硅谷：电力地理信息GPS测地技术分析
时间：2013-01-16浏览： 次责任编辑：四川拓图测绘仪器
据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，针对电力行业地理信息中的主要采集方法GPS进行技术背景解析，阐述发展轨迹及技术构成，提供分类别。
引言
地球自然体是GPS测量的基点，由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈组成。GPS的应用来于数字地球（虚拟地球）概念的提出和延伸。最早的地球概念是二维得：最早见于公元前27世纪苏美尔人的陶片地图，其后经历各种演变与推进，如中国西晋裴秀的《禹贡地域图》、《地形方丈图》、18世纪法国卡西尼父子完成的1：56000地形图。
近代形成了三维地球的概念，如1909年美国W.赖特拍摄的第一张航空照片，1930年中国钱塘江首次航空摄影测量，1957年前苏联第一颗人造卫星上天，二十世纪70年代卫星遥感图象85km全球覆盖。
到现代这一概念进化为数字地球（虚拟地球）。如1981年美国阿尔.戈尔提出“信息高速公路”概念，1993年美国将“信息高速公路”定名为“国家信息基础设施”，1994年美国提出“全球信息基础设施”，1998年可获得分辨率1m的卫星多波段遥感图象。
1、GPS的技术概念
计算计硬软件的发展、海量存储、Internet网络、Web等技术最终支撑起了地理信息系统（GIS），GPS、RS（遥感）构成的3S技术。GIS与Web的结合拓建了空间数据框架、多维信息空间。空间数据框架由1:100万地形图、水系、道路、居民地等16个层面组成。地理空间数据由大地测量控制、正射影像、地形高程、交通水文境界地藉等组成。GPS则是建立数字地球的采数工具。对于电力应用而言，现代化电力运行的地理信息系统也需依托于这一技术，并成形新的测量学。
测量学是定位科学，分为绝对定位和相对定位。绝对定位直接获得点位坐标，相对定位三要素:距离、水平角度、高差。点、线、面、体是三维空间的几何要素，点位是描写位置与几何关系的基本几何要素。测量工作的成果是点的坐标构成的坐标系。
2、空间点位的数学描述
平面投影基准即参考椭球体参数的建立。参考椭球的条件构成的形状与大小为长半径（a）、偏率f。参考椭球与地球的相关条件为定位（X、Y、Z)和定向（RX、RY、RZ）。坐标与坐标系统的建立基于地心地固（ECEF）直角坐标系。ECEF直角坐标系三轴分别为X、Y、Z。点位描写分别用Xi、Yi、Zi表示。大地坐标系由纬度、经度、大地高（椭球高）构成。
带区投影直角坐标系坐标为Ni和Ei。标准分带则有3带、6带之分。区投影参数决定了中央子午线经度（带号）、中央子午线尺度比、原点纬度、原点北移值、原点西移值。按投影参数的选定表示有标准带区、自定义带区。
3、高斯投影与墨卡托投影
地平坐标系（假定平面直角坐标系）中每点的地平坐标分别描述为xi、yi。电力建筑坐标系、电力工程坐标系适用于地面假定平面直角坐标系。
高程与高程系统中的大地水准面与似大地水准面适用于高程投影基准大地水准面，包括不规则几何体、平均海水面重力等位面正高起算面。
似大地水准面与大地水准面接近，正常高起算面我国采用正常高系，如1956黄海高程系统、1985国家高程基准。地面点的高程中，大地高（h）指地面点沿法线方向到参考椭球的间距，正高（H）指地面点沿重力方向到大地水准面的间距，正常高（H）指地面点沿重力方向到似大地水准面的间距。
4、基本测量工作
常规测量之一为光、机式，常规测量之二光、机、电式，还包括GPS测量（电子式）。GPS技术使测地工作发生重大变革。光、机式测量中，长度为距离，丈量使用钢尺（机械比长）。角度为水平角测量使用经纬仪（光学），高差为水准测量使用水准仪（光学），记录为手工方式使用记录手簿。光、机、电式中，电子全站仪长度为红外光电测距（光电），角度为编码度盘（光电），高差为测距三角高程（光电），记录为电磁方式。
GPS测量（电子式）接收为GPS信号，即基线向量（弦长、方位角、大地高差）。
5、GPS测地定位原理
GPS测定中空间距离后方交会，X、Y、Z为测点点位坐标，Xi、Yi、Zi为卫星星历（坐标）。GPS单点定位原理基于空间距离方程：
- 1=—[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]
- 2=—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]
- 3=—[(X3-X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]
- ……
GPS的测距信号中，P码为军用精密导航定位测距码（保密），C/A码为捕获P码的工具，用于民用导航定位，D码即数据码。L1载波频率1575MHz，应用于运载工具。L2载波频率1227MHz，应用于运载工具。
6、GPS卫星系统组成
卫星系统基于29颗GPS卫星，分布在6个轨道，运行周期为11小时58分，主要功能为播发GPS信号。GPS具有原子时系统，是基于精密测时的定位系统。精密的时间系统是GPS的基础。时间系统包含时间尺度、时间原点与计时方式。GPS采用原子时为尺度、以1980年1月6日0时为原点、以周与周秒的方式计时。时刻是时间坐标点。
UTC是协调世界时，其时间尺度为原子时、其时间原点（格林威治）、计时方式（年月日、时分秒）与世界时一致，世界时与UTC时是GPS的实用参考。
GPS以精确测时实现精确测距，C/A码是伪随机二进制码，也是卫星的标识符。在接收机上可同步复制与卫星同结构的C/A码，比对测时。复制码与接收来自卫星的C/A码比对基于时间同步。码相位测距类似于脉冲式光电测距。码相位式的P码测距与C/A码测距原理相同。
7、GPS观测及误差
同步观测是生产基线向量的工艺，相对定位至少需要使用两台（多则不限）接收机同步观测，观测处理后的成果是基线向量。
观测中要求各接收机的采样率一致，也是时间同步的体现。
GPS测量的误差源卫分为星钟差（某时刻原子钟与GPS时之差）、星历误差（卫星轨道误差)、接收机钟差（某时刻石英钟与GPS时之差）、操作误差（对中、整平、量天线高）。产生原因主要为电离层、对流层延迟（群折射路径延长）和多路径效应影响（多路反射波）。
8、结语
GPS地理信息采集技术得益于微电子与网络工程技术的普及，随着配网自动化的发展与推广，可以大规模、成效益地应用与电力基础工业。在目前推行的电力地理信息管理系统中，自动化数据的传输需建立在各基点的准确定位上，目前成熟稳定的GPS技术成为最主要的技术选择。设备的状态监控随着GPS地理信息采集技术的应用，已经摆脱了单纯的站内或馈线采集箱采集的模式，线路状态的监控从点已经推进到线并逐渐普及到面。GPS相关技术的研发在未来的电力应用领域必将得到广泛的应用。
信息标题：硅谷：电力地理信息GPS测地技术分析
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