GPS技术在机场工程建设中的应用
  • 2019-03-28 15:17
  • 来源:fun88乐天堂
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  :全球定位系统(GPS)是一种高科技的空间对地、空间对空间、地对空间的定位技术。通过对GPS定位技术原理的简要分析,总结其技术特点,提出应用于机场工程建设的技术路线和技术方法,旨在提高机场工程的技术含量,为机场工程建设服好务。

  全球定位系统GPS(Navigation Timing and Ranging/Global Positioning System),是美国国防部于1993年底建成的“授时与测距导航/全球定位系统”的简称。是一种可以授时和测距的空间交会定点的军民两用卫星导航定位系统,不仅可向用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息等技术参数,而且具有良好的抗干扰和保密性。

  1.1 空间部分GPS的空间部分由均匀分布在6个相对于赤道面倾角为550的近似圆形轨道上绕地球运行的21颗工作卫星和3颗备用卫星组成,轨道面的夹角为600,每个轨道上有4颗卫星,卫星的平均高度为20200km。每颗GPS工作卫星以L1=1575.42兆赫和L2=1227.6兆赫两种频率发送导航信号,导航信号采用伪随机噪音编码调制,L1用P码和C/A码调制;L2用P码调制。其中C/A码开放民用,平均运行周期为11h58min,以确保全球任何地方在任何时侯都能同时接收到4颗以上卫星信号。

  1.2 地面控制部分GPS 的地面控制部分由分布在全球的一个主控站、五个监控站和三个注入站构成。主控站的作用是根据各监控站对 GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的差和大气层修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,提供时间基准,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推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文及其他控制指令等数据注入到相应卫星的存储系统中,并监测注入信息的正确性。

  1.3 用户设备GPS的用户设备由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户终端设备如计算机、气象仪器等组成,其作用是接受GPS卫星发射的信号,利用信号进行导航定位等。

  GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统,根据用户接收机天线在测量中所处的状态,可分为静态定位和动态定位。如图 l示:在需要的位置P点架设GPS接收机,在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS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接收机至GPS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(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的三维坐标(Xp,Yp,Zp)。

  GPS通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统,另一类是与地球体相固联的坐标系统,也称地固坐标系统,如在测绘领域常用的WGS-84(即Geodical System-84世界大地坐标系-84 )、1954年北京坐标系(简称P54)和1980年西安大地坐标系(简称C80),在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果。

  4.1 定位精度高 一般双频GPS接收机基线ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,观测的精度明显高于一般常规测量方法,GPS基线 选点灵活、费用低GPS测量对测站间是否相互通视,以及控制网的几何图形均无严格要求,使得选点更加灵活方便,其作业成本低,同时也大大降低了布网费用。据有关部门实际测算,GPS技术比常规大地测量至少要节约70%的外业费用。

  4.3 全天候全球性作业 在任何地点、任何时间、任何气候条件下均可以进行GPS连续观测,极大地方便了测量作业。

  4.4 观测速度快 采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30~40min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

  4.5 功能齐全、应用广泛 在精确测定观测点平面位置坐标的同时,还可测定其大地高程。利用实时动态定位还能进行数字地形图的测绘及工程施工放样工作。

  4.6 自动化程度高,操作简便目前GPS接收机已趋于小型化和操作全自动化,作业人员只需按要求把各主机、天线等连接起来,并把天线单元准确地安设在测站上,接通电源,启动接受单元。结束时量取天线高,关闭电源,收装接收机,便完成了野外数据的采集任务。

  由于GPS技术具有以上显著特点,已广泛应用于测绘行业的大地测量、精密工程测量、航空摄影测量、地壳和建筑物形变监测、资源勘察、运载工具导航和管制、城市测绘等,并已开始应用于海空导航、车辆引行、导弹制导、航测遥感、海洋、航道、通讯、气象、民航等领域的工程勘察设计、施工管理、竣工验收、动态监测、设备安装、时间传递、速度测量等。尤其用于建立全球性地球动态参数和全国性的大地测量控制网,建立陆地海洋大地测量基准、监测现代板块运动状态,测定航空航天摄影的瞬间位置等工作,取得了可喜的成果。

