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關鍵詞;市政工程 GPS 技術,測量
中圖分類號:P228.4 文獻標識碼:A 文章編號:
如今GPS 技術在工程應用中更加普及,比如礦山測量,交通土建選線,城市建設等等。但是GPS 由于布設價格的昂貴,所以不會被大范圍應用到一般的土建和交通建設中,它只是作為提供控制用,例如:在工程建設開始階段,交付幾個GPS 控制點,作為導線和三角網的基線,由它們向外擴展,用全站儀引出加密點或是作為靜態的GPS 基線,配合RTK 來進行動態圖籍測繪。但是在90 年代以后,平面控制測量基本都被GPS取代。
1、GPS技術概述
GPS定位是以GPS 衛星和用戶接收天線之間的距離為基本觀測量,根據已知的衛星瞬時坐標,確定用戶天線所對應的位置,其實質是空間距離后方交會。在一個測站上只需3個獨立距離觀測量。GPS 采用的是時差測距原理,即通過測量GPS 信號從衛星傳播到用戶接收機的時間差計算距離,由于衛星鐘與用戶接收機鐘不同步,因此,觀測的測站至衛星間的距離稱為偽距。衛星鐘差可以通過衛星導航電文提供的鐘差參數修正,接收機鐘差難以預先準確確定,可將其作為未知參數與觀測站坐標在數據處理中一并解出。在一個測站上,除了三個待定位置參數外,還需要增加一個接收機鐘差參數,因而至少應有4個同步偽距觀測量,即至少必須同步觀測4顆GPS 衛星。
GPS 技術相對于其他的定位、測量技術,其技術優勢是很明顯的,主要表現在以下幾個方面:
1.1 功能多、用途廣。
GPS 系統不僅可用于測量、導航,還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1 m/s,測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領域不斷擴大。
1.2 定位精度高。
GPS 可為各類用戶連續提供動態目標的三維(立置、三維速度及時間信息)。隨著GPS定位技術及數據處理技術的發展,其精度還將進一步提高。
1.3 實時定位。
利用GPS 進行導航,既可實時確定運動目標的三維位置和速度,由此可實時保障運動載體沿預定航線運行,亦可選擇最佳航線。特別是對軍事上動態目標的導航,具有十分重要的意義。
2、GPS 的定位方式
按定位方式,GPS 定位分為單點定位和相對定位(差分定位),單點定位就是根據一臺接收機的觀察數據來確定接收機位置的方式,它只能采用偽距觀測量,可用于車船等的概略導航定位.相對定位(差分定位)是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法,它既可采用偽距觀測量也可采用相對觀測量,大地測量或工程測量均應采用相位觀測值進行相對定位,對常規測量而言相對測地定位是主要的應用方式, 而按照用戶天線可分為動態定位和靜態定位。
2.1 動態定位
在定位觀測時,若載體上的接收機在跟蹤GPS 衛星的過程中相對于地球表面運動,接收機用GPS 信號實時的測得運動載體的狀態參數,則稱為動態定位。動態定位的特點:逐點測得,多余觀測量少,精度較低。依目前GPS 定位的精度動態定位可分為:a. 20m左右的低精度定位,如用于車船等概略導航定位的偽距單位定位;b. 5m 左右的中等精度定位,如用于城市車輛導航定位的米級精度的偽距差分定位;c. 厘米級的高精度的定位,如用于測量放樣等的厘米級的相位差分定位(RTK),其中實時差分定位需要數據將兩個或多個站的觀測數據實時傳輸到一起計算。
2.2 靜態定位
在定位觀測時,若接收機在跟蹤GPS 衛星的過程中相對于地球表面靜止,則稱為靜態定位。接收機高精度的測量GPS 信號的傳播時間,聯合GPS 衛星在軌的已知位置,從而解算出固定不動的接收機所在位置的三維坐標。靜態定位的特點;多余觀測量大,定位精度高,可靠性強,在進行控制網觀測時,一般均采用這種方式由幾臺接收機同時觀測,它能最大限度地發揮GPS 的定位精度。
3、GPS在市政工程測量中的應用
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。其含義是導航衛星測時測距/全球定位系統。
