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GPS应用前景

2022-11-24 01:33阅读:

GPS在中建海外工程测量中的应用前景---------边海强

(2012-08-17 04:21:57)[编辑][删除]
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杂谈


摘要:刚果布国家一号公路项目多利吉至布拉柴段在工程测量中用GPS进行测量控制、横断面测量、水沟涵洞等等的施工测量工作,产生了较为理想的效果,GPS的工程测量技术在以后的海外工程测量中应用前景广阔。
关键词:GPS RTK 工程测量
1、 GPS系统及定位原理:
GPS全球定位系统是1973年由美国的国防部开始建立的,原是为了战争以及军事目的,后来发展到商用和民用领域。它由三个部分组成,空间部分、地面控制部分和用户部分。空间部分就是在轨运行的24颗卫星,现在已超过32颗了。地面控制部分就是在美国五个地方设立的控制站。用户部分就是GPS接收机数据处理软件和相应的设备组成。用户部分的作用就是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。它具有全球性、全天候、连续性、实时性的导航和定位功能。能为各类用户提供精密的三维坐标时间和导航。根据定位时接收机的运动状态,分
为静态定位和动态定位。在公路测量中利用静态定位进行控制点的控制测量工作,利用动态定位进行碎部测量作业。常规的GPS测量方法,如静态,快速静态,动态测量都需要在事后进行解算才能得到厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时地得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,是GPS应用的重大里程碑。它的出现为工程放样,地形测图,各种控制测量带来了新的曙光,极大的提高了外业作业效率。GPS点位定位原理:卫星可以看作是固定在轨道上运动的空中观测目标,每颗卫星播发独立的时间码进行距离测量,常规的接收仪器内置较为廉价的钟,这些钟的计时精度比卫星上内置钟的精度低得多,无线电波是以光速进行传播,距离等于光速乘以时间。可以设想接收机上钟的误差对距离测定的影响,十分之一秒的测时误差将引起三万公里的距离误差。一百万分之一秒的误差将引起300米的距离误差。从二颗卫星上放射的无线电波,交叉形成一个圆弧,点位被限制在一个曲线上,三颗卫星无线电波相交形成一个点,由这三段距离可以确定经度,纬度和高程,点的空间位置被确定。而由四颗以及四颗以上的卫星同时交于一点,则由这四段距离可以解决经度,纬度,高程和时间四个未知数,其测量原理类似于经典测量中的测边交会问题。
2、GPS在刚果布国家一号公路中的应用
测站之间的相互通视问题一直是经典测量学上的一道难题,特
别是在进行控制点测量之时,经典测量中无论是使用全站仪、经纬仪、水准仪等测量仪器,都要求测点之间能够相互通视。08年来刚果布国家一号公路之前,我已经参与了滨博高速、禹阎高速、随岳南高速、泰赣高速和高津高速的施工管理和测量管理工作。之前在国内接触最多的就是传统测量仪器水准仪、经纬仪、全站仪等,对GPS测量没有什么概念。就是在国内进行特大桥的控制测量时,用的最多的也是全站仪。08年以来,陆陆续续的接触到了GPS。中交二院用的是天宝和莱卡的GPS,1-3分部用的是中海达的GPS。随着时间的推移,工程的进展,我看到了全站仪的局限性和GPS的优越性。全站仪布设控制点时两控制点之间必须通视,并且点位也要根据地形要求来埋设,一般地段每公里要2-3个点,对于马永贝森林里的复杂地段每公里要布置8-9个点也难以满足测量需要。用全站仪测量的速度慢,每天难测一公里,每天的大部分时间都浪费在转站和搬站上了。全站仪在前期的控制测量中耗时费力,增加了工程成本和观测时间,支导线过长,测量精度难以得到保证,给技术设计工作带来了严重影响。GPS测量完全不用考虑通视和地形条件的限制问题,使测量的速度能成倍的增加。原来用全站仪要干五个月的活,用GPS一个月差不多就完成了。现在正在施工的刚果布国家一号公路多利吉到布拉柴段,路线全长三百五十八公里,开工之前植被稠密,山高林密,为避免与老路重合,新线路进行了全新的设计工作,踏勘工作极为艰辛。我经常与技术部设计院监理方一块进行勘线工作,车辆根本没法进入工地现场,在高过人的草地里行走,在陡峭的山坡上爬上爬下,每天都是满身泥土,辛苦自不必说。这么长的段落,这么复杂的环境,如果没有GPS进行测量控制,用经典测量的方法进行测量,那工作量简直是无比艰巨,只是埋点和保证通视这一项就让人惴惴不安。为了汲取一期测量工作中的经验和教训,在进入二期之初,2011年5月份,就开始要求五个分部必须配置GPS。并把五个分部的GPS全部集中在恩卡依,和法国测量监量史蒂芬一块对五个分部的GPS进行已知点求另外二点的坐标和高程的校核工作。现在每个分部都拥有四台以上的GPS,完全能够满足工程的施工需要。由于设计院在进行首级控制测量时,用的就是GPS,各分部在进行导线点的加密工作时也全部是用GPS静态测量进行加密控制工作。因为各导线点距离很近,点位之间的距离不超过一公里,在设计院点位复核无误的基础上对加密点位进行静态定位测量工作,一般是在三个以上的连续的控制点上安置三台以上的GPS同时接收卫星信号45—60分钟。如果点位之间的距离在2—5公里,就需观测60—90分钟,如果点位之间的距离在5—10公里,就需观测90—120分钟,如果点位之间的距离在10—20公里,需观测120分钟以上。一般单频接收机只测量20KM以内的基线。直至将所有的待测点位观测完毕。观测数据经过GPS数据处理软件进行基线解算平差计算后就得到了UTM投影下的WGS84坐标。在进行完导线的加密测量工作后,就可以直接用GPS进行原地面的测量工作。其实用方便性,是全站仪不能企及的,只要架一次基站,就可以完成四公里左右的全部测量工作。如果在施工过程中,有加密点被机械碰撞而丢失的话,我们就可以用RTK的快速静态测量进行临时加密,单点定位时间只需要5—10分钟,不及静态测量时间的五分之一,比全站仪加密点位更加省时。在公路测量加密工作中,可以完全代替全站仪,并且测量精度能够得到保证。刚果布国家一号公路项目多利吉至布拉柴段在工程测量中用GPS进行测量控制、横断面测量、水沟涵洞等等的施工测量工作,产生了较为理想的效果,GPS的工程测量技术在以后的海外工程测量中应用前景广阔。
3、GPS技术外业的操作方法
以现在各分部都在使用的中海达GPS为例,把外业的实战操作方法奉上,以备技术人员使用。
Hi-RTK外业操作
注:如不特殊说明下列“菜单”键均指软件界面左上角按键。
步骤一:室外架设基准站。
选择视野开阔且地势较高的地方架设基站,基站附近不应有高楼或成片密林(卫星接收不好)、大面积水塘(多路径效应严重)、高压输电线或变压器(有干扰)。基站一般可以架设在未知点和已知点上。

