浅谈测量仪器的发展历史

浅谈测量仪器的发展历史 【摘 要】对测量仪器的发展历史进行了简要回顾，对发展进程中 出现的问题进行了总结，介绍了 GPS的发展历史与应用。 【关键词】测量仪器；发展历史；GPS 1测量仪器的发展历史 几千年前，人类的原始测量是从使用尺规开始的，人们对距离有了 定量的概念。古代中国发明了指南针作为测定方向的简便测量仪器，使人 们对角度有了认识。17世纪，意大利科学家伽利略发明了望远镜，人们运 用这一发明制造出水准仪、经纬仪、平板仪等一系列光学测量仪器，为测 绘科学掀开了崭新的一页。20世纪60年代以来，随着科学技术的发展带 来了测量技术的革命。应用现代光学、电子学技术研制了激光测距仪。测 距仪的应用，逐渐结束了钢尺量距的历史，这不仅大大提高了测量精度和 工作效率，还大大降低了野外劳动强度。在控制测量中，使原来单一的三 角网发展为边角网和测边网。70年代以后，以电子计算机为代表的信息 技术飞速发展，促使测量仪器的发展产生了质的飞跃。电子经纬仪、全站 仪、数字化水准仪先后应运而生，不仅实现了测量数据的自动数字显示， 还完成了测量数据的存储和传输，迈出了测量自动化、数字化的步伐。90 年代以来，GPS测量技术的应用，使传统大地测量进入了空间大地测量的 新时代。GPS的应用突破了传统大地测量通过测量角度、距离、高差来计 算大地平面坐标和高程的概念，而是直接获取平面和高程3维坐标。无论 从精度上和作用范围上都大大地超过了传统大地测量的技术。 2传统测量方法及国家控制网现状 距离、角度、高差是测量工作中三个基本观测量。传统测量的方法 是用这三个基本量解算出点的平面坐标和高程。在传统测量中，平面和高 程是两个相互独立的系统，控制点和水准点彼此之间没有联系。 传统大地测量控制网在国民经济建设中起着不可替代的作用。其平 面控制网和高程控制网分别建立，各成系统。网形是由三角形和四边形来 构成，三角点必须设置在制高点，以保证点间通视，三角点构成的网形要 求具有较强的几何图形，以保证坐标传递时的精度。高程控制网中点与点 之间的高差是利用水准仪一站一站测量高差的累计来完成的，因此水准点 要选择在地势平坦和交通方便的道路附近。建国以来，我国测绘工作者在 全国范围内沿着经纬线方向布设了一等三角锁总长近80000km, 一、二等 三角点共计50000多个，构成了我国平面控制的基本网；高程方面，一等 水准网总长度约90000km [1]。 3 GPS的发展历史和技术特点 1957年10月世界上第一颗卫星发射成功，开始了利用人造地球卫星 进行定位和导航，进而获得地表点位的4维坐标（时间已作为一个定位重 要的参数）的测量结果。1958年美国海军武器实验室委托霍普金斯大学物 理实验研究室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系 统。由于这一系统卫星轨道通过地极，又称子午卫星导航系统。1964年北 极星核潜艇的导航定位研制成功，用于军舰导航定位。1967年7月经美 国政府批准，对广播星历进行了解密，并提供民用海上定位服务，显示卫 星定位的巨大潜力。人们对子午仪卫星定位技术进行一系列研究，使卫星 轨道测量的精度提高，改进了用户接收机的性能。子午仪卫星导航系统是 人们始终致力于卫星定位和导航研究工作的一个里程碑。 由于子午卫星系统采用6颗卫星，地面上卫星的通过时间较长，这 样一台多普勒接收机一般需要观测15次，定位精度才达到10m左右，不 能提供实时短距离高精度的定位和导航服务，难以用于城市测量、工程测 量、地震监测等方面任务。 为克服多普勒系统的缺陷，第二代卫星导航系统应运而生。GPS全球 定位系统是以卫星为基础的无线电导航系统，可为航空、航天、陆地、海 洋的用户提供3维的导航、定位和定时。与其他测绘技术相比，该系统具 有全球连续覆盖、定位精度高快速、被动式全天候观测无需通视、操作简 便、抗干扰能力强等优点使其应用领域不断扩大。虽然美国军方从战略目 的出发，采取选择可用性和反电子欺骗技术，但目前相位观测法可以绕过 SA的影响，消除大部分人为加入的误差，其应用已不仅限于导航定位的 军事用途，还用于大地测量学、地球动力学、大气科学、灾害监测等。 选择适宜方式，GPS测量方法足以完成传统测量的绝大部分工作。与 传统测量比较，GPS测量技术有下列特点 传统测量需要逐点推算，存在误差累计，有时需要过渡点，故精度 不高，且劳动强度大、自动化程度低。GPS卫星定位技术直接获取高精度 的3维坐标，各点不存在逐点推算和误差积累，无需过渡点，因而具有设 计和布点以及定位操作灵活、高精度、多用途等以及在降低劳动强度、高 效自动化等方面有着常规测量无法比拟的优势。资料表明GPS点的相对精 度可以达到1/100000001/ 100000000,而且精度均匀。 传统测量需要两点间通视，对几何图形条件有一定要求。GPS空间 大地测量对地理条件和作业条件要求较低，GPS点间的建立无需点间通视, 使用双频机距离几乎不受限制，又与几何图形条件基本无关，对点、网形 要求相对较弱，可保证坐标传递的精度。 传统测量的控制点是分等级的。而GPS测量，由于电离层效应和对 流层效应具有相似的属性，短边长的网观测精度反而高些，使得高级网对 低级网的“控制”作用减弱了；数据处理上，不再对一、二、三、四等网 分别处理，GPS空间大地测量观测量是等权的，不受边长制约［2］。 采用高精度分析软件、精密星历、与国际跟踪站联测的办法进行解 算、平差，可获得更高精度的成果。据近几年来全球网测量结果比较表明， 其精度已与SLR、VLBI相媲美，但GPS接收机轻巧方便、价格较低、时空 密度高，可以满足大地测量网改造和工程应用之急需，具有更优越条件和 更广泛的应用前景。 4 GPS定位技术和应用发展 我国自上世纪70年代开始引进和试制各种卫星观测仪器，建立了 1980年国家大地坐标系，进行了海岛联测，80年代初引进了 GPS接收机 开始应用于各个领域，截至1998年，据估计我国接收机拥有量约40000 台，并以每年20000台的速度增加，足见GPS技术在我国各行业应用的 广泛⑶。 在工程测量领域，GPS高精度静态定位布设精密控制网用于城市和矿 区油田地面沉降监测、大坝变形监测、，高层建筑变形监测、隧道贯通测 量等精密工程，GPS实时动态定位技术简称RT K,即Real- Time- Kinematics ,快速建立小范围控制网，加密测图控制点，测绘大比例 尺地形图和用于施工放样，同时对各种定位应用技术及误差的研究和高 精度定位、定轨软件的开发应用，以及局域差分技术定位试验，都是当 前GPS技术在工程测量领域应用研究的几个方向。 参考文献 [1]绍铃,张华海，杨志强等.GPS测量原理与应用[M].武汉武汉测 绘科技大学出版社,1998. 2]陈俊勇.世纪之交的全球定位系统及其应用m.测绘学 报,1999, 281 5-10, [3]陈俊勇等.迈入新千年的大地测量学[M].测绘学 报,2000, 201 11, 作者简介 李恩军，男，辽东学院工程管理专业08级本科生。 李纯兴，男，辽东学院资源环境与城乡规划管理