GPS課件第十章GPS應(yīng)用

第十章GPS應(yīng)用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用10.1GPS在大地控制測(cè)量中的應(yīng)用

10.1.1概述GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測(cè)量中。時(shí)至今日，可以說GPS定位技術(shù)已完全取代了常規(guī)測(cè)角、測(cè)距手段建立大地控制網(wǎng)。我們一般將應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng)。歸納起來大致可以將GPS網(wǎng)分為兩大類：一類是全球或全國(guó)性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其中主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架或全國(guó)高精度坐標(biāo)框架，為全球性地球動(dòng)力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研究地區(qū)性的板塊運(yùn)動(dòng)或地殼形變規(guī)律等問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)GPS網(wǎng)，GPS工程網(wǎng)等，這這類網(wǎng)中的相鄰點(diǎn)間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務(wù)是直接為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。GPS測(cè)量外業(yè)觀測(cè)GPS測(cè)量外業(yè)觀測(cè)10.1.2全球或全國(guó)性的高精度GPS網(wǎng)1、GPSA級(jí)網(wǎng)的建立作為大地測(cè)量的科研任務(wù)是研究地球的形狀及其隨時(shí)間的變化，因此建立全球覆蓋的坐標(biāo)系統(tǒng)之一的高精度大地控制網(wǎng)是大地測(cè)量工作者多年來一直夢(mèng)寐以求的。直到空間技術(shù)和射電天文技術(shù)高度發(fā)達(dá)，才得以建立跨洲際的全球大地網(wǎng)，但由于VLBI、SLR技術(shù)的設(shè)備昂貴且非常笨重，因此在全球也只有少數(shù)高精度大地點(diǎn)，直到GPS技術(shù)逐步完善的今天才使全球覆蓋的高精度GPS網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，從而建立起了高精度的（在1~2cm）全球統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架，為大地測(cè)量的科學(xué)研究及相關(guān)地學(xué)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1991在全球范圍內(nèi)建立一個(gè)IGS（國(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)）觀測(cè)網(wǎng)，并于1992年6-9月間實(shí)施了第一期會(huì)戰(zhàn)聯(lián)測(cè)，我國(guó)多家單位合作，在全國(guó)范圍內(nèi)組織了一次盛況空前“中國(guó)’92GPS會(huì)戰(zhàn)”，目的是在全國(guó)范圍內(nèi)確定精確的地心坐標(biāo)，建立起我國(guó)新一代的地心參考框架及其與國(guó)家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)；以優(yōu)于10-8量級(jí)的相對(duì)精度確定站間基線向量，布設(shè)成國(guó)家A級(jí)網(wǎng)，作為國(guó)家高精度衛(wèi)星大地網(wǎng)的骨架，并奠定地殼運(yùn)動(dòng)及地球動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)。建成后的國(guó)家A級(jí)網(wǎng)共由28個(gè)點(diǎn)組成，經(jīng)過精細(xì)的數(shù)據(jù)處理，平差后在ITRF91地心參考框架中的點(diǎn)位精度優(yōu)于0.1m，邊長(zhǎng)相對(duì)精度一般優(yōu)于1×10-8,隨后在1993年和1995年又兩次對(duì)A級(jí)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行了GPS復(fù)測(cè)，其點(diǎn)位精度已提高到厘米級(jí)，邊長(zhǎng)相對(duì)精度達(dá)3×10-9.2、GPSB級(jí)網(wǎng)的建立做為我國(guó)高精度坐標(biāo)框架的補(bǔ)充以及為滿足國(guó)家建設(shè)的需要，在國(guó)家A級(jí)網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立了國(guó)家B級(jí)網(wǎng)（又稱國(guó)家高精度GPS網(wǎng)）。布測(cè)工作從1991年開始，經(jīng)過5年努力完成外業(yè)工作，內(nèi)業(yè)計(jì)算已基本完成，不日將公布使用。全網(wǎng)基本均勻布點(diǎn)，覆蓋全國(guó)，共布測(cè)818個(gè)點(diǎn)左右，總獨(dú)立基線數(shù)2200多條，平均邊長(zhǎng)在我國(guó)東部地區(qū)為50km，中部地區(qū)為100km，西部地區(qū)為150km，經(jīng)整體平差后，點(diǎn)位地心坐標(biāo)精度達(dá)±0.1m，GPS基線邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差可達(dá)2.0×10-8,高程分量相對(duì)中誤差為3.0×10-8。新布成的國(guó)家A、B級(jí)網(wǎng)已成為我國(guó)現(xiàn)代大地測(cè)量和基礎(chǔ)測(cè)繪的基本框架，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。國(guó)家A、B級(jí)網(wǎng)以其特有的高精度把我國(guó)傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)進(jìn)行了全面改善和加強(qiáng)，從而克服了傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測(cè)量手段不可避免的缺點(diǎn)。通過求定A、B級(jí)GPS網(wǎng)與天文大地網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立起了地心參考框架和我國(guó)國(guó)家坐標(biāo)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而使國(guó)家大地點(diǎn)的服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域更寬廣。利用A、B級(jí)GPS網(wǎng)的高精度三維大地坐標(biāo)，并結(jié)合高精度水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，從而大大提高了確定我國(guó)大地水準(zhǔn)面的精度，特別是克服我國(guó)西部大地水準(zhǔn)面存在較大系統(tǒng)誤差的缺陷。10.1.3區(qū)域性GPS大地控制網(wǎng)

