GPS面积测量仪的研发原理及应用技巧
来源： http://www.grainyq.com/ 类别：实用技术 更新时间：2013-02-21 阅读次
【本资讯由中国粮油仪器网提供】 全球定位系统GPS面积测量仪是美国从20世纪70年代开始研制，历时20多年，耗资200×108美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时3维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS面积测量仪的全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
GPS面积测量仪的基本组成和工作原理：全球定位系统(GPS面积测量仪)主要由三大部分组成：空间星座部分，地面监控部分和用户设备部分。1)空间星座部分：全球定位系统(GPS面积测量仪)的空间星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面有4个。GPS面积测量仪卫星迄今已设计了3代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5a，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7．5a，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。2)地面监控部分：GPS面积测量仪的地面控制系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站的作用是根据各监控站对GPS面积测量仪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；监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态；注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS面积测量仪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。3)用户设备部分：用户部分由GPS面积测量仪接收机、计亩器、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS面积测量仪卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻、便于携带的GPS面积测量仪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。
GPS面积测量仪的工作原理：GPS面积测量仪系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置某点P架设GPS面积测量仪接收机，在某一时刻t同时接收了3颗(A，B，C)以上的GPS面积测量仪卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS面积测量仪接收机至GPS面积测量仪卫星的距离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(3维坐标)。应用实例：测区位于北纬31°11'，东经121°29'，交通方便，行政隶属于上海上海新区花木镇管辖。镇区内交通网络纵横，其时，新国际博览中心、磁悬浮列车工程(花木至上海国际机场段)正在抓紧施工和准备中。该工程位于杨高南路和花木路的交界处，东临锦康路，北接锦严路。控制点在4km左右的两幢大楼的屋顶上，考虑到工期较紧，测区利用前方交会通视也困难等因素，决定采用GPS面积测量仪静态测量。
采用的仪器设备：作业采用的仪器设备：LOCUS型双频接收机3台(包括主机、脚架、基座、连接线等)，其精度为5mm±1×10－6。GPS面积测量仪测量的外业实施：选点，GPS面积测量仪测量站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS面积测量仪测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑以下因素：
1)点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；2) 计亩器的点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；3)点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；4)选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。为了方便测量，本次项目选点分别选在视野开阔的两条马路交叉路口。观测，根据GPS面积测量仪作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10s。两台GPS面积测量仪分别架设在兴荣家园8－9号和富都花园5号楼的屋顶(其点号分别为G3315和G3319)，另外一台架设在J1号点上，在这3个点上同时安置3台接收机天线(对中、整平、定向)，量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，填写测量手簿。45min后，将架设在J1点的GPS面积测量仪接收机转到J2点上，再同步观测45min(如图1所示)。
关机：记录关机时间，再次量取天线高，和开机前量取的天线高比较，两次误差≤3mm，记录在手簿上，若两次量取的天线高误差≤3mm，取其平均值，作为最后天线高，若两次天线高误差超限，查明原因，记录在手簿上。
GPS面积测量仪测量的数据处理：GPS面积测量仪网数据处理主要分为基线解算和网平差两个阶段，采用AshtechSolution软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS面积测量仪控制点的3维坐标，其具体操作步骤如下：1)启动AshtechSolution软件，建立项目并且设定工程名“上海地块”，加入原始数据，首先进行基线解算，并进行无约束平差。2)选中菜单Project下拉菜单Setting项，屏幕上出现ProjectSettings对话框，选中CoordinateSystem。3)在卡页中的System下拉菜单中选择localGrid。4)在localGrid下拉菜单中选择New，并单击其右边的方块按扭，出现LocalGridSystemDefinition对话框。5)在Name中输入自定义坐标系名称。6)在BaseGrid下拉菜单中选择New，然后单击其右面的方块按扭，出现GridSystemDefinition对话框。7)在SystemName中输入基准坐标系系统名。8)在Zone下拉菜单中选New，并单击其右边的方块按扭，出现ZoneDefinitionDialog对话框。