【正文】 用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量 2～ 4s，精度就可以達(dá)到 1～ 3cm，且整個(gè)測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器 (如全站儀 )不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于在長江、黃河上修建的大跨徑橋梁，采用傳統(tǒng)光學(xué)儀器和全站儀來定位是比較困難的，因?yàn)榻孢^寬、霧氣較大，易造成儀器讀數(shù)誤差。另外，江面情況變化多端、觀測浮標(biāo)位置飄浮不定，影響定位精度。 GPS 在 這方面發(fā)揮了一定江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 11 的優(yōu)勢。因?yàn)?GPS 采用的是空間三點(diǎn)后方距離交會(huì)法原理來定位，不受江面外界情況干擾，點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求必須通視，兩三分鐘測一個(gè)點(diǎn)，簡捷方便，精度高，大大提高了作業(yè)效率。它的平面坐標(biāo)定位精度在 5mm177。1 ppm 左右，基線長度有幾米到幾十公里，這完全符合橋梁控制網(wǎng)地要求。同樣對(duì)隧道控制網(wǎng)、立交控制網(wǎng)也可以采用 GPS 的方法進(jìn)行精確定位，效果也不錯(cuò)。 在今后的線路勘測中，靜態(tài)定位技術(shù)的應(yīng)用將在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)逐步地取代以往的常規(guī)測量方法，從首級(jí)控制到一二級(jí)導(dǎo)線，從線路導(dǎo)航測控制測量，從隧道外控制到特大橋梁 的施工控制測量等。隨著應(yīng)用理論研究的深入以及作業(yè)規(guī)范的建立和完善，靜態(tài)將更好的為線路和橋隧工程中的控制測量服務(wù)。在工程控制測量中， GPS 具有聯(lián)測遠(yuǎn)距離已知點(diǎn)和無需點(diǎn)間直接通視等優(yōu)勢， TPS (Total station Position System)全站儀定位系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活，短距離測量速度快，相對(duì)精度較高，便于知道工程施工等特點(diǎn)。因此，在工程控制網(wǎng) (特別是施工控制網(wǎng) )中，如何發(fā)揮 GPS 和 TPS 的各自優(yōu)勢，快速布設(shè)精度較均勻的綜合網(wǎng)，己成為GPS 在工程中應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向。靜態(tài) GPS 相對(duì)定位也是動(dòng)態(tài)差 分定位的基礎(chǔ)。在動(dòng)態(tài)差分測量中有其中有一個(gè)是參考站，它的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)往往都是通過靜態(tài)相對(duì)定位獲得的，通過靜態(tài)相對(duì)定位可以建立動(dòng)態(tài)差分定位的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，然后才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)差分定位。 在隧道工程中，大都采用獨(dú)立坐標(biāo)系（即以工程施工面為投影面），此時(shí)以常規(guī)控制測量進(jìn)行 TPS 施工放樣不用考慮垂線偏差的影響。而 GPS 測量屬于法線系統(tǒng)， TPS 測量屬于垂線系統(tǒng)。因此，在隧道施工過程中，如果把洞外的 GPS控制測量成果 (進(jìn)洞定向等元素 )用 TPS 引進(jìn)洞內(nèi)時(shí)，嚴(yán)格講有垂線偏差的影響問題。為了保證必要的隧道貫通精度，有時(shí)必須考慮垂線偏差 的影響。 但是，在實(shí)際工程中，由于條件的限制，很難保證將隧道洞外定向的兩個(gè)GPS 控制點(diǎn)布設(shè)在與隧道施工高程面近似相等的高度上，此時(shí)，必須考慮垂線偏差對(duì)角度放樣的影響。在隧道貫通時(shí)，必須保證進(jìn)洞方向的準(zhǔn)確。因?yàn)椋瑯?biāo)高差改正、截面差改正都與觀測點(diǎn)至測站點(diǎn)的距離有關(guān)，而施工放樣過程中觀測點(diǎn)至測站點(diǎn)的距離都較短，故這兩項(xiàng)改正可忽略不計(jì)。觀測方向的垂直角較大時(shí)，有必要考慮垂線偏差的影響。以前，在 GPS 技術(shù)沒有應(yīng)用于測量領(lǐng)域時(shí)，垂線偏差的測定必須有相關(guān)的重力資料，沒有重力資料的區(qū)域，無法求得垂線偏差。因而，在隧道貫通時(shí) ，多采取削弱垂線偏差影響的措施 (如盡量使定向邊與隧道施工高程面近似相等的高度上 )?，F(xiàn)在 GPS 廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域，這為垂線偏差的求定提供了很大的方便。 世紀(jì)大橋?yàn)檫B接市區(qū)與金沙灣之間的一座城市公路橋梁，大橋全長約2262m，其中主橋長 ，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的雙塔雙索面斜拉橋，主孔跨度340m，主塔塔頂高程為 111m。大橋開工前，曾建立了大橋施工控制網(wǎng)，隨著大江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 12 橋施工全面展開，個(gè)別點(diǎn)發(fā)生了位移，部分點(diǎn)間通視受阻，為確保大橋的施工質(zhì)量和工期，對(duì)該橋平面控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測和改造。 由于受場地地形限制，致使網(wǎng)形結(jié)構(gòu) 較差，同時(shí)受施工干擾，中線等幾個(gè)跨河視線方向無法通視，采用常規(guī)三角測量方法難度很大，故在此次復(fù)測中應(yīng)用了GPS 測量技術(shù)。 在 GPS 靜態(tài)測量中，不管接收機(jī)天線是架在三角架上還是安置在強(qiáng)制對(duì)中墩上，都涉及儀器高的量取問題，而且儀器高的量取高度屬于垂線方向上的高程，顯而易見儀器高的量取精度對(duì)點(diǎn)的測量成果有著直接的影響。由于 GPS 測量獲得的是空間坐標(biāo)，并且實(shí)際點(diǎn)與測量所得點(diǎn)不在一條法線上，那么實(shí)際點(diǎn)與測量所得點(diǎn)在橢球面上的投影必不重合，則這兩點(diǎn)的平面坐標(biāo)也不重合。在實(shí)際應(yīng)用中很多情況下最后所需成果為平面坐標(biāo)，因此有 必要討論一下儀器高的量取精度對(duì)平面坐標(biāo)成果的影響。 我們先了解一下 GPS 系統(tǒng)的組成 、特點(diǎn)及 工作原理 。 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 13 第 一 章 GPS 概述 GPS 即全球定位系統(tǒng)簡介 全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning system— GPS），是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，而建立起來的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 1957 年 10 月，世界上第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，使得空間科學(xué)得以迅速發(fā)展，人類進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。為了滿足軍事部門和民用部門，對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求， 1973 年美國國防部便開始組織海路空三軍，共同研究建立了新一代衛(wèi)星系統(tǒng)的計(jì)劃。這就是目前所稱的 “授時(shí)與測距導(dǎo)航系統(tǒng) /全球定位系統(tǒng)”（ Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS），通常稱為“全球定位系統(tǒng)”（ GPS）。 GPS 歷時(shí) 20 年，耗資 200 億美元，于 1994 年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近 10 年我國測繪等部門的使用表明， GPS 以全天候、高精度、 自動(dòng) 化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System）是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控站、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站 。監(jiān)控站設(shè)有 GPS 用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS 衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆 GPS 衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆 GPS 衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。