步骤二:打开GPS基准站接收机,打开手簿,设置项目
1、桌面Hi-RTK 道路版图标,双击打开。
l 若需新建项目执行2-3步操作:
2、项目→新建→输入项目名(默认为系统日期)→对勾确定
3、项目信息→坐标系统,在椭球选项卡选择合适的当地椭球(上面“源椭球”选WGS84坐标,下面“当地椭球”问设计院),投影选项卡只需改中央子午线(例如12:00:00.00000E),“椭球转换”选“布尔沙七参数”、“平面转换”转换模型选“四参数”、“高程拟合”转换模型选“参数拟合”文件类型选“固定差改正”,点击保存。点击右上角“X”退出。
l 套用已有项目的参数来新建项目则执行第4步操作:
4、选择要套用的项目,点击套用。在弹出的界面选择该项目下要套用的坐标系统文件(*.dam),确定。输入项目名(默认为系统日期),对勾确定。

步骤三:设置基准站
5、GPS→接收机信息→连接GPS→连接→选择仪器编号进行连接,如果编号不在列表中点击搜索,搜索到点击停止→连接→等待数据板信息出现后即认为连接成功。
6、菜单→基准站设置→等卫星锁定后,量仪器高,输入仪器高(如果自由设站,则可不输入),输入已知点的x、y、h(如果架设在未知点上,点平滑,进行10次平滑采集)(三参数计算不需要管,一般只有一个已知点的时候用),对勾→数据链→(如使用电台为外部数据链,手机卡则为内置网络)→其他→差分模式(RTK)→差分电文(CMR)→高度截止角输12(当信号不好时,可以调整高度截止角,一般在8~15之内做调整。假如输入12,意思就是在12角度以下的卫星不参与定位)。→确定→等待弹出设置成功后,观察基站差分灯和电台收发灯是否一秒闪烁一次。闪灯,进入第7步,不闪,查找原因(一般导致不闪灯的原因:坐标解算错误或已知点坐标输入错误等)。
7、菜单→断开GPS