9)在Name中输入基准坐标系统投影方式的自定义名称，其中Geodetic项Projection项不作更改，接下来的1～5的参数作如下处理：①LongitudeOfCentermeridion中输入中央子午线经度为121°0'00．00″E。②ScalfactoratCentralmeridion中输入尺度比为1.00000。③其余三项不作更改，输入完成后按OK，退回GridSystemDefinition对话框，再点击OK退回到localGridSys-temDefinition对话框，并单击下面的Estimate按钮，出现localGridTransformationParametesEstimate对话框。10)在SiteID中选择控制点名，在localCoordinate下面表格中输入地方坐标系，且在On下的方块上点击标钩。11)将两个控制点坐标输入(G3319：纵坐标X=－2290．000m，横坐标Y=5500．131m；G3315：纵坐标X=－5731．400m，横坐标Y=4472．119m)完成后，单击Caculate计算转换参数。12)单击OK退回，再OK退回ProjectSettings对话框，再按确定。13)接下来即可进行约束平差。14)生成报告(见表1)。
根据我公司实测坐标，利用面积计算软件算得实测面积为：S=62897．9m2，与房地局面积之差值2．1m2，符合国家标准《房产测量规范》(GB/T17986．1－2000)的面积限差要求。
通过对本次测量过程和结果的分析可对GPS面积测量仪测量技术作以下结论：1)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难题之一。GPS面积测量仪测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%～50%)，同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过，GPS面积测量仪测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔(净空)，以使接受GPS面积测量仪卫星的信号不受干扰。即使在高耸入云的屋顶也可以灵活运用，如本文中的两幢大楼的控制点。2)定位精度高：现已完成的大量实验表明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1～2×10－6，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，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10－8。3)观测时间短：利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1～3h。4)3维坐标：GPS面积测量仪测量，在精确测定观测站平面位置的同时，还可以精确测定观测站的大地高程。5)操作简便：GPS面积测量仪测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS面积测量仪用户接收机一般重量较轻、体积较小，因此携带和搬运很方便。6)全天候作业：GPS面积测量仪观测工作，可以在任何地点，也可以结合农机作业面积测量仪进行使用，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。7)也存在着一些不利因素：GPS面积测量仪由于仪器价格的昂贵，所以不会被大范围应用到一般的土建和交通建设中，它只是作为前期工程提供控制用。在影响GPS面积测量仪卫星信号接收的遮蔽地带只能用全站仪或其他的测量工具，以弥补GPS面积测量仪的不足。如本例中的上海地块面积测量引测基点，由它们向外扩展，用全站仪引出加密点。但随着科学的发展，GPS面积测量仪技术应用前景将更加广阔。
GPS面积测量仪的基本组成和工作原理：全球定位系统(GPS面积测量仪)主要由三大部分组成：空间星座部分，地面监控部分和用户设备部分。1)空间星座部分：全球定位系统(GPS面积测量仪)的空间星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面有4个。GPS面积测量仪卫星迄今已设计了3代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5a，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7．5a，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。2)地面监控部分：GPS面积测量仪的地面控制系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站的作用是根据各监控站对GPS面积测量仪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；监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态；注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS面积测量仪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。3)用户设备部分：用户部分由GPS面积测量仪接收机、计亩器、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS面积测量仪卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻、便于携带的GPS面积测量仪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。
GPS面积测量仪的工作原理：GPS面积测量仪系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置某点P架设GPS面积测量仪接收机，在某一时刻t同时接收了3颗(A，B，C)以上的GPS面积测量仪卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS面积测量仪接收机至GPS面积测量仪卫星的距离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(3维坐标)。应用实例：测区位于北纬31°11'，东经121°29'，交通方便，行政隶属于上海上海新区花木镇管辖。镇区内交通网络纵横，其时，新国际博览中心、磁悬浮列车工程(花木至上海国际机场段)正在抓紧施工和准备中。该工程位于杨高南路和花木路的交界处，东临锦康路，北接锦严路。控制点在4km左右的两幢大楼的屋顶上，考虑到工期较紧，测区利用前方交会通视也困难等因素，决定采用GPS面积测量仪静态测量。
