帶COGO 的實時GPS 測量及其功能擴展測量功能帶CO

帶 COGO 的實時 GPS 測量及其功能擴展 施 品 浩 (海南省 GPS 中心 ) 【摘 要】 實時 GPS 測量作為 GPS 測量的一種新技術，它擁有許多傳統(tǒng) GPS 所不具備的優(yōu)勢，已經(jīng)得到越來越多用戶的認可。帶 COGO 功能的實時 GPS 測量盡管問世半年有余，但此項功能仍然鮮為人知。作者研究結(jié)果表明此項技術值得廣泛推廣應用，同時指出其潛力甚大，有待深入開發(fā)。文中給出的種種案例和操作步驟可供實時作業(yè)用戶參考。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) GPS 定位技術最近幾年的進展主要表現(xiàn)在實時測量方面。這種技 術目前已經(jīng)十分成熟，并廣泛應用于石油地質(zhì)勘探，鐵路、公路勘測設計與施工。其優(yōu)勢明顯并遠遠超過常規(guī) GPS 定位技術，進一步縮短了測繪及后繼工程的施工周期，降低了人力、物力和財力的消耗，減輕了作業(yè)人員的勞動強度，而且從根本上改變了傳統(tǒng)的勘測作業(yè)程序，作業(yè)模式和質(zhì)量標準，已經(jīng)得到國內(nèi)外同行的普遍認可，正日益成為一種不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 本文在分析實時 GPS 特點和優(yōu)勢的基礎上，介紹了徠卡 300 系列實時 GPS 測量系統(tǒng)中所引進的 COGO 功能，研究討論了應用這種功能的 實際方法及操作步驟，提出如何擴展此項功能，充分發(fā)揮其在實時測量中的作用，以便促使 GPS 定位技術的應用跨上一個新的臺階。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 一、徠卡 300 系列實時 GPS 測量系統(tǒng)簡介 徠卡 300 系列實時 GPS 測量系統(tǒng)同其他廠商的實時系統(tǒng)一樣由三個部分組成： GPS衛(wèi)星信號接收部分 (GPS 傳感器及內(nèi)裝或外接天線 )、實時數(shù)據(jù)傳輸部分 (數(shù)據(jù)鏈，俗稱電臺 )和實時數(shù)據(jù)處理部分 (GPS 控制器，又稱手持式計算機，以及內(nèi)置的實時數(shù)據(jù)處理軟件 )。 實時測量時，一套測量系統(tǒng)充當參考站， 設置在坐標精確的已知點上。參考站在跟蹤測量載波相位的同時，通過數(shù)據(jù)鏈將測站坐標、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)發(fā)送出去。另外一套或若干套接收機當流動站，采用背負或車載方式在各個待定點上依次設站觀測。流動站在跟蹤 GPS 信號，進行載波相位測量的同時，還通過數(shù)據(jù)鏈接收來自參考站的觀測值和其他數(shù)據(jù)，利用控制器內(nèi)裝的處理軟件，實時地解出載波相位的初始整周未知數(shù)，參考站至流動站的基線向量，并給出流動站的點位坐標。 流動站在完成載波相位整周未知數(shù)初始化的情況下，每個觀測瞬間屏幕輸出點位成果的標稱精度可達 1 cm 2 cm，高程的標稱精度也在 2 cm 3 cm。 同傳統(tǒng)的 GPS 定位技術相比，實時 GPS 測量具有如下一些優(yōu)點： (1) 進一步縮短定位所需的觀測時間。早期靜態(tài)測量確定一個點的坐標需要一個多小時，出現(xiàn)快速靜態(tài)后，所需時間銳減至幾分鐘。現(xiàn)在用實時方法測量一個點，開機鎖定衛(wèi)星后只需要幾十秒鐘至一分鐘左右。在衛(wèi)星連續(xù)鎖定、整周未知數(shù)已經(jīng)解出的條件下，每次定位只要一個歷元 (1 2 秒鐘 )。 (2) 現(xiàn)場給出精確成果。根本改變先外業(yè)觀測，后內(nèi)業(yè)計算，檢驗合格后提交成果的程序，在外業(yè)現(xiàn)場立即給出經(jīng)過可靠性檢驗 和精度評定的測量成果 (如果有多組觀測值，則自動提供平差結(jié)果 )。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) (3) 徹底擺脫粗差返工現(xiàn)象。傳統(tǒng)測量模式下，觀測值中存在諸多影響成果質(zhì)量的不確定因素，通過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)后不得不進行返工重測。