GPS在公路工程中的應用

【摘 要】本文介紹了全球定位系統GPS組成、工作原理和技術特點，分析其綜合應用領域和部分方法，結合幾個具體GPS在公路工程中的應用實例，闡述該技術在公路工程的廣闊應用前景。

【關鍵詞】GPS；公路工程；技術應用；實例

1 引言

隨著科學技術高速發展和信息時代的來臨，全球定位系統GPS已從最初的軍事設施轉向軍用和民用，憑借其全球性、連續性、實時性和全天候等特點被廣泛應用于各行各業，近年來在公路工程中展示著自己精密導航和定時定位功能。本文從GPS組成等簡單介紹開始，綜合描述其在公路工程各個分項之中的工作細節和優勢，探討介紹了幾個具體工程應用實例。

2 GPS簡介

2.1 GPS全球定位系統的組成

GPS系統主要組成部分為包括空間星座部分、用戶設備部分和地面監控部分，三個組成部分各有各自的獨立功能和作用，同時也是有機組合而成且缺一不可的整體化系統。空間星座部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，即所謂的(21+3)GPS星座，這些衛星均勻分布于6個軌道面上，各平面間成600交角。衛星軌道的運行周期是11小時58分鐘，從而保證在任何地點、任何時間的地平線以上都可以接收4到11顆GPS衛星發出的信號。GPS的用戶部分包括GPS接收機、用戶設備如計算機、氣象儀器等及相應的數據處理軟件，接收GPS衛星發出的信號，通過信號進行定位導航。GPS的地面監控部分由一個主控站、五個監測站和三個信息注入站組成，主控站根據各監控站對GPS的觀測數據來計算衛星的星歷和衛星鐘各項參數等，然后將這些數據用注入站注入到衛星中，并向衛星發布指令控制衛星；信息注入站將主控站計算的數據注入到衛星中；監控站用來接收衛星信號，同時監測衛星工作狀態。在大西洋、美國本土、太平洋和印度洋都已經建立了GPS地面控制系統。在測量測繪領域，GPS定位裝置引起體積小、重量輕而便于攜帶且技術指標精度高，已經為測量工程帶來了極大的便利。

2.2 GPS的工作原理

GPS系統是采用距離交會法的一種衛星導航定位技術，通過GPS接收機接收某一時刻ti同時接收了三顆以上的GPS衛星所發出的導航信號，通過一系列數據計算和處理求出該時刻GPS接收機至GPS衛星的三相距離，同樣根據接收衛星星歷可得到該時刻GPS衛星三維坐標。使用距離交會法求得該點的三維坐標，最后用數學表達式換算得到結果，用空間固定的坐標系統或者用同地球體相固聯的坐標系統進行表示。

2.3 GPS系統的技術特點

GPS測量比常規測量方法具有多項技術優勢，主要體現在對地形無要求、對天氣時間無嚴格要求、定位測量精度高、觀測需要時間短、所得結果換算可得到直觀的三維坐標形式且操作簡便。

3 GPS在公路工程中應用技術

憑借高精度、全天候、和高效率等技術優勢，GPS系統在公路工程領域得到了廣泛的應用。從項目開工插旗、測繪地形圖、測量縱橫斷面、放樣施工、公路工程監理到變形觀測結束，GPS系統發揮著及其重要的作用。

3.1 測繪地形圖

傳統方式在高等級公路測繪前，先要建立常規的控制網，然后使用全站儀或半站儀細部測量，進行內業處理后，繪制出大比例尺地形圖，這樣工作量大、速度慢而且花費較長的時間。GPS技術同全站儀結合和GPS系統同攝影測量學理論相結合的方式都更好的適應現代工程需要。GPS同全站儀結合測繪法采用GPS靜態測設高等級控制點，然后使用全站儀進行測設細部點，此方法已被很多測繪單位使用。GPS技術與攝影測量學結合法則通過利用GPS技術對航測像點進行加密處理，對像片處理后，即可繪制地形圖，此法周期較長，較適宜較大的測繪單位使用。

