ＧＰＳ—ＰＰＫ技術在高速公路測量中的應用

　　摘要　對GPS測量技術和方法及GPS動態(tài)后處理(Post ProcessingKinetic)原理和在高速公路線性測量作業(yè)的過程進行介紹，并對GPS動態(tài)后處理作業(yè)模式與GPS—RTK作業(yè)模式進行比較。
　　關鍵詞　GPS；GPS—RTK；GPS-PPK；PPK與RTK
　　中圖分類號　P217　文獻標識碼　A　文章編號　1005-6432(2009)27-0070-02
　　
　　1　GPS測量技術和方法
　　
　　隨著科技的發(fā)展，GPS測量技術和方法也在不斷地改進和更新，目前用得最多的GPS測量技術和方法有如下幾種：靜態(tài)和快速靜態(tài)定位，動態(tài)差分GPS，GPS—RTK，GPS-PPK技術等。
　　1，1靜態(tài)與快速靜態(tài)定位技術
　　所謂靜態(tài)定位，就是在進行GPS定位時，認為接收機的天線在整個觀測進程中的位置是保持不變的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式是多臺接收機在不同的觀測站上進行靜止同步觀測，觀察時間由幾十分鐘、幾小時到數(shù)十小時不等。
　　
　　由于普通的靜態(tài)定位技術需要的觀測時間較長，影響了其在低等級控制測量中的競爭力，從而產(chǎn)生了快速靜態(tài)定位技術。快速靜態(tài)利用載波相位觀測值本身具有的毫米級或更高的精度，故只需幾分鐘的觀測就可滿足厘米級定位的需求。
　　1，2動態(tài)差分GP5原理
　　偽距差分是目前采用最廣泛的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS接收機均采用這種技術。在基準站上的接收機計算得它至可見衛(wèi)星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測距誤差來修正測量的偽距，再利用修正后的偽距求解出自身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。
　　這種差分的優(yōu)點如下：
　　(1)由于計算的偽距改正數(shù)是直接在WGS－84坐標系上進行的，這就是說得到的是直接改正數(shù)，不用先變換為當?shù)刈鴺耍虼四苓_到很高的精度。
　　(2)基準站能提供所有衛(wèi)星的改正數(shù)，而用戶可允許接收任意四顆衛(wèi)星進行改正，不必擔心兩者是否完全相同。因此，用戶可采用具有差分功能的簡易接收機即可。
　　1，3 GP5-RTK定位技術
　　RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站點坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GP$觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時處理，一般幾秒鐘就可固定整周未知數(shù)解，同時給出厘米級定位結果。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持五顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。RTK技術的關鍵在于數(shù)據(jù)處理技術和數(shù)據(jù)傳輸技術，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機，數(shù)據(jù)量比較大。數(shù)據(jù)傳輸可通過數(shù)傳電臺、GSM網(wǎng)絡以及GPRS網(wǎng)絡等來實現(xiàn)。
　　1，4 GP5動態(tài)后處理(PPK)工作原理和作業(yè)過程
　　GPS動態(tài)后處理是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術，其系統(tǒng)由基準站和流動站組成。其主要作業(yè)過程包括外業(yè)觀測數(shù)據(jù)和內業(yè)處理數(shù)據(jù)。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)：在已知點架設基準站，記錄該站的GPS數(shù)據(jù)；在未知點架設流動站，通過幾分鐘初始化求解整周模糊度到GPS天線的波長數(shù)，測量一個未知點僅要三個歷元，大約需要15秒鐘。內業(yè)數(shù)據(jù)處理：將基準站和流動站數(shù)據(jù)導人電腦，利用相應的軟件進行基線解算；PPK模式測量的坐標系統(tǒng)是WGS一84坐標系，若要得到北京54或當?shù)刈鴺耍枰蠼釽GS-84坐標系至北京54或當?shù)刈鴺讼档霓D換參數(shù)，將WGS-84坐標轉換成北京54或當?shù)刈鴺耍娇赏瓿伞?br/>　　
