gps在工程测量中的应用 [浅谈GPS在铁路工程测量中的应用]

　　摘要：GPS(Global Positioning System)系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。GPS定位系统作为新形式测量系统，已在全球各行业得到广泛推广，在铁路工程测量中也得到了迅速的推广。本文以哈大铁路中交二航局第七经理部三分部双城段铁路路基平面控制网为例，概略叙述GPS系统在铁路工程控制测量中的应用。
　　关键词：GPS定位系统 铁路工程 控制测量 应用
　　Abstract: the GPS (Global Positioning System) System is the developed and put into use in 1994 satellite navigation and Positioning System. The GPS positioning system as a new form of measuring system, and has set up a file in the global industry is widely spread in the rail project survey also obtained a rapid promotion. This paper in manchuria-whose railways into sneb hard working three division for the seventh twins railway roadbed plane control network as an example, described briefly GPS system in the measurement of the railway engineering control application.
　　Keywords: GPS positioning system railway engineering control measurement applications
　　
　　
　　中图分类号：U21 文献标识码：A文章编号：
　　
　　 一、概述
　　 目前，世界上现役的全球卫星定位系统主要有，美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”系统。“GPS”全球定位系统是卫星系统的老大。它是由美国国防部研制部署和控制的军民两用导航定位系统。
　　
　　 1.1GPS系统的组成
　　 GPS全球定位系统由空间星座和地面监控系统两大部分组成，除此外，测量用户当然还应配备卫星接收设备。
　　 1.1.1空间星座部分。GPS全球定位系统由平均分布在围绕距地球高约20万公里的6个圆形轨道上的24颗人造地球卫星（即导航卫星）组成，各运行轨道面之间夹角为60°，轨道与地球迟到的倾角为55°，卫星运行周期为11小时58分。现在运行的“GPS”系统是由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成，用户在任何时间都至少能看到4～6颗卫星，定位一次仅需几秒钟，可实现全球范围连续的、近实时的定位、测速与授时。
　　
　　 1.1.2GPS的地面控制系统。GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个检测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接受卫星信号，监控卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。
　　
　　 1.1.3GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机等，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域随着科学技术的发展，体积小、操作简洁、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）SPS780GPS型接收机其技术指标为：
　　 双频主机、天线、RTK电台；
　　 独特的电池设计、无需外接电源，正常使用时间4h以上；
　　 手簿式控制器，2M或4M（数据存储卡容量大小可用户自行选定）的PCMCIA数据存储卡；
　　 测量精度：静态测量5mm+0.5ppm
　　 这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
　　
　　 1.2GPS的工作原理
　　 GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航系统，目前广泛应用的基本观测量主要是分为测码伪距和载波相位观测量两种。
　　 在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻同时接受了3颗（A、B、C）以上的GPS所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的三维坐标(Xp，Yp，Zp)，其数学式为：
　　 =[++]
　　 =[++]
　　 =[++]
　　 式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在铁路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。
　　 二 GPS测量的技术特点
　　 相对于常规的测量方法来讲，GPS定位技术这一新技术的主要特点如下：
　　 2.1 测站之间无需通视。测站间相互通视，一直是经典大地测量中在实践方面的困难问题之一。GPS这一特点，使得点位的选择变的甚为灵活。但必须保持测站上空开阔（净空），以使接收GPS卫星信号不受干扰。
　　 2.2 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×，而在100～500公里的基线上可达～。随着观测技术与数据处理方法的改善，在大于1000km的距离上相对定位精度可达到或优于 。
　　 2.3 观测时间短，效率高。目前，完成一条基线的精度相对定位所需要的观测时间，根据要求的不同一般约为1～3小时。采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Trimble SPS780GPS接收机的RTK法可在3s以内求得测点坐标。
　　 2.4 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
　　 2.5 操作简便，自动化程度高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
　　 2.6 全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。
　　 三、GPS系统在实际测量工作中的应用
　　 铁路工程的测量主要应用了GPS的两大功能：静态功能和实时GPS（RTK）功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。
　　 现以一实际施工为例，哈大铁路中交二航局第七经理部三分部于2008年9月开始GPS应用于现场施工。2009年10月于哈尔滨市双城段使用了静态测量。根据业主下发文件购置的TimbleSPS780型GPS接收机，能够达到控制网观测的精度要求。
　　
　　 3.1哈大铁路双城段路基平面控制网的布设及外业观测
　　 （1）GPS平面控制网
　　 由于测区呈线状，系典型窄长带状网，为满足现场施工需要，GPS网点按GPS CPIII级网布设；采用双点推进，边连结构网，网的图形结构较强。
　　 （2）观测采用技术指标
　　 使用三台美国Trimble SPS780双频GPS接收机以及一台美国Trimble R3单频GPS接收机，仪器标称精度静态定位测量为±（5mm+0.5ppm）
　　 观测所采用技术指标如下：
　　 有效观测卫星数≥5；
　　 时段长≥60min；
　　 卫星高度截止角≥15°；
　　 数据采样间隔15s。
　　 （4）观测时段选择
　　 外业观测工作全部安排在白天进行。
　　
　　 3.2观测方法
　　 常规测量方法观测存在很多缺陷，列举如下：
　　 1）规范对附和导线长闭合导线长及结点导线长度等有很严格的要求。一般对于高等级工程均要求达到一级要求。这样导线附和或闭合长度最长不能超过10公里，结点导线结点间不能超过附和导线长度的0.7倍。这种要求一般在实际作业中很难达到。
　　 2）搜集到的用于线路测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统。
　　 3）国家大地点破坏严重，影响测量作业。
　　 4）地面通视困难，往往影响常规测量的实施。一般路线要求布设在距线路的300m范围内。由于通视原因，这一条件难以满足，甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区，根本无法实施常规测量。
　　 利用GPS测量能克服上述列举的缺陷，并提高作业效率，减轻劳动强度，保证了线路控制测量的质量。
　　 GPS静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台美国Trimble SPS780双频GPS接收机以及一台美国Trimble R3单频GPS接收机安置在待定点(a2,c1,c2,c3)上同时接收卫星信号，待满足观测时段要求后采用双点推进的方法继续观测。
　　
　　 3.3数据处理
　　 采用Trimble TGO软件进行内业工作。内业起算点坐标CPI239（X=5033521.203,Y=484999.872）、CPI237(X=5030051.485,Y=482812.781)。坐标解算坐标系采用WGS84坐标系。
　　
　　 四、小结
　　 通过以上对GPS测量的应用实例的探讨，可以发现GPS在铁路工程的控制测上具有很大的发展前景。
　　 4.1 GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。
　　 4.2 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。
　　 4.3 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

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