GPS是全球性的衛星定位和導航系統,能夠提供連續的實時的位置、速度和時間信息。整個系統包括空間(衛星)、地面控制站和用戶(接收機)三個部分。它具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的精密三維導航與定位功能,而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此,GPS技術率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到應用,并在軍事、交通、通信、資源、管理等領域展開了研究并得到廣泛應用。下面是GPS在市政工程中的應用實例。本工程為某工業園工程,該工業園屬于一個比較方方正正的地形,由于工業園里有很多樹,而且通視比較困難,工期比較急,考慮種種因素,決定采用GPS測量。
3.1 GPS測量的技術設計
(1)設計依據
GPS測量的技術設計主要依據1999年建設部的行業標準《城市測量規范》和應采用的《全球定位系統城市測量技術規程》及工程測量合同有關要求制定的。
(2)設計精度
根據工程需要和測區情況而定。
(3)設計基準和網形
控制網共6個點,其中聯測已知平面控制點2個。采用4臺GPS接收機觀測,網形布設成邊連式,等級為一級。
(4)觀測計劃
根據GPS衛星的可見預報圖和幾何圖形強度(空間位置因子PDOP),選擇最佳觀測時段(衛星多于4顆,且分布均勻,PDOP值小于6),并編排作業調度表。
3.2 GPS測量的外業實施
(1)選點
GPS測量測站點之間不要求一定通視,圖形結構也比較靈活。因此,點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性,并顧及后續測量,選點時應著重考慮:①每點最好與某一點通視,以便后續測量定向使用;②點周圍高度角15。以上,不要有障礙物,以免信號被遮擋或吸收;③點位要遠離大功率無線電發射源、高壓電線等,以免電磁場對信號的干擾;④點位應選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方;⑤選點結束后,按要求埋設標石,并填寫點記之。
(2)觀測
根據GPS作業調度表的安排進行觀測,采取靜態模式定位,衛星高度角≥15。,時段長度45min,采樣間隔10s。在4個點上同時安置4臺接收機天線(對中、整平、定向),量取天線高,測量氣象數據,開機觀察,當各項指標達到要求時,按接收機的提示輸入相關數據,則接收機自動記錄,觀測者填寫測量手簿。
3.3 GPS測量的數據處理
GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段,基線解算采用隨機軟件,網平差采用武測寶威GPS―Adj3.0軟件完成。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后,得到GPS控制點的二維坐標,其各項精度指標符合技術設計要求。
4、結束語
GPS 技術的發展日新月異,包括GPS衛星靜態和RTK都深入到生產生活中,隨著GPS,GIS,RS及其他科學的不斷相互滲透,它的應用也將越來越廣泛。這里也有我們需要注意的,GPS由于參數設定的問題,在測量高程是產生的誤差也是很大的,這個跟球體有關。總的來說現在的GPS 可以用在,土建,交通,地籍測繪,海洋測繪,國土資源,城市規劃,空間測量,急救等等領域,是一種多元化學科,以后的發展會更加的廣闊。
參考文獻:
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關鍵詞:移動雷達;應急通信;衛星通信
Thesatellitecommunicationofmobilemeteorologicalradarsystem
DouYiwen(BeijingmeteorologicalBureau,Beijing100089)
Abstract:Inordertotranslatemobileradar'sdatatoserverofBeijingmeteorologicalBureau.Thistextcomparedadvantagesanddisadvantagesofwirelesscommunication'smethod.Theaboveanalysisnaturallyleadsustothesystemofthesatellitecommunicationcreated.Theresultsshows:thesystemcansatisfythecommunicationrequirementofmobileradar.Thesystemhasagoodexampleforcreatingemergencycommunication.