  测绘工作是机场工程建设的先行和基础,面对投资大、周期长、项目多、精度要求高的机场新、改、扩建项目,应充分运用全球定位系统(GPS)、摄影测量与遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等高科技测图手段建立起“数字化机场”,以及各种工程的测绘数据库,在为机场建设提供快速准确的成果成图资料的同时,努力为今后机场的运营、管理和发展提供相关的地理信息。

  随着我国高精度、多分辨率GPS空间定位网的建立,可以大大提高GPS 技术的使用频率。实践证明GPS技术可应用于机场工程建设的全过程,对于发挥技术优势,增加科技含量,提高工程质量,都具有十分重要的作用,目前GPS技术主要应用于以下几个方面:

  1、控制测量网的建立 机场的建设是一项综合性工程,既要考虑在机场范围内建立高精度的独立控制网,又要与所处城市的国家、地方控制网进行必要的坐标换算。通过GPS技术对平面控制网的布设和检测、像点的测量,并利用已知水准点进行GPS联测大地高程,求出符合本区域的拟合方程,然后编入GPS定位程序计算,可获得待定点平面坐标的同时,得到该点的正常高,从而使测量的精度、点的密度和作业效率大大提高,为机场工程建设提供准确可靠的测量数据。

  2、停机位的定位测量 停机坪的机位坐标是发布航行通告的重要内容,也是指导飞机着陆停放的重要参数,利用GPS技术测定的机位三维坐标精度高达厘米级,由此计算停机位经纬度值的精度完全满足飞行安全的要求。

  3、地形图测绘 机场工程建设在规划、勘察、设计、施工和管理等阶段都需要大量精确的各种比例地形图,对于填海修建的机场,还要进行复杂的水下地形测绘工作,利用GPS技术配合测深仪同步进行水深和平面位置数据采集,再用计算机和绘图仪可以方便地生成水下平面地形图,最后亦可绘制水下断面图,准确计算出工程量。

  4、建(构)筑物变形监测 机场航站楼作为大型钢结构公共建筑,由于自身荷载、地基沉陷、温度、风震动的作用而引起变形,为确保正常使用的安全,需对其沉降、位移、倾斜、裂缝和挠度等变形项目进行监测,利用GPS实时相位差分(RTK)技术,可以提供连续自动化的动态的变化曲线,随时掌握建筑物的变形差异,以便采取相应的防范措施。

  5、地下综合管网的绘制 机场各类地下管线的数据采集亦可用GPS技术测定其特征点的三维坐标,并利用计算机辅助制图系统Auto CAD强大的制图及分层管理等功能,将获取的管线数据通过编辑,连接和加注特性说明形成可供存档与调用的计算机图形文件,从而建立起机场综合管网的数据库。

  21世纪,随着GPS技术的不断研究和完善,将进入一个新的发展阶段。GPS接收机更加轻便、灵活,便于携带;接收机的天线、控制器、电池组合在一起,高度集成,多功能,一体化;GPS的功耗减少,内存容量增大,平均无故障时间增长;定位系统观测的卫星增多,增加了带内干扰抑制系统,使GPS的抗干扰性能更好;手持GPS的精度越来越高,价格也越来越便宜。因此,GPS技术在机场建设中的应用范围更加广泛,特别是我国自发研制的三颗“北斗一号”导航定位卫星先后于2000年10月31日、12月21日和2003年5 月25日的发射成功,组成了完整的卫星导航定位系统,确保了全天候、全天时提供卫星导航信息。加之GPS技术与遥感、地理信息系统的结合,将大大提高机场工程规划设计、施工放样、营运管理、动态监测、效益评价的自动化水平。

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