GPS定位原理及其在海域施工中的应用

王凤玉

摘 要:随着GPS技术的发展,该技术在测量方面的应用,已充分显示了GPS测量技术较常规测量技术的优越性。本文首先介绍了GPS全球卫星定位系统的定位原理和特点,最后简要介绍了其在海域施工中的应用。

关键词:GPS定位原理海域施工

中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0030-01

GPS是利用卫星的测时和测距进行导航,以构成全球定位系统。它可向全球用户提供连续、实时、全天候、高精度的三维位置、运动物体的三维速度和时间信息。GPS技术除用于精密导航和军事目的外,还广泛应用于大地测量、工程测量、资源调查等广泛领域。

1GPS全球卫星定位系统的定位原理

由于电磁波在空间的传播速度已被精确地测定了,因此我们可利用测定电磁波传播时间的方法,间接求得两点之间的距离。GPS接收机是测量电磁波从卫星上传播到地面的单程时间来计算距离。由于卫星钟和接收机钟不可能精确同步,所以用GPS测出的传播时间中含有同步误差,因此算出的距离并不是真实的距离,观测中把含有时间同步误差所计算的距离称为“伪距”。为了提高GPS的定位精度,有绝对定位和相对定位之分,具体如下。

1.1 绝对定位原理

绝对定位原理是用一台接收机,将捕获到的卫星信号和导航电文加以解算,求得接收机天线相对于WGS-84坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。此原理被广泛用于导航和大地测量中的单点定位。

由于单程测定时间只能测量到伪距,所以必须加以改正。对于卫星的钟差,可以利用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正,而接收机小的钟差一般难以预先确定,所以通常把它作为一个未知参数,与观测站的坐标在数据处理中一起求解。求算测站点坐标实质上是空间距离的后方交会。在一个观测站上,原则上必须有3个独立的观测距离才可以算出测站的坐标,这时观测站应位于以3颗卫星为球心,相应距离为半径的球面与地面交线的交点上。因此,接收机对这3颗卫星的点位坐标分量再加上钟差参数,共有4个未知数,所以至少需要4个同步伪距观测值。换言之,至少要同时观测4颗卫星。

1.2 相对定位原理

使用一台GPS接收机进行绝对定位,由于受到各种因素的影响,其定位精度较低,这一精度是远远达不到工程测量的要求,所以相对定位在工程中广泛使用。

相对定位的基本情况,两台GPS接收机分别安置在基线的两端同步观测相同的卫星,以确定基线端点在坐标系的相对位置或基线向量。当然,也可以使用多台接收机分别安置在若干条基线的端点上,通过同步观测以确定各条基线的向量数据。相对定位对于中等长度的基线。相对定位也可按用户接收机在测量过程中所处的状态分静态定位和动态定位两种。

静态相对定位的精度是很高的,在实施过程中,为缩短观测时间,采用一种快速相对定位模式,即用一台接收机固定在参考站上,以确定载波的初始整周待定值,而另一台接收机在其周围的观测站流动,并在每一流动站上静止与参考站上的接收机进行同步观测,以测量流动站与固定站之间的相对位置。这种观测方式可以将每一站上的观测时间由数小时缩短为几分钟,而精度却没有降低。动态相对定位是将一台接收机设置在参考点上不动,另一台接收机安置在运动的载体上,两台接收机同步GPS卫星,从而确定流动点与参考点之间的相对位置。动态相对定位的数据处理有两种方式:一种是实时处理,另一种是测后处理。前者的观测数据无需存储,但难以发现粗差,精度较低;后者在基线长度为数公里的情况下,精度约为1～2cm,比较常用。

2GPS测量的特点

GPS技术在测量方面的应用,充分显示了GPS测量技术较常规测量技术的优越性。相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点。

(1)测量精度高。GPS观测的精度明显向于一般常规测量,在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1×10-6,在大于1000km的基线上可达1×10-8。当精度要求较高时,应避免短边,大法避免时,要谨慎观测。

(2)测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视,使得选点工作更加灵活方便,可根据实际需要确定点位,布网方便,特别是在地形复杂、通视因难的测区,更显其优越性。但内于观测质量主要受观测时卫星的空间分市和卫星信号的质量影响,所以应严格按有关要求选点,选择最佳时段观测,并注意手机、步话机等设备的使用。若个别点的选定受地形条件限制,造成树木遮挡,影响对卫星的观测及信号的质量,应重复测量。

(3)观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善,软件的不断更新,在进行GPS测量时,静态相对定位每站仅带20min左右,动态相对定位仅需几秒钟。

(4)仪器操作简便,自动化程度向。目前GPS接收机自动化程度越来越向,操作智能化,观测人员只需对中、整平、量取大线高及开机店设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。整个作业过程全出微电子技术、计算机技术控制,自动记录、自动数据须处理、自动平差计算。从数据传输到数据处理全部采用随机软件完成,不受人为因素的影响,因此大大提高工作效率及成果质量。

(5)全天候作业。GPS卫星数目多,且分布均匀,可保证征任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受大气状况的影响。

(6)提供三维坐标。只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度,即可方便地求出符合精度要求的测站点二维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。但若联测的已知高程点较少时,会影响控制点的高程精度。因此,要保证控制点高程的精度,必须联测足够的已知高程点。

3GPS在海域施工中的应用

由于GPS减少了环境因素的制约。不管刮风、下雨、大雾天气,GPS都可以进行测量,所以能够保证施工全天候作业。海域施工中GPS打桩定位系统在海上施工中可实现远离岸边施工船的定位。实现定位过程中数据的自动采集与处理。能够以图形和数字的形式反映施工打桩的当前和设计位置,便于操作人员调整船位进行施工打桩。

利用GPS打桩系统进行打桩定位,只要把桩位的三维坐标和斜率等要素输入控制系统里,打桩船会自动地来控制桩的位置。该方法具有速度快、精度高等优点。通过互联网技术对打桩定位现场再现,在项目部或公司就可以对GPS的定位操作进行同步监控,并且将有关的各种数据即时传送,在岸上就可以掌握沉桩情况,对各项参数进行检查复核,防止由于参数错误而酿成大错,同时对沉桩偏位进行监控,为技术管理和施工管理带来了便利。特别是水下炸礁作业,GPS定位仪保证了钻孔的准确性,能对定位船舶的位移随时的进行修正。视线不好时,使用GPS定位仪能准确的将作业人员带到作业现场和送到码头。使用GPS定位仪,在船舶行进和锚泊作業中使操作更灵活方便准确。

参考文献

[1] 周建郑主编.建筑工程测量[M].中国建筑工业出版社,2004

[2] 冯亚楠,张朝云.论GPS的测量原理及误差分析[J].河北建筑工程学院学报,2011(01)