　　2　GPS—PPK技術在高速公路測量中的應用(實例)
　　
　　2，1任務與目的
　　對河南高速公路發(fā)展有限責任公司管轄范圍長達2200公里正在運營的高速公路，采用GPS—PPK技術測量現(xiàn)有高速公路的中線、縱斷面，擬合出公路的三維曲線，計算出百米樁的大地坐標。
　　2，2作業(yè)方法
　　將十臺GPS接收機(設置為靜態(tài))分別架設在相鄰的十個高速公路D級GPS控制網(wǎng)點上，衛(wèi)星截止高度角設置為15度，數(shù)據(jù)采樣率設置為1秒，并記錄點名及開、關機時間。GPS流動站車開始沿高速公路左、右側采集現(xiàn)有高速公路的中線、縱斷面。GPS接收機設置為自動記錄，點名自動累加1(若第一點為A000001，則第二點為A000002)，沿路采集現(xiàn)有高速公路的線型。
　　GPS流動站車的安裝：首選帶頂棚和前保險杠的車，將GPS天線固定在頂棚上，量取天線高。在前保險杠左前方安裝定向裝置，以利于GPS流動站車保持相對固定(沿高速公路中央分隔帶邊沿線)的行駛路線。根據(jù)正在運行的高速公路規(guī)定的最低行車速度60公里／小時，將車頂GPS設置為準動態(tài)模式，衛(wèi)星截止高度角設置為15度，數(shù)據(jù)采樣率設置為1秒，衛(wèi)星狀態(tài)及模式設置為自動。
　　2，3內業(yè)數(shù)據(jù)處理
　　基線解算采用LEICA公司SKI12，11版軟件，解算方法與快速靜態(tài)測量模式相同。為了保證GPS準動態(tài)測量的正確性，基線解算時保證每個流動站至少與兩個固定站能夠正確解算出整周未知數(shù)，若整周未知數(shù)未解出或解算不可靠，該點應舍棄。
　　2，4精度驗證
　　為了檢驗GPS-PPK的精度，我們采用常規(guī)的GPS—RTK技術，對京珠高速漯河—駐馬店(64公里)段作為檢驗路段，按每25米采集一個三維坐標點，和GPS流動站車一樣沿高速公路左、右側采集現(xiàn)有高速公路的中線、縱斷面，擬合出公路的三維曲線。
　　兩種方法所擬合出的公路三維曲線基本重合點位最大偏差在15mm內，高程最大偏差在18mm內。由此可以確定兩種作業(yè)模式具有同樣的精度。
　　
　　3　GPS—PPK作業(yè)模式與GPS—RTK作業(yè)模式比較
　　
　　GPS—RTK與GPS—PPK作業(yè)模式主要區(qū)別是一個是實時，一個是后處理。
　　GPS—RTK技術是利用載波相位進行實時差分的GPS定位技術，其系統(tǒng)由基準站、流動站和數(shù)據(jù)鏈組成。GPS—RTK的數(shù)據(jù)鏈主要有三種形式：數(shù)傳電臺、GSM網(wǎng)絡以及GPRS網(wǎng)絡。這三種形式都存在作業(yè)上的盲區(qū)，數(shù)傳電臺作用范圍小，大約在10公里，容易受到高層建筑和山脈的阻擋，容易和別的無線通信信號相互干擾，同時設備沉重，加重外業(yè)測量的工作量；GSM網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡作用范圍大，但增加了額外的通信費用，而且在沒有手機信號的地方不能進行作業(yè)。
　　GPS-PPK技術是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術，沒有數(shù)據(jù)鏈，因此不存在上述問題，所以比GPS—RTK作用范圍大，成本相應地變小；尤其適合帶狀的路線測量工程。但同時GPS—PPK技術由于沒有數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)實時差分，在一些工程測量的應用受到限制，例如GPS—PPK技術不適用于施工放樣。在實際的測量工程中，應該從工程的實際需要和提高作業(yè)效率方面著手。選擇適當?shù)腉PS作業(yè)模式。
　　
　　4　結論
　　
　　GPS動態(tài)后處理技術的發(fā)展和成熟，使控制測量、工程測量等工程變得簡便，是一種很好的測量手段。從上述實例可以看出正在運營的高速公路車流量大，車速快，采用GPS—PPK技術，既提高了作業(yè)速度，又節(jié)約了生產(chǎn)成本，關鍵是提高了人員、設備的安全系數(shù)。在以后的各項工程中應合理地利用這一測量手