步骤四:设置移动台
同样方法使用手簿连接移动台。
8、菜单→移动站设置→(如使用电台为内置电台,频道改为和外挂电台同样即可;手机卡则为内置网络)→其他→差分电文格式(CMR)→确定(每次设置移动台时,注意差分电文格式CMR,确定时,差分电文格式必须为“CMR”!)(GGA是联合CORS的,不需要管)。
菜单→天线设置,弹出的界面中输入天线斜高(从对中点量至主机中间缝隙处)→应用。

步骤五:坐标换算(四参数+高程拟合)
9、到达欲参与求解参数的点位后,将对中杆放置水平,点击测量,进入测量界面。点击平滑采集按钮 采集坐标,输入点号,回车保存。同样采集其他欲求参数的实地坐标,采集3个控制点以上(线路必须在3个控制点范围之内,跟控制网一样)。如果有设计院提供的已知WGS84坐标,就不需要到现场采集控制点WGS84坐标,用移动台随意采集3个以上的控制点,分别输入提前选好的、欲参与参数计算的控制点点名。
10、将欲参与参数计算的控制点坐标添加进控制点库(添加的控制点,要求和现场采集的点是同一个点)。在测量界面,菜单→控制点库→ →输入点名和x、y、h(类型选择xyh)→对勾保存。同样添加其他控制点坐标。
11、参数→坐标系统→参数计算→计算类型选“四参数+高程拟合”-高程拟合模型选“固定差改正”→添加→“源点”点右边的 →记录点库中选择现场采集的控制点(如果不是在现场控制点采集的WGS84坐标,而是随意采集的点,则将其采集的WGS84坐标改为设计院提供的已知WGS84坐标)→“目标”点右边的 →在控制点库中选择与源点相对应的点→保存。同样的方法将其他参与参数解算的坐标点对添加进来。至少添加2组坐标以上的点对。
12、点击解算。观察比例缩放因子K是否接近于1(至少0.9999……或者1.0000……)平面和高程最大残差必须在2公分以内,以确保解算的精度→运用→核对参数无误后点击对勾,保存坐标系统,并且更新坐标点库。解算完后,用“坐标换算”复核几个控制点坐标。“坐标换算”在主界面→工具→菜单→坐标换算。上面选“BLH”,下面选“xyh”。在下面输入当地坐标(同样可以在上面输入WGS84坐标),点击按钮“↑”(或“↓”),得出WGS84坐标(或当地坐标),核对无误,OK!解算成功。

步骤六:碎部测量和点放样
13、点击测量。进入测量模式,到达采集的点位时,待解类型显示为“固定”时,点击按钮最右排小旗子 (快捷键“F2”),采集坐标,回车进行保存。点击菜单→记录点库或者点击左下角 ,查看记录点库。
14、点击菜单→点放样→左下角按钮 ,输入放样点坐标,或者输入点名后点击 从点库中查找,或者直接从点库 中选择点,对勾确定进行该点的放样。
15、道路测量详情请参照Hi-RTK说明书操作或致电中海达技术人员。

步骤七:内业数据传输。
在电脑上安装ActiveSync软件,打开手簿连接到电脑USB端口,如需驱动,可在中海达官网http://www.zhdgps.com下载专区中寻找GIS手持机驱动下载即可。
16、项目→项目信息→记录点库右下角按钮 →给定文件名,选择所需的文件类型→确定。
17、打开电脑上“我的电脑”→“移动设备” →NandFlash→Project→Road→项目名→Points→拷贝出所需数据文件。