所謂區(qū)域GPS網(wǎng)是指國(guó)家C、D、E級(jí)GPS網(wǎng)或?qū)楣こ添?xiàng)目布測(cè)的工程GPS網(wǎng)。這類網(wǎng)的的特點(diǎn)是控制區(qū)域有限（或一個(gè)市或一個(gè)地區(qū)），邊長(zhǎng)短（一般從幾百米到20km），觀測(cè)時(shí)間短（從快速靜態(tài)定位的幾分鐘至一兩個(gè)小時(shí)）。由于GPS定位的高精度、快速度、省費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，建立區(qū)域大地控制網(wǎng)的手段我國(guó)已基本被GPS技術(shù)所取代。就其作用而言分為建立新的地面控制網(wǎng)；檢核和改善已有地面網(wǎng)；對(duì)已有的地面網(wǎng)進(jìn)行加密；擬合區(qū)域大地水準(zhǔn)面。

1.建立新的地面控制網(wǎng)盡管我國(guó)在70年代以前已布設(shè)了覆蓋全國(guó)的大地控制網(wǎng)，但由于人為的破壞，現(xiàn)存控制點(diǎn)已不多，當(dāng)在某個(gè)區(qū)域需要建立大地控制網(wǎng)時(shí)，首選方法就是用GPS技術(shù)來建網(wǎng)。

2.檢核和改善已有地面網(wǎng)對(duì)于現(xiàn)有的地面控制網(wǎng)由于經(jīng)典觀測(cè)手段的限制，精度指標(biāo)和點(diǎn)位分布都不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，但是考慮到歷史的繼承性，最經(jīng)濟(jì)、有效的方法就是利用高精度GPS技術(shù)對(duì)原有老網(wǎng)進(jìn)行全面發(fā)行合理布設(shè)GPS網(wǎng)點(diǎn)，并晝與老網(wǎng)重合，再把GPS數(shù)據(jù)和經(jīng)典控制網(wǎng)一并聯(lián)合平差處理，從而達(dá)到對(duì)老的檢核和改善的目的。3.對(duì)老網(wǎng)進(jìn)行加密

對(duì)于已有的地面控制網(wǎng)，除了本身點(diǎn)位密度不夠以外，人為的破壞也相當(dāng)嚴(yán)重，為了滿足基本建設(shè)的急需，采用GPS技術(shù)對(duì)重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行控制點(diǎn)加密是一種行之有效的手段。布設(shè)加密網(wǎng)時(shí)要盡量和本區(qū)域的高等級(jí)控制點(diǎn)重合，以便較好地把新網(wǎng)同老網(wǎng)匹配好，從而避免控制點(diǎn)誤差的傳遞。4.擬合區(qū)域大地水準(zhǔn)面GPS技術(shù)用于建立大地控制網(wǎng)，在確定平面位置的同時(shí)，能夠以很高的精度確定控制點(diǎn)間的相對(duì)大地高差，如何充分利用這種高差信息是近幾年許多學(xué)者熱烈討論的一個(gè)話題。由于地形圖測(cè)繪和工程建設(shè)者依據(jù)水準(zhǔn)高程，因此必須把GPS測(cè)得的大地高差以某種方式轉(zhuǎn)化成水準(zhǔn)高差，才便于工程建設(shè)使用。通常的方法是：采用一定密度及合理分布的GPS水準(zhǔn)高聯(lián)測(cè)點(diǎn)（即GPS點(diǎn)上聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)高程），用數(shù)學(xué)手段擬合區(qū)域大地水準(zhǔn)面。利用區(qū)域地球重力場(chǎng)模型來改化GPS大地高為水準(zhǔn)高。10.2GPS在精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

精密工程測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)，是以毫米級(jí)乃至亞毫米級(jí)精密為目的的工程測(cè)量工作。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件性能不斷改進(jìn)，目前GPS已可用于精密工程測(cè)量和工程變形監(jiān)測(cè)。10.2.1GPS用于建立精密工程控制網(wǎng)的可行性目前我國(guó)精密工程控制網(wǎng)，一般都用ME5000測(cè)距儀和T3精密光學(xué)經(jīng)緯儀來施測(cè)。為研究用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)的可行性，武漢測(cè)繪科技大學(xué)在某山區(qū)水利工程布設(shè)了如圖10-1所示的精密工程控制網(wǎng)。