Keywords:Mobileradar;Emergencycommunication;Satellitecommunication
1引言
隨著氣象信息自動采集的不斷發展,自動采集數據越來越成為氣象信息采集的主流。新一代天氣雷達系統,可以進行較大范圍降水的定量估測,獲取降水和降水云體的風場信息等,在短時災害性天氣預報和應急服務中發揮巨大的作用,特別是對風害和冰雹相伴隨的災害性天氣的監測和預警[1]。為了把移動雷達實時數據傳輸到北京市氣象局,通信方式的選擇成為信息采集的重要環節,目前氣象應用通信方式有很多種。如CDMA/GPRS/3G、北斗衛星、無線局域網(WLAN)、專線等,還有下面要討論的基于亞洲衛星通信線路。移動雷達對通信的主要需求是網絡質量可靠;帶寬至少要達到雙向2Mbps;移動雷達采集數據地點不固定。如何滿足移動雷達的要求是本系統需要解決的問題。
2通信方案的設計
2.1氣象信息傳輸通信方式對比分析
目前氣象應用通信方式有很多種,如CDMA/GPRS/3G、北斗衛星、無線局域網(WLAN)、專線等。由于天氣雷達數據量大,要求網絡質量高,固定地點天氣雷達的數據傳輸一般都是利用專線傳輸。表1是常用無線通信方式傳輸氣象數據的對比。無線局域網傳輸距離短,安全性差,一般只能作為數據的傳輸中繼;北斗衛星是我國自主研制的衛星導航定位系統,安全性高,用于傳輸字節少如自動站等的數據比較適合;CDMA/GPRS,運行成本低,但是其通信速率要求低,不能滿足雷達數據傳輸要求;3G下行速率理論值是2.8Mbps,實際傳輸效果沒有達到此值,而且網絡質量與基站覆蓋有很大關系。天氣雷達如果地點固定,而且在市內或縣城內,使用專線較好,有充足的時間建立專線的話,應用2Mbps專線傳輸雷達數據是一種好的選擇。衛星通信作為天氣雷達數據的備份是一種最佳選擇,因為它的網絡帶寬、移動性、實時性、開通周期等方面都能滿足要求。
2.2衛星通信特點分析
衛星通信是以人造通信衛星作為中繼的一種微波通信方式。衛星通信的優點:通信距離遠,建設成本與通信距離無關;不受地理環境影響;廣播方式,衛星覆蓋區域內的任何點可實現通信;通信容量大;可自發自收。衛星通信的缺點:信號極弱(毫微微瓦級),對技術和設備的要求較高;時延;多址問題;存在單一故障點;雨衰。
3衛星通信的應用
綜合考慮雷達數據傳輸的速率在2Mbps以上,支持視頻、移動、應急等方面的要求,選擇亞洲衛星通信是本系統的最佳選擇。本系統采用等效口徑為0.95m的偏饋型橢圓拋物面天線,天線面使用四片碳化纖維面板組成。天線系統工作在Ku頻段。天線控制系統內置高性能信標接收機,可在5分鐘內自動對星,通過對中衛一號、亞洲二號、亞洲三號、亞洲四號四個衛星兩種極化方式的上百次測試,尋星準確率100%,配置40W功放時具備傳輸速率大于等于3Mbps,保證傳輸速率大于等于2.048Mbps,完全具備傳輸多路話音、2路視頻圖像、2路數據的業務能力。圖1就是本系統建立的移動雷達衛星網絡結構圖。從圖中可以看到移動雷達系統采集數據到數據處理服務器(192.168.3.5/24)或模擬語音經過語音網關,通過網絡交換機和IP加速器(192.168.3.3/24),由調制設備(192.168.3.2/24)調制信號傳輸到衛星,再由衛星接收站傳送到地面,通過調制解調器(192.168.3.10/24)和IP加速器(192.168.3.11/24)指向路由器(192.168.3.1/24,192.168.2.1/24),由路由器轉發到防火墻(192.168.1.1/24),在防火墻上作語音網關和數據服務器NAT地址轉換。最后在服務器(192.168.2.254/24)上可以看到雷達系統上傳的數據,在電話終端上可以進行語音通話。這個網絡是雙向的,不僅數據可以雙向傳輸,而且在北京市氣象局可以監控到衛星通信系統的狀態。本系統因為經費有限,建立了電話通信模式,并留有視頻接口。
圖1移動雷達衛星網絡結構圖
4結論
本系統采用的亞洲衛星通信系統具有一鍵對星功能,天線能夠自動展開/收藏,自動定位、自動捕獲和自動跟蹤衛星,5分鐘內完成尋星任務并建立衛星通訊鏈路。在傳輸速率、網絡安全、天線對星時間、網絡接口、應急通信等方面都能滿足實時雷達傳輸數據的要求。
致謝:國家氣象信息中心網絡室和視頻與衛星室、西安瑞興通信有限公司、北京市人工影響天氣辦公室、北京市氣象信息中心、北京市大氣探測技術保障中心在系統建設中給予的大力支持。
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