按目前的 方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3 顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為 11 小時(shí) 58 分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為 55 度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（ DOP）。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 14 改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門， 并開始逐步深入人們的日常生活。 GPS 系統(tǒng)的全球主控基站分布圖如圖1－ 1： 圖 11 GPS系統(tǒng)的全球主控基站分布圖 GPS 系統(tǒng)的組成 GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分 GPS 衛(wèi)星星座；地面控制部分 地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分 GPS 信號(hào)接收機(jī)。 圖 12 全球定位系統(tǒng)（ GPS）構(gòu)成示意圖 空間部分： 24顆 星廣播 L1，L2，衛(wèi) 星軌道，時(shí)間數(shù)據(jù)及輔助資料信息 用戶部分： 接收 設(shè)備 接收衛(wèi)星信號(hào) 監(jiān)控部分： 中央控制系統(tǒng) 時(shí)間同步 跟蹤衛(wèi)星定軌 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 15 GPS 衛(wèi)星星座 GPS 工作衛(wèi)星及其星座 由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成 GPS 衛(wèi)星星座，記作（ 21+3） GPS 星座。 24 顆 衛(wèi)星均勻分布在 6 個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為 55 度，各個(gè)軌道平面之間相距 60 度， 即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差 60 度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差 90 度， 同 一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前 30 度。 在兩萬公里高空的 GPS 衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行二周， 即繞地球一周的時(shí)間為 12 恒星時(shí)。這樣，對(duì)于地面觀測者來說，每天將提前 4 分鐘見到同一顆 GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到 4 顆， 最多可見到 11 顆。在用 GPS 信號(hào)導(dǎo) 航定位時(shí)，為了 解 算測站的三維坐標(biāo)，必須觀測 4 顆 GPS 衛(wèi)星，稱為定位星座。這 4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí)，甚至不能測得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時(shí)間段叫做 間隙段 。但這種 時(shí)間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí) 動(dòng)態(tài)觀測 。GPS 工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。 地面監(jiān)控系統(tǒng) 對(duì)于導(dǎo)航定位來說， GPS 衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷 即 述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆 GPS 衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控 系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) GPS 時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS 工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站。 GPS 信號(hào)接收機(jī) GPS 信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號(hào)， 并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行 變換、放大和處理，以便測量出 GPS 信號(hào)從衛(wèi)星 到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置， 位置，甚至三維速度和時(shí)間。 接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及 GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的 GPS 用戶設(shè)備。 GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu) 分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測地型接收機(jī)來說，兩個(gè)單元一般分成 兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測時(shí)將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤剑? 用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè) 論文 16 有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，觀測時(shí)將其安置在測站點(diǎn)上。 GPS 接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為 RAM 存儲(chǔ)器供電，以防止丟失 數(shù)據(jù) 。近幾年，國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的 GPS 測地型接收機(jī)。各種類型的 GPS 測地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá) 5mm+，單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá) 10mm+。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。目前，各種類型的 GPS 接收機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) 定位精度高 應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明， GPS 相對(duì)定位精度在 50KM 以內(nèi)可達(dá) 106， 100～ 500KM可達(dá) 710? ， 1000km 可達(dá) 109。在 300～ 1500m 工程精密定位中， 1 小時(shí)以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于 1mm，與 ME5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為 ，校差中誤差為 。 觀測時(shí)間短 隨著 GPS 系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新， GPS接收機(jī)的觀測時(shí)間也越來越短。現(xiàn)在 20km 以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需 1520 分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在 15km 以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測時(shí)間只需 12 分鐘完成初始化 ，然后可隨時(shí)定位，每站觀測只需幾秒鐘。 測站 間無須通視 GPS 測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可， 此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測量工作。 可提 供三維坐標(biāo) 經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。 GPS 可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 GPS 水準(zhǔn)可滿 足四等水準(zhǔn)測量的精度。 操作簡便