該網(wǎng)由5個(gè)點(diǎn)組成，每點(diǎn)都建立水泥墩，設(shè)有強(qiáng)制對(duì)中裝置。試驗(yàn)網(wǎng)最長(zhǎng)邊為1313.5m，最短邊長(zhǎng)為359.5m，平均為701.3m。試驗(yàn)時(shí)先用ME5000測(cè)邊，用T3測(cè)角，然后用GPS施測(cè)。接收機(jī)采用TurboRogueSNR-8000，時(shí)段長(zhǎng)為2小時(shí)，用GAMIT軟件、精密星歷解算，起算點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)通過與武漢測(cè)繪科技大學(xué)跟蹤站聯(lián)測(cè)求出。經(jīng)平差計(jì)算，求出全網(wǎng)各邊的長(zhǎng)及點(diǎn)位坐標(biāo)，結(jié)果見表10-1和表10-2。由表10-1可看出，GPS測(cè)出的邊長(zhǎng)與ME5000測(cè)出的同一條邊長(zhǎng)較差中誤差為±0.34mm，其中較差ΔS有正有負(fù)，無系統(tǒng)性差異。從表10-2可看出，GPS測(cè)出20點(diǎn)位坐標(biāo)與用ME5000和T3求出的點(diǎn)位坐標(biāo)較差中誤差為±0.29mm,其中較差δ有正、有負(fù)，也無系統(tǒng)性差異，從而可認(rèn)為，完全可用GPS來建立精密工程控制網(wǎng)。表10-1GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)邊長(zhǎng)比較表邊名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網(wǎng)與邊角網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)比較表點(diǎn)號(hào)平面坐標(biāo)GPS(m)平面坐標(biāo)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長(zhǎng)江水利委員會(huì)綜合勘測(cè)局，也進(jìn)行了由10個(gè)點(diǎn)18條邊組成的GPS測(cè)量與高精度大地測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，GPS施測(cè)時(shí)采用SOKK1AGSS1A單頻接收機(jī)，使用廣播星歷和隨機(jī)軟件，結(jié)果為：mx=±m(xù)m。my=±2.4mm，mH=6.5mm。這說明單頻GPS接收機(jī)也可用于水利工程施工控制網(wǎng)的建立。10.2.2GPS用于工程變形監(jiān)測(cè)的可行性10.2.3隔河巖水庫(kù)大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隔河巖水庫(kù)位于湖北省長(zhǎng)陽(yáng)縣境內(nèi)，是清江中游的一個(gè)水利水電工程——隔河巖水電站。隔河巖水電站的大壩為三圓心變截面重力拱壩，壩長(zhǎng)653m，壩高151m。隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于1998年3月投入運(yùn)行，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大部分組成。

隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)德國(guó)的一個(gè)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)德國(guó)的一個(gè)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)用該車輛導(dǎo)航系統(tǒng)重新生成的道路圖GPS在地球動(dòng)力學(xué)及地震研究中的應(yīng)用GPS在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，主要是用GPS來監(jiān)測(cè)全球和區(qū)域板塊運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)區(qū)域和局部地殼運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行地球成因及動(dòng)力機(jī)制的研究。武漢測(cè)繪科技大學(xué)，利用云南滇西兩期GPS監(jiān)測(cè)資料，反演紅河斷裂帶低下斷層活動(dòng)模式，對(duì)1996年云南麗江地震作了較為準(zhǔn)確地中期預(yù)報(bào)，其位置誤差為27km，震源深度誤差為0～6km，震級(jí)完全準(zhǔn)確。揭示了用GPS監(jiān)測(cè)資料做中期地震預(yù)報(bào)可能性。GPS地殼形變觀測(cè)GPS地殼形變觀測(cè)太陽(yáng)能電池GPS在氣象中的應(yīng)用GPS的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是氣象學(xué)研究。利用GPS理論和技術(shù)來遙測(cè)地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論和方法研究，如測(cè)定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測(cè)氣候變化等，叫GPS氣象學(xué)（GPS/MET）。GPS氣象學(xué)的研究始于80年代后期，最先在美國(guó)起步，在美國(guó)取得理想的試驗(yàn)結(jié)果后，在其他國(guó)家如日本也逐步開始GPS在氣象中的應(yīng)用。GPS在氣象中的應(yīng)用根據(jù)GPS/MET觀測(cè)站的空間分布來分類，可以分為兩大類：※地基GPS氣象學(xué)※空基GPS氣象學(xué)GPS/MET探測(cè)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣（全球）、高垂直分辨率、高精度和高長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn)。對(duì)它的研究將給天氣預(yù)報(bào)、氣候和全球變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。GPS探風(fēng)系統(tǒng)GPS氣象觀測(cè)儀器GPS氣象觀測(cè)儀器GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用G