圖1 GPS在公路測量中的應用

3.2 公路的中線放樣

設計人員在上述地形圖上定線，測繪人員中根據使用軟件將中線坐標提取出來形成文件，然后導入至GPS接收機，接著進行中線放樣，該過程高程度自動化，減少了人工操作的手工輸入錯誤。

3.3 公路縱橫斷面測量

低等級公路可采用一定數量高等級的控制點，通過求解參數，進行現場縱斷面測量，高等級公路就需要借助GPS系統定位，根據高程差精確計算確定控制點數據。

3.4 控制測量

公路工程通過高程控制網和平面控制網進行施工控制，通過精密的GPS靜態測量方法建立平面控制網，根據公路工程的特點按照規范規定的四個等級進行分類控制，高程控制網使用靜態作業模式，采用多種數值計算方法，使得GPS精度達到四等測量水準即可。

3.5 施工放樣

GPS通過移動站存儲所需放樣數據，快捷、方便且精確的描繪施工測量直線、中點和曲線，由于各個點位測量的獨立性，不存在累積誤差，使得各點放樣精度趨向于一致。

3.6 公路工程監理

監理部門使用GPS對控制點的穩定性、正確性和放樣點的正確性等公路施工建設過程中的各項測量工作進行檢查，保證公路工程的工程質量和工期。

3.7 變形觀測

施工前、過程中及工程完成都需要對公路進行精密且連續的參數監測，保障人民生命財產的安全，GPS對變形的監測網可以控制到毫米級的精度。采用有線或無線數據傳輸技術，通過連續的自動監測，實時自動傳送監測數據至監測數據處理中心，通過數據分析、處理和顯示來進行變形預測。已有工程實踐和相關科研數據表明，長期的GPS系統監測可采用Kalman濾波蘭差法來實現毫米級精度。隨著GPS動態變形監測能力的發展，這一技術有望被采納成為結構振動測量的標準技術。

4 公路工程中GPS應用實例

4.1 廣西壇百高速公路GPS技術控制測量

壇洛至百色高速公路二標段(K20+ 000~K43+046.069)，地形地貌較復雜，部分區域有遮擋，該測區內已有坐標系BJ54的兩個E級控制點 (X1=552438.000，Y1=486816. 000，H1=72.0080位于經濟開發區內山頭；X2=565638.021，Y2=470499.609，H2=72.0000位于村西邊的路口處)。控制網格由于設計時間較長而被嚴重破壞，原來建立的控制點很多丟失，需要重新加密控制點來測設。對于有遮擋或部分區域采用大地測量儀器如經緯儀、全站儀、測距儀等進行大地測量法測量，其余部分根據實際制定GPS靜態測量法觀測方案，將三臺天寶4800GPS接收機安置在控制點上接收衛星信號，最終完成環路觀測，轉換北京坐標系的坐標進行使用。兩種測量方法在壇百高速公路的加密施工控制網測繪工程中的結合使用，提高了該工程項目的測繪精度，更高效的完成了目標。

4.2 GPS的動態測量技術在東京大道新建工程中的應用

東京大道新建工程周邊地勢起伏很大，在北城墻外需穿越0.5km2的國家森林公園，密林和密灌地范圍很大，通視較為困難，而根據規范對閉合導線長、附合導線長和結點導線間長度的嚴格規定，綜合考慮決定應用GPS的動態測量技術進行控制點坐標測量。除部分點測量被發現有人為的破壞痕跡外，大部分三維坐標能夠達到要求，差值都小于施工測量規范所規定的要求。最初計劃通過10人經過20天的外業操作完成的測量任務，最終在GPS系統使用下5人用了6小時即完成，該項目的成功實施可見利用GPS測量可以大大提高工作效率，保證了高等級公路的測設質量。

5 結語

文章通過分析GPS在測量工程中的優勢出發，提出其在公路工程中的具體實施策略以及相應技術，同時結合幾個具體GPS在公路工程中的應用實例，闡述該技術在公路工程的廣闊應用前景，其精度有效地保證了公路工程的測設要求，可值得為同類工程所推廣應用。

參考文獻：

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