三个, 分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南
大西洋的阿松森群岛(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein).注入站的主要设备包括一台直径为3.6m 的天线, 一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等, 注入到相应卫星的存储系统, 井检测注入星系的正确性.(三)用户部分
GPS的空间部分和地面监控部分, 是用户应用该系统进行定位的基础, 其应用主要是通过用户部分来实现。GPS接收机, 一般包括主机、天线和电源, 主要功能
是接收GPS 卫星发射的信号, 以获得必要的导航和定位信息及观测量, 并经简单数据处理而实现实时导航和定位.GPS接收机的分类按不同的方式有不同的分法.按用途可分为: 导航型、测量型和授时型.按频率可分为: 单频接收机、双频接收机。
三、基本参数坐标系统转换
目前GPS 所采用的坐标系统是WGS54 坐标系, 该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球, 该椭球的主要参数为: 长半轴a= 6 378 245;扁率f = 1∶298.3。
在实际测量时, 必须将GPS 接收机给出的大地坐标B、L、H(基于WGS-84 椭球)转换成BJ-54 平面直角坐标x、y、h(基于克拉索夫斯基椭球), 有两种方法可以实现这一坐标转换。
方法1: 将GPS 接收机给出的大地坐标B、L、H(基于WGS-84 椭球)转换成BJ-54 大地坐标B54、L54、H 54(基于克拉索夫斯基椭球), 再通过高斯投影将B54、L54、H 54变换成BJ-54 平面直角坐标x、y、h。
方法2: 将GPS 接收机给出的大地坐标B、L、H(基于WGS-84 椭球)通过高斯投影变换成WGS-84 平面直角坐标x 84、y 84、h84, 再将x 84、y 84、h84转换成BJ-54 平面直角坐标x、y、h(基于克拉索夫斯基椭球)。
方法1 采用的是不同大地坐标系的转换模型, 除了3个平移参数、3 个旋转参数和1 个尺度参数计7 个转换参数外, 还应增加两个变换参数, 以考虑两种大地坐标系所对应的地球椭球参数的不同而引起的变化。
不同大地坐标系的转换公式为
LbLaΔL
Bb=Ba +ΔB
HbHaΔH
方法2 采用的是不同空间直角坐标系的转换模型, 通常采用3个平移参数、3 旋转参数和1 个尺度参数计7 个转换参数的布尔沙(Bursa)模型。
不同空间直角坐标系的转换公式是
XbΔX0Xa
Yb = ΔB0+(1+m)R(w)Ya
ZbΔH0Za
四、地形测量
GPS技术在地形测量中的应用
一般可选用静态GPS 网作基本控制，导线(网)动态作加密控制，支导线(点)补充测站点，全站仪动态碎部数据采集，进而计算机软件机助成图的作业方案。数字化地形测量可以一次性全面布网至测站点，并且可以直接先测图，而不受先控制后测图逐级加密等测量原则的约束。只是需将碎部成图以控制点为基准借助成图软件进行测站纠正。制图人员依据草图和菜单，依图式要求对地物、沟、坎等进行连线，并填充植被绘制相关平面图。在此基础上，由
计算机根据所展绘的地形点自动建立DTM 模型。
五、管线测量
GPS应用于供水管线测量有其独到的优势，首先是供水管线测量的独特性造成的，供水管线测量属于狭长区域测量，对控制测量的要求很高，要求沿管线每隔300—500m都要布设1个控制点，而GPS—RTK技术恰好适合于这种情况，在做完首级控制后，即可根据首级控制点的BJ-54坐标和海拔高程与静态测量的WGS一84坐标和大地高计算本地的GPS—RTK参数，计算完参数后，GPS-RTK基准站架设在任何已知点上就可以测量本地区任何点的坐标，这样就为测图提供了便利，在周围比较开阔、适合GPS—RTK作业的地段可以直接使用GPS—RTK采集数据，在居民楼区或高大林区，可以在周围适合的地点用GPS-RTK布设图根控制点，用全站仪采集测量数据。这样就有效地把GPS传统测量技术结合在一起，大大提高了测量效率。
六、地籍测量的应用
在地籍测量应用中,RTK技术可测定每一宗土地的全界址点以及测绘地籍图,能实时测绘有关界址点的位置并能达到厘米级的精度,将测得数据处理后可得到及时准确的地籍图和房产图。在卫星信号不好的地方可用常规仪器———全站仪、经纬仪、测距仪等测量工具,采用解析法或图解法进行细部测量。RTK技术可实时地测定界桩位置,确定土地使用界范围,计算用地面积,使得地籍测量工作变得较轻松
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