GPS在現(xiàn)代公路勘測(cè)中的應(yīng)用研究

孫帥 孫潤(rùn)博

摘 要： 全球定位系統(tǒng)GPS作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，不僅具有良好的抗干擾性和保密性，且具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位能力，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。可見在現(xiàn)代公路勘測(cè)中，GPS技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本文圍繞GPS技術(shù)在現(xiàn)代公路勘測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討與研究，希望能夠?yàn)榻煌ㄊ聵I(yè)的建設(shè)與發(fā)展提供一點(diǎn)理論支持。

關(guān)鍵詞： GPS；公路勘測(cè)；應(yīng)用

引言：GPS即全球定位系統(tǒng)，是利用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的一種高新技術(shù)，其空間部分由24顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星軌道高度20200km，這些衛(wèi)星的空間布局可以保證在地球的任一點(diǎn)和任一時(shí)刻均可利用GPS信號(hào)接收機(jī)接收4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)。在公路工程中，運(yùn)用GPS將使傳統(tǒng)的公路測(cè)量方法發(fā)生根本的變革，對(duì)提高公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平具有重要意義。

一、GPS的定位原理

GPS定位原理即測(cè)量學(xué)中的空間距離后方交會(huì)，各測(cè)點(diǎn)共視衛(wèi)星，測(cè)定出接收天線到各可見衛(wèi)星的瞬時(shí)距離。為了測(cè)定瞬時(shí)站星距離，主要采用兩種方法： 一是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī) 的傳播時(shí)間，即偽距測(cè)量； 一是測(cè)量具有載波多普勒頻移的

GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，即載波相位測(cè)量。利用碼相位的偽距測(cè)量定位速度最快，只需在任意時(shí)刻同時(shí)接收3顆以上的衛(wèi)星就可以解算出該時(shí)刻接收天線的三維位臵，但只能用于單點(diǎn)絕對(duì)定位。載波相位測(cè)量是目前GPS測(cè)量中精度最高的測(cè)量，而且它的獲得不受精碼（P碼或Y 碼）保密的限制。利用載波相位進(jìn)行單點(diǎn)定位可以達(dá)到比測(cè)距碼偽距定位更高的精度。載波相位測(cè)量的最主要應(yīng)用是進(jìn)行相對(duì)定位，即差分

GPS（DGPS）定位，用兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)至少四顆衛(wèi)星，利用載波相位的差分觀測(cè)值，消除或削弱多種誤差的影響，獲得兩點(diǎn)間高精度的GPS基線向量。在定位觀測(cè)時(shí)，GPS定位分為動(dòng)態(tài)定位和靜態(tài)定位。若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位；若接收機(jī)相對(duì)而言于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。由于載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)是求解“整周模糊度（整周未知數(shù)）”，靜態(tài)測(cè)量需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間 （一般60min以上），其目的是讓衛(wèi)星星座有較大的變化，以便正確求解整周模糊度； 動(dòng)態(tài)測(cè)量采用整周模糊度快速逼近技術(shù)（FAFA）、OTF算法，提高定位速度。

二、GPS技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

目前公路勘測(cè)中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)測(cè)量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，且效率低，大大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。利用GPS測(cè)量能克服上述列舉的缺陷，并提高作業(yè)的效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了各級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量。相對(duì)于以往測(cè)量來說，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：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。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。③觀測(cè)時(shí)間短。在小于20km 的短基線上，快速相對(duì)定位一般只需5min觀測(cè)時(shí)間即可。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)，可精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。⑤操作簡(jiǎn)便。GPS 測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其他觀測(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。

綜上不難看出，現(xiàn)階段，公路測(cè)量的技術(shù)潛力蘊(yùn)于RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)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。

三、GPS技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用

1 GPS靜態(tài)技術(shù)布設(shè)首級(jí)平面控制網(wǎng)

公路勘測(cè)首級(jí)平面控制網(wǎng)的任務(wù)是根據(jù)線路的基本走向布設(shè)控制點(diǎn)，作為測(cè)繪帶狀地形圖、定線測(cè)設(shè)和施工放樣的基礎(chǔ)。作業(yè)過程為技術(shù)設(shè)計(jì)、儀器檢驗(yàn)與維護(hù)、選點(diǎn)與埋石、外業(yè)觀測(cè)、基線解算與檢核、網(wǎng)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及技術(shù)總結(jié)，其中技術(shù)設(shè)計(jì)、選點(diǎn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換最為關(guān)鍵。在工程實(shí)踐中需重點(diǎn)處理好GPS偏心觀測(cè)、工程投影變形和內(nèi)業(yè)平差的優(yōu)化等問題。實(shí)踐證明：在幾十公里范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差一般在2cm左右。