實時測量條件下，參考站數(shù)據(jù)實時傳輸給流動站進行合并處理，檢驗合格后才輸出成果，從而徹底擺脫了返工問題，也消除了傳統(tǒng)測量的質(zhì)量隱患。 (4) 拓寬了 GPS 技術的應用領域。實時 GPS 測量使三維放樣等需要現(xiàn)場提供成果的應用項目成為可能，同時把一些需要分幾道工序完成的作 業(yè)合并成一次完成，如帶狀地形圖測繪、橫斷面的測繪及土石方工程量計算，并輸出工程所需的各項數(shù)據(jù)、圖紙和資料。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 實時 GPS 測量時通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量十分龐大。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，降低誤碼率，只能采用甚高頻或超高頻設備。這兩類數(shù)據(jù)鏈都要求信號直線傳播。在高樓林立的大城市，地形起伏的山區(qū)，即使在一望無垠的大平原上也會由于地球自然表面的曲率，大大限制它的傳輸距離。解決數(shù)據(jù)傳輸問題的途徑有兩個：一個是加大發(fā)射設備的輸出功率，一個是引進數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)機制。實踐證 明通過設置在測區(qū)制高點上的無線電中繼站擴大數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w面是一種十分有效的方法 (圖 1)。 圖 1 通過無線電中繼進行實時測量 實際上目前厘米級實時 GPS 測量只能在以參考站為中心，半徑在 10 km 15 km 的范圍內(nèi)有效地進行，因而只要一級中繼轉(zhuǎn)發(fā)就足夠了。 實時 GPS 測量已經(jīng)在石油地質(zhì)勘探，水利電力工程，鐵路和公路的勘測設計與施工建設等方面得到廣泛的應用，可以高效率、高質(zhì)量、低消耗地完成控制網(wǎng)布設、三維工程放樣、數(shù)字化地形地物圖以及水下地形圖等測繪生產(chǎn)任務。去年下半年以來我國實時測量系統(tǒng)引進的比 例呈明顯增長的趨勢。隨著其價格的不斷下調(diào)，將逐步取代常規(guī) GPS產(chǎn)品成為用戶首選的目標。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 二、 COGO 功能及其描述 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) COGO(坐標幾何計算處理 )功能過去廣泛應用于徠卡生產(chǎn)的中高檔全站儀。借助于COGO 功能，用戶可以在野外條件下，直接完成一些點位數(shù)據(jù)的加工處理。徠卡公司于去年將 COGO 功能引入實時 GPS 測量系統(tǒng)。此舉使得 GPS 設備除了采集數(shù)據(jù)、計算實時點位成果之外，也具備了一些與全站儀相似的操作功能 ，進一步拓寬了 GPS 測量系統(tǒng)的應用范圍。在許多工程應用中， COGO 功能顯示出無可比擬的優(yōu)越性，可以用來完成許多常規(guī)GPS 測量難以完成的任務。 1. 300 系統(tǒng)支持的 COGO 功能 徠卡 300 系統(tǒng)實時 GPS 測量系統(tǒng)產(chǎn)品 (含 300/350 雙頻系統(tǒng)及 340S 單頻系統(tǒng) )裝載RT-SKI 軟件后，可以通過主菜單面板 0000或流動站測量面板 1110上選擇功能鍵進入相應的 COGO 菜單。目前支持的功能見面板 2001 (見圖 2)。 2. COGO 功能的描述 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) (1) 邊長方位角反算 (Inverse)。選定兩個點，反算它們之間的邊長、方位角和高差。 (2) 導線 (Traverse)點計算。從一個已知點出發(fā)，根據(jù)輸入的導線邊邊長與方位角，計算前方導線點的坐標。 圖 2 COGO 功能面板 (3) 線 -線交會 (Line-Line Intersect)。由選定四點定義的兩條線，計算其交點。 (4) 線 -弧交會 (Line-Arc Intersect)。根據(jù)選定兩點定義的直線及輸入圓心坐標和半徑所確定的弧段，計算出它們的交點。 (5) 弧 -弧交會 (Arc-Arc Intersect)。