據(jù)《硅谷》雜志2012年第21期刊文稱，針對(duì)電力行業(yè)地理信息中的主要采集方法GPS進(jìn)行技術(shù)背景解析，闡述發(fā)展軌跡及技術(shù)構(gòu)成，提供分類別。
關(guān)鍵詞：電力地理信息;GPS測(cè)地技術(shù);分析
引言
地球自然體是GPS測(cè)量的基點(diǎn)，由巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈組成。GPS的應(yīng)用來(lái)于數(shù)字地球(虛擬地球)概念的提出和延伸。最早的地球概念是二維得：最早見(jiàn)于公元前27世紀(jì)蘇美爾人的陶片地圖，其后經(jīng)歷各種演變與推進(jìn)，如中國(guó)西晉裴秀的《禹貢地域圖》、《地形方丈圖》、18世紀(jì)法國(guó)卡西尼父子完成的1：56000地形圖。
近代形成了三維地球的概念，如1909年美國(guó)W.賴特拍攝的第一張航空照片，1930年中國(guó)錢塘江首次航空攝影測(cè)量，1957年前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天，二十世紀(jì)70年代衛(wèi)星遙感圖象185km185km全球覆蓋。
到現(xiàn)代這一概念進(jìn)化為數(shù)字地球(虛擬地球)。如1981年美國(guó)阿爾.戈?duì)柼岢?ldquo;信息高速公路”概念，1993年美國(guó)將“信息高速公路”定名為“國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施”，1994年美國(guó)提出“全球信息基礎(chǔ)設(shè)施”，1998年可獲得分辨率1m的衛(wèi)星多波段遙感圖象。
1、GPS的技術(shù)概念
計(jì)算計(jì)硬軟件的發(fā)展、海量存儲(chǔ)、Internet網(wǎng)絡(luò)、Web等技術(shù)最終支撐起了地理信息系統(tǒng)(GIS)，GPS、RS(遙感)構(gòu)成的3S技術(shù)。GIS與Web的結(jié)合拓建了空間數(shù)據(jù)框架、多維信息空間。空間數(shù)據(jù)框架由1:100萬(wàn)地形圖、水系、道路、居民地等16個(gè)層面組成。地理空間數(shù)據(jù)由大地測(cè)量控制、正射影像、地形高程、交通水文境界地藉等組成。GPS則是建立數(shù)字地球的采數(shù)工具。對(duì)于電力應(yīng)用而言，現(xiàn)代化電力運(yùn)行的地理信息系統(tǒng)也需依托于這一技術(shù)，并成形新的測(cè)量學(xué)。
測(cè)量學(xué)是定位科學(xué)，分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。絕對(duì)定位直接獲得點(diǎn)位坐標(biāo)，相對(duì)定位三要素:距離、水平角度、高差。點(diǎn)、線、面、體是三維空間的幾何要素，點(diǎn)位是描寫(xiě)位置與幾何關(guān)系的基本幾何要素。測(cè)量工作的成果是點(diǎn)的坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系。
2、空間點(diǎn)位的數(shù)學(xué)描述
平面投影基準(zhǔn)即參考橢球體參數(shù)的建立。參考橢球的條件構(gòu)成的形狀與大小為長(zhǎng)半徑(a)、偏率f。參考橢球與地球的相關(guān)條件為定位(X、Y、Z)和定向(RX、RY、RZ)。坐標(biāo)與坐標(biāo)系統(tǒng)的建立基于地心地固(ECEF)直角坐標(biāo)系。ECEF直角坐標(biāo)系三軸分別為X、Y、Z。點(diǎn)位描寫(xiě)分別用Xi、Yi、Zi表示。大地坐標(biāo)系由緯度、經(jīng)度、大地高(橢球高)構(gòu)成。
帶區(qū)投影直角坐標(biāo)系坐標(biāo)為Ni和Ei。標(biāo)準(zhǔn)分帶則有3帶、6帶之分。區(qū)投影參數(shù)決定了中央子午線經(jīng)度(帶號(hào))、中央子午線尺度比、原點(diǎn)緯度、原點(diǎn)北移值、原點(diǎn)西移值。按投影參數(shù)的選定表示有標(biāo)準(zhǔn)帶區(qū)、自定義帶區(qū)。
3、高斯投影與墨卡托投影
地平坐標(biāo)系(假定平面直角坐標(biāo)系)中每點(diǎn)的地平坐標(biāo)分別描述為xi、yi。電力建筑坐標(biāo)系、電力工程坐標(biāo)系適用于地面假定平面直角坐標(biāo)系。
高程與高程系統(tǒng)中的大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面適用于高程投影基準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面，包括不規(guī)則幾何體、平均海水面重力等位面正高起算面。
似大地水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面接近，正常高起算面我國(guó)采用正常高系，如1956黃海高程系統(tǒng)、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。地面點(diǎn)的高程中，大地高(h)指地面點(diǎn)沿法線方向到參考橢球的間距，正高(H)指地面點(diǎn)沿重力方向到大地水準(zhǔn)面的間距，正常高(H)指地面點(diǎn)沿重力方向到似大地水準(zhǔn)面的間距。
4、基本測(cè)量工作
