全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在公路測量中的應(yīng)用

王聞宇　彭樹鴻　朱光珠

摘要：隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，高速公路建設(shè)也得到了快速的發(fā)展，同時GPS定位測量技術(shù)在高速公路測量中發(fā)揮了巨大的作用，并充分發(fā)揮了它們的優(yōu)勢。GPS技術(shù)應(yīng)用于公路測量是公路外業(yè)勘測的一項重大技術(shù)革命，其應(yīng)用及開發(fā)前景十分廣闊，尤其是實時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)在公路測量中蘊含著巨大的技術(shù)潛力。本文主要介紹了GPS中的RTK技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用及其對公路勘測的巨大推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：公路測量 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS 靜態(tài)定位 動態(tài)定位

1.概述

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（globalpositioningsystem，GPS）誕生于上世紀(jì)七十年代的美國，它是一種采用距離交會法的、能夠向全球用戶全天候提供高精度的、連續(xù)實時三維導(dǎo)航、定位能力的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有良好的保密性和抗干擾性。隨著GPS工作衛(wèi)星的不斷入軌和GPS接收機性能的不斷提高，GPS測量技術(shù)已廣泛用于大地測量、地形測量和工程測量等諸多方面，而在公路勘測中的應(yīng)用尤為常見。

GPS由空間衛(wèi)星群（由24顆高約20萬公里，均勻分布于六個軌道面上的衛(wèi)星組成）、地面控制系統(tǒng)（包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站）、用戶接收系統(tǒng)（主要由無線電傳感和計算機技術(shù)支撐的GPS接收機、GPS數(shù)據(jù)處理軟件等組成）三大部分構(gòu)成。其應(yīng)用模式有GPS靜態(tài)測量和GPS動態(tài)觀測（快速靜態(tài)方法）兩種。

GPS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用前景隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長，我省的高等級公路建設(shè)迎來前所未有的發(fā)展機遇，這就對勘測設(shè)計提出了更高的要求。隨著公路設(shè)計行業(yè)軟件技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展，公路設(shè)計已實現(xiàn)CAD化，有些軟件本身還要求提供地面數(shù)字化測繪產(chǎn)品的支持，建立勘測、設(shè)計、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸入等中間環(huán)節(jié)，是公路勘測設(shè)計“內(nèi)外業(yè)一體化”的要求，也是影響高等級公路設(shè)計技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”所在。目前公路勘測中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)測量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強度大且效率低，大大延長了設(shè)計周期?？睖y技術(shù)的進(jìn)步在于設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)改造，在目前的技術(shù)條件下引入GPS技術(shù)應(yīng)當(dāng)是首選。當(dāng)前，用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測理，為勘測階段測繪帶狀地形圖，路線平面、縱面測量提供依據(jù)。在施工階段為橋梁、隧道建立施工控制網(wǎng)，這僅僅是GPS在公路測量中應(yīng)用的初級階段，其實，公路測量的技術(shù)潛力蘊于RTK（實時動態(tài)定位）技術(shù)的應(yīng)用之中，RTK技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用有著非常廣闊的前景。下面就RTK技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用做簡單地介紹。

2.GPS系統(tǒng)在公路施工測量中的應(yīng)用[1]

公路工程的施工測量主要應(yīng)用了GPS的靜態(tài)定位功能和動態(tài)測放功能兩大功能。靜態(tài)功能是通過GPS接收機接收到的衛(wèi)星信息，重復(fù)觀測確定地面某點的三維坐標(biāo)；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，建立基站與流動站通過輸入控制參數(shù)把已知的三維坐標(biāo)點位，實地放樣在地面上。動態(tài)功能主要以實時動態(tài)（RTK）技術(shù)為主要測量手段。

2.1靜態(tài)GPS測量技術(shù)在公路施工測量中的應(yīng)用

靜態(tài)GPS測量技術(shù)主要用于公路設(shè)計階段建立公路首級控制網(wǎng)，在施工測量中靜態(tài)GPS測量技術(shù)應(yīng)用的還不是太廣泛，GPS靜態(tài)測量在施工測量中主要用于進(jìn)場前對設(shè)計提供的控制網(wǎng)中的導(dǎo)線點進(jìn)行復(fù)核及加密工作，通過在設(shè)時布設(shè)的GPS點上重新架設(shè)GPS接收機，觀測確定設(shè)計提供的該點的坐標(biāo)以校對其精度，如果采集的坐標(biāo)與設(shè)計提供的不滿足規(guī)范應(yīng)進(jìn)行平差，其次利用GPS靜態(tài)對設(shè)計提供不滿足施工需要的導(dǎo)線點進(jìn)行加密。這樣可大大加快全線的施工測量速度。