根據(jù)輸入兩個圓的圓心坐標及半徑，計算出兩個弧段的交點。 (6) 距離偏差 (Dist Offset to a Pt)計算。根據(jù)選定兩點所定義的一條直線及輸入一個偏置點的點位信息，計算出該偏置點在直線上的垂足，垂距及由直線起點至垂足的距離。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) (7) 弧上插點 (Point in Arc)。根據(jù)選定的兩點及輸入半徑所定義的弧，以及沿弧量度的距離，計算出弧上插點的坐標。 (8) 三點弧 (3 Point Arc)。根據(jù)弧上 選定的三個點，算出弧段的曲率半徑與圓心坐標。 (9) 點距偏差 (Point Dist Offset)。根據(jù)選定兩點定義的一條直線，輸入直線上起點至偏置點垂足 (偏置點在直線上的投影 )的距離及偏置點偏離直線的距離，計算出偏置點的坐標。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 三、 COGO 功能的應用 1. COGO 功能在實施測量中的簡單調(diào)用 (1) 已知兩條道路中心線上若干點的坐標，計算交點的坐標，并在實地加以標定。此時我們可以利用 COGO 的線 -線交會功能。野外在控制器上的具體操作步 驟如下： 在線 -線交會功能面板上，通過實時測定、手工輸入或從控制器中調(diào)出每條線上的兩個點，令為 P1 至 P4(圖 3)。 圖 3 線 -線交會功能 然后在這個面板上按計算 (COMPUT)鍵，計算出交點的坐標 (P5)。輸入點的標識 (點名或點號 )，必要時編輯修改點的高程，最后按存儲 (STORE)鍵把結(jié)果存儲起來。現(xiàn)在借助系統(tǒng)的實時放樣功能，通過實時精密導航，從實地 找到這個交點，并加以精確標定。 (2) 已知圓弧線路上的兩個點的設計坐標及弧的曲率半徑，請根據(jù)距離起點的設計弧距找出弧上相應的點位，并在實地加以標定。這項工作將依靠弧上插點功能來完成。 在控制器面板上通過實時測定、人工輸入或調(diào)出弧的起點 (P1)和終點 (P2)，輸入圓弧的曲率半徑與距離起點的弧距。然后按計算功能鍵，即可在后繼面板上顯示弧上新點的坐標。存儲后即可用實時放樣功能在實地找到并精確標定該點。依次類推，可完成等間距圓弧線路的放樣工作 (圖 4)。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 圖 4 圓弧上插點功能 (3) 其他應用。每項 COGO 功能都能在現(xiàn)場中加以調(diào)用。 2. COGO 功能的綜合應用 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 綜合應用 COGO 功能，可以解決一些常規(guī) GPS 無法解決的問題，如測定線路上難以收到信號的半隱蔽點位，或用來標定無法直接設站的點位(如點在水塘中間 )。下面為幾個案例的操作步驟： (1) 獨立樹、塔頂、電桿等中心點位的測定。線路測量中常常需要精確測定這些地物的中心點位，但是這些點位無法設站觀測；采用大偏心觀測，操作步驟及事后處理都十分繁瑣。如采用 COGO 功能，那么，只要付出幾分鐘時間即可給出這些點位的精確坐標 (圖 5)。 圖 5 獨立地物的測定 在待定點 (P)的附近任意點上實時測定一個臨時點位 P1，并插一面小旗標志點位； 繞 P 點至另一個任意點 P2，再次實時測定并記錄其點位，也插一面小旗標志點位； 繼續(xù)繞至 P 與 P1 的聯(lián)線方向上，實時測定任意點 P3 并記錄其點位； HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 最后走到 P 與 P2 的聯(lián)線方向上，實時測定任意點 P4 并記錄其點位； 進入 COGO 功能，調(diào)出線 -線交會程序，定義 P1P3 及 P2P4 兩直線，按計算鍵給出交點坐標，輸入點標識 P，并存儲該點的點位。 (2) 房角及街區(qū)的測繪。像圖 6 所示的街區(qū)，我們可以按照以下步驟來測繪： 在一角 (A)的附近較開闊點 位上實時測定一個臨時點位 1，并在A 1 延長線方向繼續(xù)測定和記錄一個 2 點； 在同一角 B A 延長線方向上任意測定并記錄點 3； 根據(jù) COGO 的距離偏差功能，即刻可以解算出 A 點的坐標； 同理，定出 B F 各點。注意測定 B 點時僅需定出點 4，然后利用點 3 與點 A 定義的直線及偏置點 4，由距離偏差功能定出 B； 圖中 G、 H兩點不能靠實時定位技術測定，但是仍然可以借助 COGO功能加以精確標定。