采用的仪器设备：作业采用的仪器设备：LOCUS型双频接收机3台(包括主机、脚架、基座、连接线等)，其精度为5mm±1×10－6。GPS面积测量仪测量的外业实施：选点，GPS面积测量仪测量站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS面积测量仪测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑以下因素：
1)点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收；2) 计亩器的点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰；3)点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方，以便观测和日后使用；4)选点结束后，按要求埋设标石，并填写点之记。为了方便测量，本次项目选点分别选在视野开阔的两条马路交叉路口。观测，根据GPS面积测量仪作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10s。两台GPS面积测量仪分别架设在兴荣家园8－9号和富都花园5号楼的屋顶(其点号分别为G3315和G3319)，另外一台架设在J1号点上，在这3个点上同时安置3台接收机天线(对中、整平、定向)，量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，填写测量手簿。45min后，将架设在J1点的GPS面积测量仪接收机转到J2点上，再同步观测45min(如图1所示)。
关机：记录关机时间，再次量取天线高，和开机前量取的天线高比较，两次误差≤3mm，记录在手簿上，若两次量取的天线高误差≤3mm，取其平均值，作为最后天线高，若两次天线高误差超限，查明原因，记录在手簿上。
GPS面积测量仪测量的数据处理：GPS面积测量仪网数据处理主要分为基线解算和网平差两个阶段，采用AshtechSolution软件完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS面积测量仪控制点的3维坐标，其具体操作步骤如下：1)启动AshtechSolution软件，建立项目并且设定工程名“上海地块”，加入原始数据，首先进行基线解算，并进行无约束平差。2)选中菜单Project下拉菜单Setting项，屏幕上出现ProjectSettings对话框，选中CoordinateSystem。3)在卡页中的System下拉菜单中选择localGrid。4)在localGrid下拉菜单中选择New，并单击其右边的方块按扭，出现LocalGridSystemDefinition对话框。5)在Name中输入自定义坐标系名称。6)在BaseGrid下拉菜单中选择New，然后单击其右面的方块按扭，出现GridSystemDefinition对话框。7)在SystemName中输入基准坐标系系统名。8)在Zone下拉菜单中选New，并单击其右边的方块按扭，出现ZoneDefinitionDialog对话框。9)在Name中输入基准坐标系统投影方式的自定义名称，其中Geodetic项Projection项不作更改，接下来的1～5的参数作如下处理：①LongitudeOfCentermeridion中输入中央子午线经度为121°0'00．00″E。②ScalfactoratCentralmeridion中输入尺度比为1.00000。③其余三项不作更改，输入完成后按OK，退回GridSystemDefinition对话框，再点击OK退回到localGridSys-temDefinition对话框，并单击下面的Estimate按钮，出现localGridTransformationParametesEstimate对话框。10)在SiteID中选择控制点名，在localCoordinate下面表格中输入地方坐标系，且在On下的方块上点击标钩。11)将两个控制点坐标输入(G3319：纵坐标X=－2290．000m，横坐标Y=5500．131m；G3315：纵坐标X=－5731．400m，横坐标Y=4472．119m)完成后，单击Caculate计算转换参数。12)单击OK退回，再OK退回ProjectSettings对话框，再按确定。13)接下来即可进行约束平差。14)生成报告(见表1)。
根据我公司实测坐标，利用面积计算软件算得实测面积为：S=62897．9m2，与房地局面积之差值2．1m2，符合国家标准《房产测量规范》(GB/T17986．1－2000)的面积限差要求。
通过对本次测量过程和结果的分析可对GPS面积测量仪测量技术作以下结论：1)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难题之一。GPS面积测量仪测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%～50%)，同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过，GPS面积测量仪测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔(净空)，以使接受GPS面积测量仪卫星的信号不受干扰。即使在高耸入云的屋顶也可以灵活运用，如本文中的两幢大楼的控制点。2)定位精度高：现已完成的大量实验表明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1～2×10－6，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，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10－8。3)观测时间短：利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1～3h。4)3维坐标：GPS面积测量仪测量，在精确测定观测站平面位置的同时，还可以精确测定观测站的大地高程。5)操作简便：GPS面积测量仪测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS面积测量仪用户接收机一般重量较轻、体积较小，因此携带和搬运很方便。6)全天候作业：GPS面积测量仪观测工作，可以在任何地点，也可以结合农机作业面积测量仪进行使用，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。7)也存在着一些不利因素：GPS面积测量仪由于仪器价格的昂贵，所以不会被大范围应用到一般的土建和交通建设中，它只是作为前期工程提供控制用。在影响GPS面积测量仪卫星信号接收的遮蔽地带只能用全站仪或其他的测量工具，以弥补GPS面积测量仪的不足。如本例中的上海地块面积测量引测基点，由它们向外扩展，用全站仪引出加密点。但随着科学的发展，GPS面积测量仪技术应用前景将更加广阔。
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