附加问题:
1、 怎么新建椭球?
手薄和电脑连接后,打开“NandFlash→Hi-RTK→GeoPath” 将Ellipse文件复制到桌面,双击打开,输入椭球名和参数后,保存.将修改后的文件覆盖NandFlash→Hi-RTK→GeoPath里面的文件即可。
2、 怎么架设自由站?
架设自由站就是基站随意架设(即架设在未知点上),然后通过“点校验”来完成基站的架设。
将基站架在视野开阔且地势较高的地方,架设好后,连接基站→设置基站→平滑采集10次→确定(不需要输入仪器高,其他设置与架设在已知点上的设置相同)。
设置移动台按步骤四。
选个已知点,将对中杆放置已知点上,对中干放置水平(最好用东西支撑下,减小人为误差),进入Hi-RTK软件→参数→坐标系统→点校验→天线设置斜高2.07m→“计算”→输入已知点x,y,h→固定解,平滑采集十次→计算→自动跳入“结果”,复核结果无误后应用即可。
3、 一套参数在多少公里之内,精度是最佳的?超出范围怎么办?
一个项目一套参数最好在5-8公里之内。超出范围,点“点校验”,精度会提高。
4、 在有已知WGS84坐标的情况下,可以不去现场采集WGS84坐标,在家里做解算吗?
可以,如果有已知的WGS84坐标,不需要到实地采集WGS84坐标,也不需要架基站,只需用移动台,随意采集几个点,命名后保存。再重复“步骤四,第11点”。
5、 移动台里面的高度截止角有什么用?
高度截止角一般在8-15度以内做调整。正常情况下用12度,就是12度以下的卫星不参与定位。GPS没信号时,可以调整高度截止角来提高信号与精度。
6、 交点法、线元法的使用?
交点法,主界面→6.道路→菜单→平断面编辑→1.交点法→左下角按钮 添加→输入交点名称1、2、3……,交点X、交点Y等参数输完后,对勾保存。同样方法输入其它交点数据。输完一段线路后,点 保存(右下角往左,第三个按钮),待“平面设计线”窗口跳出来后,在空白框内输入线路的起止桩号,确定,OK!
线元法,主界面→6.道路→菜单→平断面编辑→2.线元法主界面→6.道路→菜单→平断面编辑→输入“起点”的X、Y、里程、方位角→点击左下角按钮 添加→选择你要输入的线型(直线、圆弧、缓和曲线)→输入参数,对勾“√”。同样方法输入其它线元数据。输完一段线路后,点 击 保存(右下角往左,第三个按钮),待“平面设计线”窗口跳出来后,在空白框内输入线路的起止桩号,确定,OK!
7、 怎么打开线路文件?
测量主界面→6.道路→点左下角按钮→平面→选择线路文件格式(线元文件.Sec,交点文件.PHI)→Points,选择你需要的文件→确定,OK!
附录:GPRS设置
将开通CMNET的移动手机卡(推荐使用全球通)安装在主机中。在设置基准站或者移动台界面中,点击数据链选项卡。
1、数据链选择“内置网络”
2、GPRS
3、运营商选择CMNET
4、服务器IP:202.96.185.34或者114.114.96.82
4、GPS在中建海外的应用前景
由于GPS具有综上所述的优点,随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展,公路设计软件已趋向智能化,现在代的公路设计软件要求建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链。减少数据转抄,输入等中间环节是公路勘测设计一体化的要求。勘测技术的进步在于设备的引进和技术的改造。用GPS静态或快速静态方法建立沿线的总体控制网,为勘测阶段测量带状地形图,路线的平纵横测量提供了依据。实时的动态测量系统RTK,是由基站和移动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证。其原理就是取点位精度较高的首级控制点做为基准点,并安置一台接收机做为基站,对卫星进行连续的观测。移动站在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算出根据相对定位原理的三维坐标和测量精度,用户可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标来确定观测时间,从而减少多余观测。RTK技术在基站架设时应在空旷接收信号好的地方,移动站需要在两个控制点上静止观测几分钟,以便进行初始化的坐标转换工作,之后移动站就可以按需要放样或采集三维坐标,每个点的采集只需要二三秒钟,精度就可以达到厘米级。且整个测量过程不需要通视,有点常规测量不可比拟的优点。在完成相同的工作条件下,节省了劳动力的数量,节省了资金,缩短了前期测量的工期。随着科学技术的进步,GPS的作用正在引起许多行业的巨大变革。相信在未来的几十年里,GPS将不断的引导测量技术的发展,并且会渗透入测量的各个领域。相信在不远的将来,智能GPS机器人,必将解放测量人员的双手,由它来代替我们完成测量方面的各项工作,以及许多人类不可能完成的任务。
综上所述,GPS在中建海外工程测量工程中应用前景广阔。


参考书籍:1、《GPS测量 》 高成发编著 黄鹤年主审
2、《GPS 测量的原理和应用》 《土木工程测量》同济大学出版社
3、《中海达RTK外业操作》

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