10第十章GPS应用.

第十章GPS应用中国矿业大学环境与测绘学院王坚全球卫星定位导航系统的应用10.1GPS在大地控制测量中的应用10.1.1概述GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了常规测角、测距手段建立大地控制网。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里，其中主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。GPS测量外业观测GPS测量外业观测10.1.2全球或全国性的高精度GPS网1、GPSA级网的建立作为大地测量的科研任务是研究地球的形状及其随时间的变化，因此建立全球覆盖的坐标系统之一的高精度大地控制网是大地测量工作者多年来一直梦寐以求的。直到空间技术和射电天文技术高度发达，才得以建立跨洲际的全球大地网，但由于VLBI、SLR技术的设备昂贵且非常笨重，因此在全球也只有少数高精度大地点，直到GPS技术逐步完善的今天才使全球覆盖的高精度GPS网得以实现，从而建立起了高精度的（在1~2cm）全球统一的动态坐标框架，为大地测量的科学研究及相关地学研究打下了坚实的基础。1991在全球范围内建立一个IGS（国际GPS地球动力学服务）观测网，并于1992年6-9月间实施了第一期会战联测，我国多家单位合作，在全国范围内组织了一次盛况空前“中国’92GPS会战”，目的是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代的地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数；以优于10-8量级的相对精度确定站间基线向量，布设成国家A级网，作为国家高精度卫星大地网的骨架，并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础。建成后的国家A级网共由28个点组成，经过精细的数据处理，平差后在ITRF91地心参考框架中的点位精度优于0.1m，边长相对精度一般优于1×10-8,随后在1993年和1995年又两次对A级网点进行了GPS复测，其点位精度已提高到厘米级，边长相对精度达3×10-9.2、GPSB级网的建立做为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家A级网的基础上建立了国家B级网（又称国家高精度GPS网）。布测工作从1991年开始，经过5年努力完成外业工作，内业计算已基本完成，不日将公布使用。全网基本均匀布点，覆盖全国，共布测818个点左右，总独立基线数2200多条，平均边长在我国东部地区为50km，中部地区为100km，西部地区为150km，经整体平差后，点位地心坐标精度达±0.1m，GPS基线边长相对中误差可达2.0×10-8,高程分量相对中误差为3.0×10-8。新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架，将在国民经济建设中发挥越来越重要的作用。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统天文大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统天文大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免的缺点。通过求定A、B级GPS网与天文大地网之间的转换参数，建立起了地心参考框架和我国国家坐标的数学转换关系，从而使国家大地点的服务应用领域更宽广。利用A、B级GPS网的高精度三维大地坐标，并结合高精度水准联测，从而大大提高了确定我国大地水准面的精度，特别是克服我国西部大地水准面存在较大系统误差的缺陷。10.1.3区域性GPS大地控制网所谓区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的的特点是控制区域有限（或一个市或一个地区），边长短（一般从几百米到20km），观测时间短（从快速静态定位的几分钟至一两个小时）。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，建立区域大地控制网的手段我国已基本被GPS技术所取代。就其作用而言分为建立新的地面控制网；检核和改善已有地面网；对已有的地面网进行加密；拟合区域大地水准面。1.建立新的地面控制网尽管我国在70年代以前已布设了覆盖全国的大地控制网，但由于人为的破坏，现存控制点已不多，当在某个区域需要建立大地控制网时，首选方法就是用GPS技术来建网。2.检核和改善已有地面网对于现有的地面控制网由于经典观测手段的限制，精度指标和点位分布都不能满足国民经济发展的需要，但是考虑到历史的继承性，最经济、有效的方法就是利用高精度GPS技术对原有老网进行全面发行合理布设GPS网点，并昼与老网重合，再把GPS数据和经典控制网一并联合平差处理，从而达到对老的检核和改善的目的。3.对老网进行加密对于已有的地面控制网，除了本身点位密度不够以外，人为的破坏也相当严重，为了满足基本建设的急需，采用GPS技术对重点地区进行控制点加密是一种行之有效的手段。布设加密网时要尽量和本区域的高等级控制点重合，以便较好地把新网同老网匹配好，从而避免控制点误差的传递。4.拟合区域大地水准面GPS技术用于建立大地控制网，在确定平面位置的同时，能够以很高的精度确定控制点间的相对大地高差，如何充分利用这种高差信息是近几年许多学者热烈讨论的一个话题。由于地形图测绘和工程建设者依据水准高程，因此必须把GPS测得的大地高差以某种方式转化成水准高差，才便于工程建设使用。通常的方法是：采用一定密度及合理分布的GPS水准高联测点（即GPS点上联测水准高程），用数学手段拟合区域大地水准面。利用区域地球重力场模型来改化GPS大地高为水准高。