為此，用邊長方位角反算功能求出 FE 的距離 d1，通過任意一種手段量取距離 d2，則可利用 COGO 的點距偏差功能定 出 G 點的坐標。同理可得 H 點的坐標，從而完成了整個房屋的測定。 圖 6 房角與街區(qū)的測定 (3) 弧線與水池交點的標定。圓弧曲線放樣時，很可能要穿越一大片水面。在圖 7 中， A、 B 是已經(jīng)完成放樣的點位。作業(yè)員估計下一個樁點 C 將落在圖中難以進入的水域，因而他希望能夠在線路上找出最靠近水域的點位，標定一個輔助樁點 M；同時，他還需要找出線路離開水域重新進入對岸陸地 時的點位 N。在完成這些輔助點的定位后，繼續(xù)正常計劃點位的放樣。我們分別采用不同的方式預先推算出 M 和 N 點的坐標，然后在實地加以標定。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 圖 7 弧形線路出入水域點位的標定 由于 M 點距 A、 B 兩點較近，可以用較簡單的線 -弧交會功能來實現(xiàn)。先估計線路將在 PQ 間進入水域，實時測定并存儲兩任意點 P、 Q；利用 COGO 的線 -弧交會功能，計算 ABC 定義的圓弧與 PQ 直線的交點，命名該點為 M 并存儲；在 PQ 直線上實時找出 M 點，并埋石加以標定。 因為 “ 出點 ” 的位置較難精確地判定，可以假設在 U、 V 和 W 三點確定的圓弧上，所以將利用弧 -弧交會的功能來實現(xiàn)該點的標定。先用實時定位技術在對岸沿水域測定并記錄 U、 V 和 W 共三點；計算 ABC 與 UVW 兩弧的交點 N，并存儲點位；沿岸線實時導航找出并標定點 N。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 四、 COGO 功能的進一步擴展問題 通過我們的初步實踐和對線路勘測應用的 研究表明：目前實時 GPS 測量系統(tǒng)所提供的 COGO 功能尚不夠齊全，需要進一步擴展。 1. 補充新的 COGO 功能 為了進一步提高系統(tǒng)在道路勘測及其他工程領域的應用，我們有必要進一步補充一系列新的坐標幾何及一體化 COGO 功能。例如： (1) 測距定點功能。根據(jù)實際測定的兩點所定義的一條直線，以及從直線起點開始，沿線量測的一段距離，定出新點的點位。此項功能使一些不能直接設站觀測的點位可以通過量距的輔助手段，在現(xiàn)場確定其點位。 (2) 確定圓弧中點的功能。已知圓弧的兩個端點及圓弧中心或曲率半徑，計算圓 弧的中點。由此項功能可以現(xiàn)場實現(xiàn)圓弧二等分，并進一步定出四分點、八分點 ，完成圓曲線的實時放樣作業(yè)。 (3) 用圓曲線平滑連接直線與直線外一點功能。 AB 為一直線， C 為直線外一個點，計算并確定連接直線與點 C 的平滑圓弧 BMC(圖 8)，給出圓弧的中心和曲率半徑 (結(jié)合本節(jié)功能 2，用戶即可完成該曲線路段的實時放樣工作 )。 圖 8 圓弧與直線的平滑連接 (4) 圓曲線等間距放樣功能。給定圓心與圓弧的起點，按指定間隔完成圓弧實時放樣作業(yè)的功能。此項功能是 COGO 現(xiàn)有弧上插點功能的擴展。 2. 開發(fā)新的高性能設計放樣一體化功能 COGO 應該引進一些高性能的設計放樣一體化的功能。例如： (1) 用平滑曲線聯(lián)結(jié)兩直線功能。在鐵路及高速公路設計中遇到彎道時，一般需要用兩段緩和曲線將圓曲線分別同兩直線段相連接。這種連接方式不僅能夠保證曲線的連續(xù)與平滑，而且保證了曲率的連續(xù)與平滑，從而保證了彎道處列車或其它交通工具高速通過時的安全。我們也可以讓控制器內(nèi)的 CPU 解 一組微分方程，使選定的曲線滿足在 B、 C 點處的一階導數(shù)分別等于兩直線的斜率 (直線段成為相連接曲線的切線 )，且二階導數(shù)為零 (該點為曲線的拐點 )。然后按用戶指定的等距間隔或分點個數(shù)給出曲線上每一個點位的坐標 (圖 9)。這樣將大大簡化和優(yōu)化道路的設計標準與施工建設。 HTTP:WWW.OTHERMAP.COM 測繪信息網(wǎng) 圖 9 曲線與兩直線的平滑連接 (2) 豎曲線設計放樣功能。一個線路勘測設計與施工的智能化測量系統(tǒng)，還應該能夠根據(jù)有關端點的高程數(shù)據(jù) (如圖 9 中 A、 B、 C 和 D 點 )，推算出中間各放樣點的最佳高程選擇 。在給出各點實際高程時，系統(tǒng)應該能夠根據(jù)行車速度的上限給出區(qū)段上土石方施工工程量為最小的放樣高