公路工程測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用分析和探討

摘要：在公路測量中應(yīng)用全球定位系統(tǒng)，即GPS，具有精度高、速度快的特點(diǎn)。介紹了GPS的原理及其三大子系統(tǒng)，特別是GPS系統(tǒng)在公路測量中的應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

關(guān)鍵詞：GPS 探收機(jī) 公路測量 道路工程

0 引言

GPS，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美軍干20世紀(jì)70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來的具有全球性、全能性(陸地、海洋、航空與航天)、全天候性優(yōu)勢的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測速系統(tǒng)。GPS由三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)。

空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在地球6個(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星每12h《恒星時(shí)》沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘(基頻f=10.23MHz)控制無線電發(fā)射機(jī)在“低噪聲窗口”(無線電窗口中，2至8區(qū)間的頻區(qū)天線噪聲最低的一段是空間遙測及射電干涉測量優(yōu)先選用頻段)附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS導(dǎo)航信號。

地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測站、1個(gè)主控站和3個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：監(jiān)控站用GPS接收系統(tǒng)測量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控點(diǎn)。主控站接收各監(jiān)測站的GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測站和注入自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站；控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測站間，注入時(shí)間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPs用戶系統(tǒng)：診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。注入站接受主控站送達(dá)的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星。用戶接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

1 GPS幾何定位原理

測量學(xué)中有測距交會確定點(diǎn)位的方法。同理GPS衛(wèi)星定位也是利用測距交會的原理確定點(diǎn)位。假設(shè)在地面上有三個(gè)無線電信號發(fā)射臺，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻采用無線電測距的方法，分別測得接收機(jī)至三個(gè)發(fā)射臺的距離d1，d2，d3。只需以三個(gè)發(fā)射臺為球心，以d1，d2，d3為半徑做出三個(gè)定位球面，既可交會出用戶接收機(jī)的空間位置。反之利用3顆以上的衛(wèi)星已知位置又可交會出地面未知點(diǎn)(用戶接收機(jī))的位置。這就是GPS衛(wèi)星定位的基本原理一空間距離，后方交會。

在GPS定位中，GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速變化著。需要實(shí)時(shí)的由GPS衛(wèi)星信號測量出測站點(diǎn)至衛(wèi)星的距離，實(shí)時(shí)的由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測站點(diǎn)的定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與方法主要有偽距法定位、載波相位測量定位以及差分GPS定位等。對于待定點(diǎn)來說，根據(jù)其運(yùn)動狀態(tài)可將GPS定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點(diǎn)，將GPS接收機(jī)安置于其上，觀測數(shù)分鐘及至更長的時(shí)間，以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機(jī)分別置于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上。則通過一定時(shí)間的觀測，可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)之間的相對位置，又叫相對定位。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)，測定的是各觀測時(shí)刻(觀測歷元)運(yùn)動中的接收機(jī)的點(diǎn)位(絕對點(diǎn)位或相對點(diǎn)位)。

2 RTK技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

實(shí)時(shí)動態(tài)(RTK)定位有快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種測量模式，兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS地理信息系統(tǒng))前端數(shù)據(jù)采集。

2.1快速靜態(tài)定位模式要求GPs接收機(jī)在每一流動站上，靜止的進(jìn)行觀測。在觀測過程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求。便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測。一般應(yīng)用在控制測量中，如控制網(wǎng)加密；若采用常規(guī)測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5～1～n(隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時(shí)間還會縮短)，不及靜態(tài)測量所需時(shí)間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點(diǎn)加密工作。

2.2動態(tài)定位測量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測數(shù)分鐘進(jìn)行初始化工作，之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進(jìn)行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前。其定位精度可以達(dá)到厘米級。動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2～4s，精度就可以達(dá)到1m，且整個(gè)測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

3 GPS測量的缺陷和特點(diǎn)

3.1常規(guī)測量方法的缺陷

3.1.1規(guī)范對附合導(dǎo)線長、閉合導(dǎo)線長及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對于高等級公路均要求達(dá)到一級導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線附合或閉合長度最長不得超過10km，結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)間距不能超過附合導(dǎo)線長度的0.7倍。這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。

3.1.2搜集到的用于路線測量控制的起算點(diǎn)間一般很難保證為同一測量系統(tǒng)，國測、軍測、城市控制點(diǎn)往往混雜一起，這就存在系統(tǒng)間的兼容性問題，如果用不兼容的起算點(diǎn)。勢必影響測量質(zhì)量。

3.1.3國家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重，影響測量作業(yè)。由于國家基礎(chǔ)控制點(diǎn)，大多為20世紀(jì)五六十年代完成，經(jīng)過30多年，有些點(diǎn)由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要被破壞，有些點(diǎn)則由于人們?nèi)狈χR遭人為破壞。在這些地區(qū)進(jìn)行路線測量作業(yè)，往往在50km以上均找不到導(dǎo)線的聯(lián)測點(diǎn)。這樣路線控制測量的質(zhì)量得不到保證。

3.1.4地面通視困難往往影響常規(guī)測量的實(shí)施。一般路線的控制點(diǎn)要求布設(shè)在距路線的300m范圍內(nèi)。由于通視的原因，這一條件難以滿足，甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區(qū)，根本無法實(shí)施常規(guī)控制測量。

4 2GPS測量的主要特點(diǎn)

4.1測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。

4.2定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達(dá)1.2×10_-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10_-6～10_-7，

4.3觀測時(shí)間短。在小于20km的短基線上，快速相對定位一般只需5min的觀測時(shí)間即可。

4.4提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測站的大地高程。

4.5操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

4.6全天侯作業(yè)。GPS觀測可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。

5 GPS應(yīng)用展望

5.1GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合于國家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。

5.2GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量它不受人為因素的影響。整個(gè)作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計(jì)算。

5.3GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式。RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測量、點(diǎn)位測量等。

5.4GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強(qiáng)度，減少野外砍伐工作量。提高作業(yè)效率。一般GPs測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。

5.5GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。

6 結(jié)語

GPS在公路勘測中的應(yīng)用，對高等級公路的勘測手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，極大地提高了勘測精度和勘測效率，特別是實(shí)時(shí)動態(tài)(RTK)定位技術(shù)將在公路勘測、施工和后期養(yǎng)護(hù)、管理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。