常規(guī)測(cè)量之一為光、機(jī)式，常規(guī)測(cè)量之二光、機(jī)、電式，還包括GPS測(cè)量(電子式)。GPS技術(shù)使測(cè)地工作發(fā)生重大變革。光、機(jī)式測(cè)量中，長(zhǎng)度為距離，丈量使用鋼尺(機(jī)械比長(zhǎng))。角度為水平角測(cè)量使用經(jīng)緯儀(光學(xué))，高差為水準(zhǔn)測(cè)量使用水準(zhǔn)儀(光學(xué))，記錄為手工方式使用記錄手簿。光、機(jī)、電式中，電子全站儀長(zhǎng)度為紅外光電測(cè)距(光電)，角度為編碼度盤(光電)，高差為測(cè)距三角高程(光電)，記錄為電磁方式。
GPS測(cè)量(電子式)接收為GPS信號(hào)，即基線向量(弦長(zhǎng)、方位角、大地高差)。
5、GPS測(cè)地定位原理
GPS測(cè)定中空間距離后方交會(huì)，X、Y、Z為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)，Xi、Yi、Zi為衛(wèi)星星歷(坐標(biāo))。GPS單點(diǎn)定位原理基于空間距離方程：
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的測(cè)距信號(hào)中，P碼為軍用精密導(dǎo)航定位測(cè)距碼(保密)，C/A碼為捕獲P碼的工具，用于民用導(dǎo)航定位，D碼即數(shù)據(jù)碼。L1載波頻率1575MHz，應(yīng)用于運(yùn)載工具。L2載波頻率1227MHz，應(yīng)用于運(yùn)載工具。
6、GPS衛(wèi)星系統(tǒng)組成
衛(wèi)星系統(tǒng)基于29顆GPS衛(wèi)星，分布在6個(gè)軌道，運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，主要功能為播發(fā)GPS信號(hào)。GPS具有原子時(shí)系統(tǒng)，是基于精密測(cè)時(shí)的定位系統(tǒng)。精密的時(shí)間系統(tǒng)是GPS的基礎(chǔ)。時(shí)間系統(tǒng)包含時(shí)間尺度、時(shí)間原點(diǎn)與計(jì)時(shí)方式。GPS采用原子時(shí)為尺度、以1980年1月6日0時(shí)為原點(diǎn)、以周與周秒的方式計(jì)時(shí)。時(shí)刻是時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)。
UTC是協(xié)調(diào)世界時(shí)，其時(shí)間尺度為原子時(shí)、其時(shí)間原點(diǎn)(格林威治)、計(jì)時(shí)方式(年月日、時(shí)分秒)與世界時(shí)一致，世界時(shí)與UTC時(shí)是GPS的實(shí)用參考。
GPS以精確測(cè)時(shí)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距，C/A碼是偽隨機(jī)二進(jìn)制碼，也是衛(wèi)星的標(biāo)識(shí)符。在接收機(jī)上可同步復(fù)制與衛(wèi)星同結(jié)構(gòu)的C/A碼，比對(duì)測(cè)時(shí)。復(fù)制碼與接收來(lái)自衛(wèi)星的C/A碼比對(duì)基于時(shí)間同步。碼相位測(cè)距類似于脈沖式光電測(cè)距。碼相位式的P碼測(cè)距與C/A碼測(cè)距原理相同。
7、GPS觀測(cè)及誤差
同步觀測(cè)是生產(chǎn)基線向量的工藝，相對(duì)定位至少需要使用兩臺(tái)(多則不限)接收機(jī)同步觀測(cè)，觀測(cè)處理后的成果是基線向量。
觀測(cè)中要求各接收機(jī)的采樣率一致，也是時(shí)間同步的體現(xiàn)。
GPS測(cè)量的誤差源衛(wèi)分為星鐘差(某時(shí)刻原子鐘與GPS時(shí)之差)、星歷誤差(衛(wèi)星軌道誤差)、接收機(jī)鐘差(某時(shí)刻石英鐘與GPS時(shí)之差)、操作誤差(對(duì)中、整平、量天線高)。產(chǎn)生原因主要為電離層、對(duì)流層延遲(群折射路徑延長(zhǎng))和多路徑效應(yīng)影響(多路反射波)。
8、結(jié)語(yǔ)
GPS地理信息采集技術(shù)得益于微電子與網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)的普及，隨著配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展與推廣，可以大規(guī)模、成效益地應(yīng)用與電力基礎(chǔ)工業(yè)。在目前推行的電力地理信息管理系統(tǒng)中，自動(dòng)化數(shù)據(jù)的傳輸需建立在各基點(diǎn)的準(zhǔn)確定位上，目前成熟穩(wěn)定的GPS技術(shù)成為最主要的技術(shù)選擇。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控隨著GPS地理信息采集技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)擺脫了單純的站內(nèi)或饋線采集箱采集的模式，線路狀態(tài)的監(jiān)控從點(diǎn)已經(jīng)推進(jìn)到線并逐漸普及到面。GPS相關(guān)技術(shù)的研發(fā)在未來(lái)的電力應(yīng)用領(lǐng)域必將得到廣泛的應(yīng)用。
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