2 GPS動(dòng)態(tài)技術(shù)加密首級(jí)平面控制網(wǎng)

根據(jù)《公路勘測(cè)規(guī)范》規(guī)定以及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)條件，在建立首級(jí)平面控制網(wǎng)后，每隔700～800m左右設(shè)置二級(jí)控制點(diǎn)，應(yīng)用GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行加密測(cè)量。在待測(cè)點(diǎn)位置上架好儀器，連接電臺(tái)、接收機(jī)、手簿，確認(rèn)連接無誤后，打開GPS接收機(jī)，開始接收定位數(shù)據(jù)，通過手簿設(shè)置GPS接收機(jī)為動(dòng)態(tài)定位模式。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。外業(yè)測(cè)量過程中，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的共同鎖定衛(wèi)星數(shù)目應(yīng)不小于5顆，且GPS衛(wèi)星分布幾何因子小于3為較好觀測(cè)時(shí)間，在該時(shí)段觀測(cè)，待測(cè)點(diǎn)的定位精度收斂比較快，并且可以得到精度比較高的固定解。對(duì)一個(gè)待測(cè)點(diǎn)，一般重復(fù)觀測(cè)5次，得到5個(gè)待測(cè)點(diǎn)的直角坐標(biāo)，大致比較5組數(shù)據(jù)之間的差值，如果觀測(cè)的坐標(biāo)差值在1cm以內(nèi)，則認(rèn)為5次觀測(cè)數(shù)據(jù)為有效，否則，對(duì)流動(dòng)站重新初始化，再次進(jìn)行觀測(cè)。外業(yè)測(cè)量完畢后，利用隨機(jī)配置的數(shù)據(jù)下載軟件以及數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算得到的高斯平面坐標(biāo)。

3 高程控制測(cè)量

GPS定位系統(tǒng)所觀測(cè)的高程為大地高，而公路測(cè)量中采用的是正常高。在實(shí)際工作中，通常會(huì)根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選取分布適宜、數(shù)量適中的水準(zhǔn)高程聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)，進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，以便獲得比較精確地反映測(cè)區(qū)高程異常變化的擬合參數(shù)。然后，利用GPS技術(shù)采用靜態(tài)聯(lián)測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)兩種方法得到待測(cè)點(diǎn)的大地高，利用數(shù)學(xué)模型即可計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的正常高。

4 大比例尺帶狀地形圖的測(cè)繪

隨著工程質(zhì)量要求的不斷提高，單一使用GPS-RTK或全站儀已經(jīng)滿足不了實(shí)際測(cè)量工作的需要，這樣就出現(xiàn)了在同一工程中同時(shí)采用兩種方法的聯(lián)合應(yīng)用，即 GPS-RTK的測(cè)量成果常為全站儀所用，全站儀測(cè)量值又常作為檢校GPS作業(yè)的依據(jù)，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，可快速布設(shè)控制點(diǎn)，又能高精度快速地獲得三維坐標(biāo)。這樣可以大大加快測(cè)量速度，提高工作效率。

5 大比例尺帶狀地形圖的測(cè)繪

隨著工程質(zhì)量要求的不斷提高，單一使用GPS-RTK或全站儀已經(jīng)滿足不了實(shí)際測(cè)量工作的需要，這樣就出現(xiàn)了在同一工程中同時(shí)采用兩種方法的聯(lián)合應(yīng)用，即 GPS-RTK的測(cè)量成果常為全站儀所用，全站儀測(cè)量值又常作為檢校GPS作業(yè)的依據(jù)，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，可快速布設(shè)控制點(diǎn)，又能高精度快速地獲得三維坐標(biāo)。這樣可以大大加快測(cè)量速度，提高工作效率。

三、結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)代公路測(cè)量中，GPS技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，作為公路技術(shù)人員，我們非常有必要圍繞該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并采取改進(jìn)措施，提高技術(shù)水平，以此改善公路勘測(cè)效果，為推動(dòng)公路工程建設(shè)與發(fā)展提供有力支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳賢志.GPS技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015，（17）：769-769.

[2] 朱愛民.GPS在高等級(jí)公路勘測(cè)應(yīng)用中的幾個(gè)問題[J].公路交通科技，2002，19（3）：44-46.

[3] 戴秋鶴，楊劍.GPS RTK技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].山東交通科技，2014，（2）：80-81.

[4] 章玉泉.GPS在公路勘測(cè)控制中的應(yīng)用[J].環(huán)球人文地理，2015，（12）：110-110.

[5] 路建強(qiáng).GPS在公路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014，（22）：4614-4615.