2.2實時動態(tài)（RTK）技術(shù)在公路施工測量中的應(yīng)用

實時動態(tài)（RealTimeKinematic—RTK）定位技術(shù)，是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破，動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以布設(shè)各等級的路線帶狀平面控制網(wǎng)、路線中線、構(gòu)造物等測放工作。在公路施工過程中，動態(tài)測量可以進(jìn)行施工放樣，通過設(shè)立基站和流動站，全程只作業(yè)一次可完成整個作業(yè)范圍內(nèi)的中線及結(jié)構(gòu)物放樣，還可以在駐地設(shè)立永久基站，這樣就可以隨時進(jìn)行施工放樣，大大地節(jié)約了時間，比全站儀省去一部分輔助測量工作，從而節(jié)約了施工成本。

2.2.1實時動態(tài)（PTK）定位技術(shù)簡介

實時動態(tài)（PTK）定位技術(shù)是以載波相位觀測值為依據(jù)的實時差分GPS（PTDHPS）技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破，在公路工程中有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，無論靜態(tài)定位，還是準(zhǔn)動態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無法實時解算出定位結(jié)果，而且也無對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果。解決這一問題的主要方法就是延長觀測時間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，這樣一來就降低了GPS測量的工作效率。

實時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)由基準(zhǔn)站和流動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證，其原理是取點位靜度較高的首級控制點作為基準(zhǔn)點，安置一臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測。流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標(biāo)和測量精度。這樣用戶就可以實時監(jiān)測待測點數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標(biāo)，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。

2.2.2應(yīng)用

實時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)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。

（1）快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機在每一流動站上靜止地進(jìn)行觀測。在觀測過程中，同時接受基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算整周末知數(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)計要求，便可以結(jié)束實時觀測。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)實施比較困難，而采用PTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5—10mins（隨著科技的不斷發(fā)展，定位時間還會縮短），不及靜態(tài)測量所需時間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點加密工作。

（2）動態(tài)定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)分鐘（有的儀器只需要2-10s）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)，實時確定采樣點的空間位置。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，可以完成地形圖繪測、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1-3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點。

2.3RTK技術(shù)的優(yōu)點

（1）實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果（包括高程）。

（2）徹底擺脫了由于粗差造成的返工，提高了GPS作業(yè)效率。

（3）作業(yè)效率高，每個放樣點只需停留1—2s，流動站小組作業(yè)，每小組3—4人可完成中線測量5-10km。若用其進(jìn)行地形測量，每小組每天可以完成0.8-1.5km2的地形測繪，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的。

（4）在中線放樣的同時完成中樁抄平工作。

（5）應(yīng)用范圍廣，可以涵蓋公路測量（包括平、縱、橫）、施工放樣、監(jiān)理、竣工測量、養(yǎng)護(hù)測量、GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面。

（6）如輔助相應(yīng)得軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢。

總之，GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合可以高效、高精度地完成公路平面控制測量，生產(chǎn)過程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)流程可以極大提高生產(chǎn)效率。隨著GPS技術(shù)及RTK技術(shù)的發(fā)展，具有自主專利技術(shù)的儀器在工程實際建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。

3.結(jié)束語

我國國民經(jīng)濟的持續(xù)性快速發(fā)展，為公路建設(shè)尤其是高等級公路建設(shè)提供了難得的發(fā)展契機，相應(yīng)地對勘測方法和水平也提出了新的更高要求。近些年來，實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）漸趨成熟，它所具有的精度高、速度快和可靠性強等特點，恰好符合新形勢下對公路勘測提出的更高要求。RTK是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS技術(shù)，是GPS測量技術(shù)取得的一個新突破。由基準(zhǔn)站和流動站構(gòu)成的RTK系統(tǒng)能實時地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)，直接進(jìn)行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等，非常適合于路線、橋梁以及隧道勘察。采用RTK進(jìn)行控制測量，能夠克服傳統(tǒng)測量方法因轉(zhuǎn)站過多而引起累積誤差的缺點，有效控制了測量精度。同時能夠?qū)崟r知道定位精度和觀測質(zhì)量。這樣，不僅大幅度降低了工作強度和勘測設(shè)計成本，還極大地提高了工作效率，測量一個控制點僅需幾分鐘甚至于幾秒鐘，加快了勘察設(shè)計進(jìn)度。RTK的應(yīng)用模式也有靜態(tài)定位和動態(tài)定位之分，將兩種測量模式結(jié)合應(yīng)用，在公路勘測設(shè)計中可以繪制大比例尺地圖，進(jìn)行道路中線、橋梁結(jié)構(gòu)物以及道路的橫、縱斷放樣和土石方量計算等。它將徹底改變公路測量模式，應(yīng)用前景十分廣闊。