全球定位系统(GPS)在上海市水下地形测量中的应用

一、概述

1 GPS简介

    全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的第一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。

    全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要GPS接收机和卫星天线组成。

    全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2)全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率；(5)应用广泛多功能。

    全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船只最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救授、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

2 GPS测量的特点

相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：

    (1)测站之间无需通视，但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

    (2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6～10-7。

    (3)观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min观测时间即可。

    (4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，也可以测定观测站的大地高程。

    (5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

    (6)全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。用于水下地形测量则要排除雾和大风的天气。

二、GPS在上海市水下地形测量的应用

    上海市东临东海，南靠杭州湾北侧，北依长江，水下地形复杂，并且上海市长年进行围垦造地，长江带来的大量泥沙也淤积在长江口，使每年上海市水下地形都在发生变化。海塘达标工程和保滩工程的建设，上海市岸线演变趋势分析都需要每年的水下地形资料，因而水下地形测量的十分重要性。

    上海市水下地形测量已有二十多年的历史，以前的测量技术大多采用六分仪、三杆分度仪配合测深仪，其缺点是：精度不高，测区范围有限，工作量大，人员配置多等。随着GPS技术在测量中的广泛应用，2000年上海市开始在水下地形测量中应用GPS技术。
    在已经运用GPS进行水下地形测量的崇明、南汇和宝山三个地区，采用的硬件和软件基本相同，分别为：Trimble DSM12/212动态GPS，记录式测深仪，ASHBC实时导航定位软件，基于Autocad平台的MAP2000成图软件等。

    Trimble DSM12/212动态GPS产品是专为海洋业人员开发的，它能在精确定位、挖泥、水道测试、高速船体定位等工作中提供亚米级的精度，在任何环境下均能保持优良的特性。并具有小巧、易于使用和设置、低延时、高速率位置输出、高抗干扰能力的优点。

    ASH-BC实时导航定位系统是利用亚米级的Trimble DM12/212动态GPS信标接收机，接收相应的差分信息，结合本身的GPS定位数据，实时地给出当前的地方坐标系坐标，并能根据工程需要，完成定向、放点、导航、施工控制等任务。

    MAP 2000是中翰公司开发的，运行在Autocad R14平台上的具有自主版的专业测绘应用软件，含盖了现场作业到图板数字化和扫描矢量化等内外业所有作业方法。可完成地形测量(陆上和水下)、工程勘察测量、地籍测量和统计报表、房地产计算统计、施工放样、断面数据和土方/库容量提取、比例尺缩放、图/数/编码转换和信息提取、DTM立体模型生成和渲染、与GIS数据交换等工作。

    应用GPS进行水下地形测量的步骤：运用GPS和导航软件对测量船进行定位，并指导测量船在指定测量断面上航行，导航软件每隔一个时间段自动纪录水深数据，并进行验证潮位输出，输出数据在MAP2000中成图，再进行修改，得到符合要求的1：10000国际分幅的水下地形图。

    从2000年测量结果来看，GPS在水下地形测量的应用，大大提高了测量的精度，减少了工作量，缩短了工作日，并且输出的数字化的水下地形图，为今后地理信息系统的建立和管理创造了有利的条件。

从GPS测量中，得出如下体会：

    (1)GPS作业有着极高的精度。它的作业不受距离限制，非常适合于大规模的水下地形测量，其它地形测量等。

    (2)GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

    (3)GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

    (4)在水务系统的海塘建设的工程测量中，也可以直接运用GPS进行实地实时放样、点位测量、导线控制测量等。

    (5)现今，GPS在测量中的应用主要为定位和导航，虽然GPS高程测量的精度目前来说还比较低，应用也不广泛，所以，如何提高GPS高程测量的精度，是它发展前景的关键。