10.2GPS在精密工程测量及变形监测中的应用精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级精密为目的的工程测量工作。随着GPS系统的不断完善，软件性能不断改进，目前GPS已可用于精密工程测量和工程变形监测。10.2.1GPS用于建立精密工程控制网的可行性目前我国精密工程控制网，一般都用ME5000测距仪和T3精密光学经纬仪来施测。为研究用GPS来建立精密工程控制网的可行性，武汉测绘科技大学在某山区水利工程布设了如图10-1所示的精密工程控制网。该网由5个点组成，每点都建立水泥墩，设有强制对中装置。试验网最长边为1313.5m，最短边长为359.5m，平均为701.3m。试验时先用ME5000测边，用T3测角，然后用GPS施测。接收机采用TurboRogueSNR-8000，时段长为2小时，用GAMIT软件、精密星历解算，起算点WGS-84坐标通过与武汉测绘科技大学跟踪站联测求出。经平差计算，求出全网各边的长及点位坐标，结果见表10-1和表10-2。由表10-1可看出，GPS测出的边长与ME5000测出的同一条边长较差中误差为±0.34mm，其中较差ΔS有正有负，无系统性差异。从表10-2可看出，GPS测出20点位坐标与用ME5000和T3求出的点位坐标较差中误差为±0.29mm,其中较差δ有正、有负，也无系统性差异，从而可认为，完全可用GPS来建立精密工程控制网。表10-1GPS网与边角网边长比较表边名SGPSSME5000ΔS2-3466244.1466244.3-0.22-4652860.9652861.4-0.54-5642664.7642664.3+0.42-5748678.5748678.8-0.31-51313474.21313470.5-0.31-41178112.51178112.4+0.13-5359343.8359344.0-0.21-2582651.0582650.7+0.33-4359894.2359893.7+0.5表10-2GPS网与边角网点位坐标比较表点号平面坐标GPS(m)平面坐标ME5000+T3(m)差值σ（mm）4x=1417.2750x=812.93881417.2747812.9388+0.30.03x=1092.8954y=968.828910.92.8957968.8289-0.30.02x=1189.8049y=1424.89041189.80441424.8908+0.5-0.41x=1337.9964y=1988.38081337.99671988.3807-0.3+0.15x=774.7064y=801.8232774.7066801.8229-0.2+0.3长江水利委员会综合勘测局，也进行了由10个点18条边组成的GPS测量与高精度大地测量对比试验，GPS施测时采用SOKK1AGSS1A单频接收机，使用广播星历和随机软件，结果为：mx=±mm。my=±2.4mm，mH=6.5mm。这说明单频GPS接收机也可用于水利工程施工控制网的建立。10.2.2GPS用于工程变形监测的可行性10.2.3隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统隔河岩水库位于湖北省长阳县境内，是清江中游的一个水利水电工程——隔河岩水电站。隔河岩水电站的大坝为三圆心变截面重力拱坝，坝长653m，坝高151m。隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统于1998年3月投入运行，系统由数据采集、数据传输、数据处理三大部分组成。隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统德国的一个车辆导航系统德国的一个车辆导航系统用该车辆导航系统重新生成的道路图GPS在地球动力学及地震研究中的应用GPS在地球动力学中的应用，主要是用GPS来监测全球和区域板块运动，监测区域和局部地壳运动，从而进行地球成因及动力机制的研究。武汉测绘科技大学，利用云南滇西两期GPS监测资料，反演红河断裂带低下断层活动模式，对1996年云南丽江地震作了较为准确地中期预报，其位置误差为27km，震源深度误差为0～6km，震级完全准确。揭示了用GPS监测资料做中期地震预报可能性。GPS地壳形变观测GPS地壳形变观测太阳能电池GPS在气象中的应用GPS的一个重要的应用领域就是气象学研究。利用GPS理论和技术来遥测地球大气，进行气象学的理论和方法研究，如测定大气温度及水汽含量，监测气候变化等，叫GPS气象学（GPS/MET）。GPS气象学的研究始于80年代后期，最先在美国起步，在美国取得理想的试验结果后，在其他国家如日本也逐步开始GPS在气象中的应用。GPS在气象中的应用根据GPS/MET观测站的空间分布来分类，可以分为两大类：※地基GPS气象学※空基GPS气象学GPS/MET探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。对它的研究将给天气预报、气候和全球变化监测等领域产生深刻的影响。GPS探风系统GPS气象观测仪器GPS气象观测仪器GPS在其他领域中的应用GPS在军事、精细农业、林业管理、旅游和野外考察中都有广泛的应用军事上的应用协同作战方面GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点导弹的制导，提高命中目标的精度美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从1600公里的地方准确打击一个小房子的目标。搜索、救援人员野外定位在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主要靠导航卫星进行定位，知道自己在什么地方GPS在精细农业中的应用GPS在精细农业中的应用GPS在旅游中的应用手机GPS导航GPS在旅游中的应用市话网市话网市话网市话网市话网深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem