GPS 測(cè)量技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用特點(diǎn)探討

李貴兵

（貴州省有色地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553004）

1 GPS系統(tǒng)的組成及工作原理分析

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

1.1.1 GPS系統(tǒng)的組成。GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測(cè)量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬km的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11h58min，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4～11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。

1.1.2 GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國(guó)本土。

1.1.3 GPS的接收的技術(shù)指標(biāo)。GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等。在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶來了極大的方便。

1.2 GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置 (三維坐標(biāo))。在GPS測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠饭こ炭刂茰y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 GPS測(cè)量在公路建設(shè)中應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來講，GPS測(cè)量有以下特點(diǎn)：

2.1 測(cè)站之間無需通視

測(cè)站間相互通視一直是測(cè)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(cè)站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。

2.2 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(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?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(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500km的基線上可達(dá)10-6～10-7。

2.3 觀測(cè)時(shí)間短

觀測(cè)時(shí)間短采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。

2.4 提供三維坐標(biāo)

GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

2.5 操作簡(jiǎn)便

GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。

2.6 全天候作業(yè)

GPS觀測(cè)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。

3 GPS在公路測(cè)量中的應(yīng)用

GPS測(cè)量方法相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量學(xué)說，GPS定位技術(shù)具有觀測(cè)點(diǎn)之間無需通視、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便以及全天候作業(yè)等主要特點(diǎn)。使其可以更好應(yīng)用于下列實(shí)際工作中：

3.1 繪制大比例尺地形圖

公路選線多是在大比例尺(1∶1000 或1∶2000)帶狀地形圖上進(jìn)行。用傳統(tǒng)方法測(cè)圖，先要建立控制點(diǎn)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。這種方法工作量大，速度慢，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量可以完全克服這個(gè)缺點(diǎn)，只需在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上停留一兩分鐘，即可獲得每點(diǎn)的坐標(biāo)、高程。結(jié)合輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，構(gòu)成帶狀所有碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可用繪圖軟件成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，因此大大降低了測(cè)圖難度。

3.2 公路中線放樣

設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來。采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量，只需將中樁點(diǎn)坐標(biāo)輸入到GPS電子手簿中，系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)測(cè)量都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。公路路線主要是由直線、緩和曲線、圓曲線構(gòu)成。放樣時(shí)，只要先輸入各主點(diǎn)樁號(hào)(ZH、HY、QZ、YH、HZ)，然后輸入起終點(diǎn)的方位角a1a，直線段距離D1、D2，緩和曲線長(zhǎng)度LS1、LS2，圓曲線半徑R，即可進(jìn)行放樣操作。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，比起傳統(tǒng)的弦線撥角法要快速得多。另外，如果需要在各直線段和曲線段間加樁，只需輸入加樁點(diǎn)的樁號(hào)就能自動(dòng)計(jì)算放樣元素。

3.3 公路的橫、縱斷面放樣和土石方數(shù)量計(jì)算

3.3.1 縱斷面放樣時(shí)，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中(如：各變坡點(diǎn)樁號(hào)、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑)，生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，并儲(chǔ)存起來，隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。

3.3.2 橫斷面放樣時(shí)，先確定出橫斷面形式(填、挖、半填半挖)，然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中(如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高)，生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，儲(chǔ)存起來，并隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。同時(shí)軟件可以自動(dòng)與地面線銜接進(jìn)行“戴帽“工作，并利用“斷面法”進(jìn)行土石方數(shù)量計(jì)算。通過繪圖軟件，可繪出沿線的縱斷面和各點(diǎn)的橫斷面圖。因?yàn)樗脭?shù)據(jù)都是測(cè)繪地形圖時(shí)采集而來的，不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量，大大減少了外業(yè)工作。必要時(shí)可用動(dòng)態(tài)GPS到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)復(fù)合，這與傳統(tǒng)方法相比，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，前景又廣闊。

3.4 橋梁結(jié)構(gòu)放樣。對(duì)于在江河上修建的大跨徑橋梁，采用傳統(tǒng)光學(xué)儀器和全站儀來定位是比較困難的，因?yàn)榻孢^寬、霧氣較大，易造成儀器讀數(shù)誤差。另外，天氣情況變化多端、觀測(cè)浮標(biāo)位置飄浮不定，影響定位精度。但GPS采用的是空間三點(diǎn)后方距離交會(huì)法原理來定位，不受江面外界情況干擾，點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求通視，大大提高了作業(yè)效率。它的平面坐標(biāo)定位精度在5mm ±1ppm左右，基線長(zhǎng)度有幾米到幾十公里，符合橋梁控制網(wǎng)的精度要求。

4 GPS在公路測(cè)量中的應(yīng)用展望

從上面的論述中，可以看到在高等級(jí)公路中，GPS測(cè)量正發(fā)揮著越來越大的功能，而且還有著很大的發(fā)展前景。GPS測(cè)量作業(yè)精度高。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合于國(guó)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。

4.1 GPS測(cè)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(dòng)紀(jì)錄，自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，自動(dòng)平差計(jì)算。

4.2 GPS-RTK 技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式。RTK 能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三位坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線，橋梁，隧道勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣，中線邊樁測(cè)量，點(diǎn)位測(cè)量等。

4.3 GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。一般GPS測(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的3倍以上。

4.4 在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺丘陵區(qū)發(fā)展的形勢(shì)下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量非常困難，GPS高程測(cè)量無疑是一種有效的手段。

5 結(jié)束語

GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem)是美軍發(fā)展建設(shè)的具有全球性、多用途、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和軍事等眾多領(lǐng)域中，在我國(guó)公路工程測(cè)量中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，GPS在現(xiàn)代公路建設(shè)中必將發(fā)揮更大的作用。

[1]肖遠(yuǎn)平.GPS高程擬合及其在公路勘察中的應(yīng)用研究[J].中南大學(xué)，2009-05-28.