GPS技術(shù)的主要內(nèi)容及在路橋建設(shè)中的應(yīng)用

陳浮波

摘要：GPS全球定位系統(tǒng)作為新形式測(cè)量系統(tǒng)，已廣泛用于大地測(cè)量，工程測(cè)量，航空測(cè)量以及地形測(cè)量及在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用，在最近的兩年得到了迅速推廣，取得了較好的效益。

關(guān)鍵詞：GPS定位系統(tǒng)；公路工程；控制測(cè)量；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：F540.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

GPS技術(shù)概述

GPS系統(tǒng)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，和用戶端相應(yīng)的衛(wèi)星接收設(shè)備。空間際星群由均勻分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星群組成。地面控制系統(tǒng)由主控站，注入站和監(jiān)測(cè)站構(gòu)成，根據(jù)各自功能的協(xié)同工作。首先由監(jiān)控站接受衛(wèi)星信號(hào)，然后將GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制站，主控站根據(jù)監(jiān)控站提供的數(shù)據(jù)衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星釧的改正參數(shù)等，然后由注入站將主控站處理得到的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去，向衛(wèi)星發(fā)布指令，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以調(diào)度備用衛(wèi)星；GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成GPS用戶端，另外還需要必要的設(shè)備，如處理數(shù)據(jù)用的電腦等，GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最后通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，從而得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

工作原理。GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的坐標(biāo)計(jì)算采用距離交會(huì)法。在需要測(cè)設(shè)的目標(biāo)點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收了三顆以上的GPS衛(wèi)星群所發(fā)出的導(dǎo)航電文，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行一系列處理。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，然后結(jié)合監(jiān)控站收集的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)，就可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星的空間位置。

技術(shù)特點(diǎn)。（1）定位精度高。采用GPS方格網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)位精度高，大滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，精度大大提高。大型建筑物，構(gòu)造物變形監(jiān)測(cè)，在采用特殊的觀測(cè)措施，并優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型和計(jì)算方法后，精度會(huì)更高，誤差分布區(qū)域均勻，尤其是平面精度。（2）自動(dòng)化程度高，作業(yè)效率高。用GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常情況下一人即可完成全部作業(yè)，GPS的作業(yè)順序?yàn)椋喊惭bGPS接收機(jī)和天線，量測(cè)天線高，打開儀器，設(shè)定好參數(shù)，啟動(dòng)接受單元，就可開始接受作用。作業(yè)量較少，且程序簡(jiǎn)單，避免了人為作業(yè)帶來的誤差。將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，大大提高了工作效率，減少了其中人工操作帶來的誤差，保證了精度。（3）用途廣泛，GPS技術(shù)可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在工程測(cè)繪中，GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工程控制網(wǎng)的建立工作中，并在其它相關(guān)的檢測(cè)中同樣發(fā)揮著重要的作用，如在各種工程的自動(dòng)變形觀測(cè)中，也取得了很好的觀測(cè)效果，工程施工的自動(dòng)控制系統(tǒng)是未來應(yīng)用研究的重要方向。

GPS測(cè)量作業(yè)

GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)原則。GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)，必須根據(jù)工程的需要，按照測(cè)量規(guī)范，遵循從整體到局部，從高級(jí)到低級(jí)，逐級(jí)控制的原則實(shí)施，GPS網(wǎng)建立的一般要求為：（1）圖形閉合以增強(qiáng)圖形強(qiáng)度，增加檢核條件，評(píng)測(cè)測(cè)量質(zhì)量，即GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，GPS網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)邊一般構(gòu)成以下基本形狀：三角形，環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)。（2）必要的點(diǎn)位重合，以便確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。（3）注意與周邊控制網(wǎng)的配合，若需依此網(wǎng)按常規(guī)方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展控制網(wǎng)，還應(yīng)注意點(diǎn)間透視。

