GPS 技術在公路工程中的應用

余金巧

全球定位系統GPS(Global Positioning System)是美國陸海空三軍聯合研制的衛星導航系統，具有全球性、全天候、連續性、實時性導航定位和定時功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。單點導航定位與相對測地定位是GPS應用的兩個方面;對常規測量而言相對測地定位是主要的應用方式。

相對測地定位是利用L1和L2載波相位觀測值實現高精度測量，其原理是采用載波相位測量局域差分法:在接收機之間求一次差，在接收機和衛星觀測歷元之間求二次差，通過兩次差分計算解算出待定基線的長度;求解整周模糊度是其關鍵技術，根據算法模型，設計了靜態、快速靜態以及RTK等作業模式。靜態作業模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量;快速靜態測量以其高效的作業效率與厘米級精度廣泛應用于一般的工程測量;而RTK測量以其快速實時，厘米級精度等特點廣泛應用于數據采集(如碎部測量)與工程放樣中。RTK技術代表著GPS相對測地定位應用的主流。

1 GPS在公路定測中的作業模式

1.1 選擇作業時段

線路沿線地物地貌復雜多變，為獲取完整的數據，必須根據衛星可見預報和天氣預報選擇最佳觀測時段。衛星的幾何分布越好，定位精度就越高，衛星的分布情況可用planning軟件查看多項預測指標，根據預測結果合理安排工作計劃。

1.2 建立測區平面控制網

根據中線放樣資料，用GPS靜態測量方法建立測區控制網，相鄰點間距5 km～8 km，并與國家點聯測，求出各控制點平面坐標，同時投影變形不得不考慮，變形的程度與測區地理位置和高程有關，公路路短則數十千米，長則幾百千米，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬別，長度變形各不相同。在3°投影帶的邊緣，長度變形很大，導致中線樁由圖上反算的放樣長度與實地測量長度不一致，無法滿足放樣要求。因此必須采取相應的措施削弱長度變形。

1.3 高程控制測量

GPS得到的高程是大地高，而實際采用的是正常高，需要將大地高轉化為正常高。而測區的高程異常是未知數，且高程異常的變化較復雜，特別在山區精度較差。此外，新線定測要求約每隔4 km常設置水準點，而有些地形環境不能滿足GPS觀測的條件，采用高程擬合的方法擬合的高程精度不能得到保證。完全用GPS替代等級水準難度大。因此等級水準仍采用水準儀作業模式。

1.4 求取地方坐標轉換參數

合理選擇控制網中已知的WGS84和國外當地坐標(或地方獨立網格坐標)以及高程的公共點，求解轉換參數，為RTK動態測量做好準備。選擇轉換參數時要注意以下兩個問題:1)要選測區四周及中心的控制點均勻分布;2)為提高轉化精度，最好選3個以上的點，利用最小二乘法求解轉換參數。

1.5 基準站選定

基準站設置除滿足GPS靜態觀測的條件外，還應設在地勢較高，四周開闊的位置，便于電臺的發射。可設在具有地方網格坐標和WGS84坐標的已知點上，也可在未知點上設站。

1.6 放樣內業數據準備

利用測量內外業一體化程序完成全部計算工作。將線路的起點坐標、方位角、加直線長度輸入，程序根據里程計算出全線待放樣點的坐標，其中直線上每50 m一個點，地形變換處加一個點。按相應的數據格式將放樣點坐標導出成DATA文件，通過軟件將文件導入到外業掌上電腦供外業調用。

1.7 外業操作

將基準站接收機設在基準點上，開機后進行必要的系統設置、無線電設置及天線高等輸入工作。流動站接收機開機后首先進行系統設置，輸入轉換參數，再進行流動站的設置和初始化工作。通常公布的坐標系統和大地水準面模型不考慮投影中的當地偏差，因此要通過點校正來減少這些偏差，獲得更精確的當地網格坐標，且確保作業區域在校正的點范圍內。

2 實例

2.1 GPS控制網設計

由于GPS控制網有以下優點，我們決定采用GPS做導線。

1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。GPS靜態定位技術和動態定位技術相結合的方法可以高效、高精度地完成鐵路平面控制測量。

2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5 mm+1 ppm，而紅外儀標稱精度為5 mm+5 ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50 km的基線上，其相對定位精度可達12×10－6，而在100 km～500 km的基線上可達10－6～10－7。

3)觀測時間短。采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30 min～40 min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS接收機的RTK法可在5 s以內求得測點坐標。

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

5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其他觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

6)全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。

我公司于埃塞俄比亞做了一條156 km的公路，考慮到路線的長度，布一級GPS網，每5 km布置2個GPS點。點位的選擇為開闊地，相互通視并且離公路中線50 m以上，以避免道路施工對GPS控制點的影響。并且選擇點位遠離高壓線、電視塔等一切有電磁波反射或吸收的位置。

在GPS數量的選擇上，我們購買了3臺GPS，以保證在3個GPS控制點上能同步觀測。每3個GPS控制點同步觀測的時間保證在45 min以上，以確保精度。

2.2 GPS外業觀測

觀測作業的主要任務，是捕獲GPS衛星信號對其進行跟蹤、接收和處理，已獲取所需的定位和觀測數據。其觀測工作主要包括:安置天線、觀測作業和觀測記錄等。在雷雨天氣安置天線時，應注意將其底盤接地，以防止雷擊。在觀測時要注意各接收機的觀測員應按觀測計劃規定的時間作業，確保同步觀測同一組衛星。觀測記錄需記下測站點，天線高，接收機號，開機及關機時間。

擺設GPS人員盡可能留在儀器旁邊，不要讓儀器離開視線范圍之外，數分鐘需至接收儀查看一次，注意數據有無持續接收、電池剩余電量等。

注意:任何意外造成儀器之定心、定平移動甚至傾倒，則立即關機重新架設，并在手簿上記錄關機及開機時間;斷電處理:換上新電池，重新開機，記錄斷電及重新開機時間;若有本身無法排除之困難，則立即回報并記錄狀況。

2.3 內業計算

外業工作結束后，數據下載時需要觀測手簿的信息來輔助下載。利用手簿上記載之接收儀序號找到對應之接收儀進行下載，若下載數據與手簿數據不符合者(如點號、天線高等)，將該數據記錄于手簿上，待下載完成之后詢問該擺站人員哪項信息才是正確的。

使用橢球面為WCG1984，投影到局部橢球Clarke1880，使用軟件為Trimble Geometrics Office，轉換球面坐標到UTM北37°帶上。

內業計算分數據錄入，基線處理，GPS環閉合差，GPS數據的最小約束平差，成果輸出。其中重要的部分為基線的處理，基線處理關系到GPS點位的精確度。用軟件處理完成后輸出坐標表、比例因子及其相對的點位精度。

通過以上對GPS測量的應用實例的探討，可以看出GPS在公路工程中的控制測量上具有很大的發展前景:

1)GPS作業有著極高的精度。它的作業不受環境和距離限制，非常適合于地形條件困難的地區、局部重點工程地區等。

2)GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。

3)GPS RTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。

4)GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率。一般GPS測量作業效率為常規測量方法的3倍以上。

[1]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M］.武漢:武漢大學出版社，2005.

[2]周 立.GPS測量技術[M］.鄭州:黃河水利出版社，2006.