ＧＰＳ在公路测量中的应用与误差分析

浦仕顺

[摘要]GPS的是美国国防部建立的一个全天候、空基导航系统。由于GPS测量有传统测量不可取代的优点,所以在公路测量领域收到越来越多的重视。对GPS技术在公路测量中的应用与信号误差分析进行研究。

[关键词]公路测量 GPS 应用

中图分类号:TN96文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810095-01

一、GPS定位技术应用于测量的特点

高精度GPS定位技术在各种控制测量中得到广泛应用。从1982年第一代测量型无码GPS接收机Macrometer V-100投入市场以来,在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面,都得到了蓬勃的发展。广泛的试验活动为GPS精密定位技术在测量工作总的应用展现了广阔的前景。目前,GPS定位技术已高度自动化,所达到的定位精度,使测量工作的模式、理念产生了革命性的变化。相对经典的测量技术来说,GPS定位技术主要有以下特点。

观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好结构,这一直是经典测量技术在实践方面的问题之一。而GPS测量不需观测站之间互相通视,因而不再需要建造规标。这样不仅可大大减少测量工作的经费和时间,同时也可使点位的选择变得更加灵活。

定位精度高。大量实验表明,通常在小于50km的基线上,其相对定位精度可达lxl0-6～2xl0-6,而在100-500km的基线上可达10-6、10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善,目前在大于1000km的距离上,相对定位精度已可达到或优于10-8。

观测时间短。目前,利用经典的静态定位方法,完成一条基线的相对定位所需的观测时间,根据精度的不同约为1-3小时。为了进一步缩短观测时间,提高作业速度,近年来发展的短基线(不超过20km)快速相对定位法,其观测时间仅需数分钟。

提供三维坐标。GPS测量中,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。

二、GPS在公路测量中的应用

我国自80年代末石油部、总参测绘局、国家测绘局等陆续进口了GPS接收机并展开了各方面的研究工作。进入90年代后,随着卫星的增多,GPS接收机的价格下降等原因,我国的一些公路勘测设计单位购置了GPS接收机。GPS在公路工程中的应用主要包括三个方向:公路控制测量:公路测设和桥、隧形变监测。

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制测量。公路控制测量是路线勘测设计的基础,随着高等级道路的兴建,对路线勘测提出了更高的要求,由于线路长且已知点少,因此,用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求,而GPS高精度的特点正好可以满足这一要求。在隧道外控制、特大桥梁的施工,也需要高精度控制测量。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中,由于无需通视,可构成较强的图形结构特别是对常规测量中无检核的支点的量测提供了方便。在公路控制测量中通常采用静态相对定位技术,也就是至少有两台GPS接收机同时观测,经处理后可以精确获得两点的三维坐标差,根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标。由于静态相对定位精度高,因此广泛应用于大地测量、形变监测等高精度测量领域。同样静态相对定位技术将在相当广泛的范围内逐步地取代以往的常规测量方法广泛应用于公路控制测量中,如用于建立路线精密控制网、桥隧精密控制网等。

三、GPS定位原理与误差分析

GPS定位是以GPS卫星和用户接收天线之间的距离为基本观测量,根据已知的卫星瞬时坐标,确定用户天线所对应的位置,其实质是空间距离后方交会。在一个侧站上只需3个独立距离观测量。GPS采用的是时差测距原理,即通过测量GPS信号从卫星传播到用户接收机的时间差计算距离,由于卫星钟与用户接收机钟不同步,因此,观测的测站至卫星间的距离称为伪距。卫星钟差可以通过卫星导航电文提供的钟差参数修正,接收机钟差难以预先准确确定,可将其作为未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。在一个测站上,除了三个待定位置参数外,还需要增加一个接收机钟差参数,因而至少应有4个同步伪距观测量,即至少必须同观测4颗GPS卫星。

绝对定位是以地球质心为参考点,确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。定位作业仅需一台接收机工作,又称单点定位。根据用户接收机天线所处的状态不同,又可分为动本绝对定位和静态绝对定位。当用户接收机安置在运动的载体上,确定载体瞬时绝对位置的定位方法,称为动态绝对定位。它一般只能得到没有(或很少)多余观测量的实时解。当接收机天线处于静止状态,确定观测站绝对坐标的方法,称为静态绝对定位。它可以连续地测定观测站至卫星的伪距,可获得充分的多余观测量,通过后处理可以提高定位的精度。静态绝对定位和动态绝对定位统称为伪距法定位。

GPS相对定位是目前在GPS测量中定位精度最高的定位方法。相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两个端点,其位置静止不动,同步观测相同的4颗以上的GPS卫星,定基线两端点在地心地固坐标系中的相对位置。它采用载波相位观测量为基本观测量,由于载波波长较短,其测量精度远高于伪距测量精度,并且采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效地削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机钟不同步误差对定位的影响。天线长时间固定在基线两端点上,可保证足够的观测数据,可以准确确定整周未知数No。在通常情况下,采用广播星历定位,相对定位精度可达10-6～10-7,采用精密星历和轨道改进技术,相对定位精度可提高到10-8～10-9。

GPS定位实际上是以时间为基准的定位,用户通过测量卫星发出信号到用户收到信号的时间差来确定用户到卫星的距离。由于该时间差中含有卫星钟和用户接收机钟的误差,因而称测量的距离为伪距。GPS的定位是基于同时观测四颗GPS卫星到用户的伪距和所接收到的广播星历进行定位解算。定位误差中与GPS卫星有关的误差主要是卫星广播星历误差和卫星钟差。

GPS接收机的误差主要是接收机钟差和接收机噪声。与卫星钟一样接收机钟也有钟差,而且接收机中一般使用稳定度较低的石英钟。接收机钟差的大小与钟的质量有关。GPS信号从20,000米的高空传播到地面穿越大气层时,受到电离层和对流层的影响。电离层和对流层均使得GPS测距信号产生延迟。

此外,当用户附近存在大型电磁波反射面(如水库、大型建筑物)时接收机会接收到经反射面反射的GPS信号,从而造成定位误差,称为多路径效应。多路经效应不仅影响观测值的精度,严重时还会使信号失锁,是近距离高精度GPS测量的主要误差源。

参考文献:

[1]张予东、李雪芳,公路测量中GPS RTK的应用[J]测绘通报,2002,(12).

[2]张耀华,GPS定位技术在公路工程中的应用[J]国外公路,1998,(06).