觀測(cè)步驟。（1）置儀器，對(duì)中整平后，按要求架好萊塢天線，將天線與接收機(jī)連接好，檢查確保無誤，方可開機(jī)。（2）在接收機(jī)中輸入高度角，采樣間隔和最小衛(wèi)星數(shù)，以及測(cè)站名，時(shí)段名，日期，測(cè)量人員姓名和天線高。（3）將接收機(jī)放在陰涼處，并時(shí)常查看接收機(jī)的工作狀況和所有收到的信息。（4）一個(gè)時(shí)段完成關(guān)閉接收機(jī)，進(jìn)行下一個(gè)時(shí)段的測(cè)量，在這一時(shí)段中，只需在開機(jī)后將時(shí)段名改變，其余各項(xiàng)與上一時(shí)段相同。

數(shù)據(jù)處理。（1）平差即運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差處理。（2）轉(zhuǎn)換：由空間地心坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到所采用的參考坐標(biāo)系。（3）投影。由空間坐標(biāo)系投影到采用的平面上，得到點(diǎn)的二維坐標(biāo)，進(jìn)行點(diǎn)的定位。

GPS系統(tǒng)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用

常規(guī)測(cè)量方法的缺陷

規(guī)范對(duì)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(duì)于高等級(jí)公路均要求達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線要求，這樣，導(dǎo)線附合或閉合長度最長不得超過10公里，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)。搜集到的用于路線測(cè)量控制的起算點(diǎn)間一般很難保證為同一測(cè)量系統(tǒng)，往往國測(cè)，軍測(cè)，城市控制點(diǎn)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)，熱必影響測(cè)量質(zhì)量。國家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重，影響測(cè)量作業(yè)，由于國家基礎(chǔ)控制點(diǎn)，大多為五六十年代完成，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(shí)遭人為破壞，在這些地區(qū)進(jìn)行路線測(cè)量作業(yè)，往往在50公里以上均找不到導(dǎo)線的聯(lián)測(cè)點(diǎn)，這樣路線控制測(cè)量的質(zhì)量得不到保證。

GPS測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用。

現(xiàn)已一實(shí)際施工為例，該市公工程全線長60公里，所處地形為重丘區(qū)，路線設(shè)計(jì)為6車道。該段有11個(gè)各種系統(tǒng)遙平面控制點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)地尋找，找出了7個(gè)，有4個(gè)被破壞，破壞中有2個(gè)國家II等點(diǎn)，在已找出的7個(gè)控制點(diǎn)中，國家測(cè)繪局系統(tǒng)1等點(diǎn)1個(gè)，III等點(diǎn)1個(gè)，城市測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)2個(gè)，總參軍控制點(diǎn)3個(gè)，這些平面控制點(diǎn)分屬不同測(cè)量系統(tǒng)，且等級(jí)不同。為提高該公路路段測(cè)量設(shè)質(zhì)量，決定在國家測(cè)繪系統(tǒng)基礎(chǔ)進(jìn)行控制點(diǎn)的加蜜，加密的控制點(diǎn)布設(shè)方案是：沿公路路線每10KM布設(shè)一對(duì)點(diǎn)，該對(duì)點(diǎn)相距約1KM，且應(yīng)通視良好。這樣，該段共設(shè)了6對(duì)GPS加密點(diǎn)，加密點(diǎn)的精度要達(dá)到四等控制網(wǎng)的要求。

GPS在公路工程的控制測(cè)量上的發(fā)展前景

（一）GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)，局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。（二）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)記錄，自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，自動(dòng)平差計(jì)算。（三）GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式，RTK能實(shí)地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(cè)量，點(diǎn)位測(cè)量等。（三）GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)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(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的三倍以上。（四）GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣，是GPS測(cè)量應(yīng)用的重要領(lǐng)域，特別是在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺重丘區(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)量有困難，GPS高程測(cè)量無疑是一種有效的手段。

結(jié)束語

GPS測(cè)量具有工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，成果精度高，施測(cè)成本低且可以全天候?qū)崟r(shí)連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，提高了觀測(cè)精度和作業(yè)速度，具有很大的應(yīng)用潛力，必將成為控制測(cè)量方法的首選。應(yīng)該指出的是利用GPS建立工程測(cè)量控制網(wǎng)還有許多問題有待進(jìn)一步研究，特別是利用GPS數(shù)據(jù)解算高精度的正常高，在GPS作業(yè)的同時(shí)，建立正常高系統(tǒng)的高精度三維控制網(wǎng)，這一問題的解決，將大大的拓寬GPS的作業(yè)領(lǐng)域，為實(shí)際工作帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。