点此下载——GPS定位系统在电缆敷设施工中的应用.doc

GPS定位系统在电缆敷设施工中的应用

张玉刚，李国军

(鞍钢集团鞍凌钢铁有限公司，朝阳；122000)

摘 要：介绍了GPS定位系统的组成、工作原理、定位精度及其在电缆敷设中的应用，对工程建成投产运行管理提供了可靠的数据，为安全生产打下良好基础。

关 键 词：GPS定位；电缆敷设；应用

GPS定位系统在各个行业广泛使用，在电力系统中也得到应用，发电厂、变电站建筑物定位放线、输电线路杆塔定位率先应用，近年在电缆敷设施工中开始应用，起到其他施工方法无法替代的作用，尤其是对未来运行管理、故障查找、电缆确认更显示出绝对优势。

GPS定位系统，采用卫星数据，直接将电缆路径各拐点坐标直接测出上图，可以精确到每根电缆(地下直埋电缆定位非常准确)，为电缆精准定位提供了可靠保证，提高了电缆施工、运行管理质量。

1   GPS定位系统

1．1  GPS的组成

GPS(Global Positioning System)全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速。另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成^[1]。

(1)空间部分：GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗用于导航，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号进行工作的。

(2)控制部分：GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数据等注入到卫星中去。

(3)用户部分^[2]：GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备(如计算机气象仪器等)组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分组成了一个完整的GPS系统。

1．2  GPS定位原理^[3]

1．2．1  GPS的信号

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575．42MHz的L₁载波和频率为1227．60MHz的L₂载波，它们的频率分别是基本频率10．23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19．03cm和24．42cm。在L₁和L₂上又分别调制着多种信号，这些信号主要有。

(1)>C／A码：C／A码又被称为粗捕获码，它被调制在L₁载波上，是1MHz的伪随机噪声码(PRN码)，其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，经常用PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间距离的一种主要的信号。

(2)P码：P码又被称为精码，它被调制在L₁和L₂载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为7d。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。

(3)Y码：SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。SPS(Standard Positioning Seiwice)是标准定位服务；PPS(Precision Positioning Service)是精密定位服务。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统SPS提供，主要面向全世界的民用用户；精密定位服务则由精密定位子系统PPS提供。

在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值(半波或全波)、调制在L₁上的C／A码伪距、调制在L₁上的P码伪距、调制在L₂上的P码伪距、L₁上的多普勒频移和L₂上的多普勒频移等。

实际上，在进行GPS定位时，除了大量使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

1．2．2  影响定位精度的因素

在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类。

(1)与GPS卫星有关的因素。美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度(技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动(技术)等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。①卫星星历误差：在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有差异，这就是所谓的星历误差。②卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。③卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

(2)与传播途径有关的因素。①电离层延迟：由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波受电离层折射的影响与电磁波频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。②对流层延迟：由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。③多路径效应：由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓多路径效应。

(3)与接收机有关的因素。①接收机钟差：接收机钟差是GPS接收机使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。②接收机天线相位中心偏差：接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。③接收机软件和硬件造成的误差：在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

(4)其他。GPS控制部分人为或计算机造成的影响，由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等，如数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

2  GPS定位方法

GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准作如下划分^[4]。

2．1  根据定位所采用的观测值划分

(1)伪距定位：伪距定位采用的观测值为GPS伪距观测值，伪距观测值既可以是C／A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C／A码伪距观测值的精度一般为3m，而P码伪距观测值的精度一般也在30cm左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。

(2)载波相位定位：载波相位定位采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L₁、L₂或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2mm；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。

2．2  根据定位的模式划分

(1)绝对定位：绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用。

(2)相对定位：相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。

2．3  根据获取定位结果的时间划分

(1)实时定位：实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

(2)非实时定位：非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。

2．4  根据定位时接收机的运动状态划分

(1)动态定位：所谓动态定位就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的，也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dvnamic两类。

(2)静态定位：所谓静态定位就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的，也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。

3  GPS定位的应用与效果

GPS在电缆敷设中的应用，给用户提供精准的定位图纸，在生产运行时，应用起来得心应手。GPS在电缆敷设应用中的技术要点：

(1)应用绝对定位。

(2)专业监理按施工计划，实施旁站监理，对任何路径变化及时定位，及时上图，做为竣工图的一部分。

(3)全厂电缆统一标准，采用统一坐标系。

(4)业主生产运行人员在施工期间全程跟踪。

(5)运行中的变动及时做出图纸变更。

鞍钢鞍凌钢铁公司电缆总长度70000m，其中60000m在电缆沟(桥)内敷设，其余直埋地下，各拐点坐标已测定上图。全厂电缆敷设中有中间接头13个，中间接头是电缆的薄弱点，也是事故易发点，对中间头全部进行了GPS定点测量，并将各个坐标点在图纸上标注，运行使用中准确率达100%。

GPS定位系统投资少，准确性高，使用价值非常可观，值得在工程建设及生产实践中推广。

参 考 文 献：

[1]   胡友建，罗昀，曾云．全球定位系统(GPS)原理与应用，武汉：中国地质大学出版社，2003．

[2]   Trimble GPS静态培训教材，武汉天宝耐特技术有限公司，www．gps-whtrimble．com．

[3]   周建郑．GPS定位原理与技术．黄河水利出版社，2005．

[4]   中国自动化网，GPS全球卫星定位系统及定位原理，http：∥wenku baidu．com，2006．