淺談GPS測量技術(shù)在公路測量中的原理及應(yīng)用

1 GPS測量簡介

全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)從本世紀(jì)70年代初開始設(shè)計、研制。GPS具有全天候提供高精度的連續(xù)實時三維導(dǎo)航、定位能力。自1980年第一臺商用GPS接收機問世以來，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和改進，GPS測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟建設(shè)的各個部門。

實時GPS系統(tǒng)由以下3部分組成。

（1）GPS信號接收系統(tǒng)。從理論上講，雙頻接收機與單頻接收機均可用于實時GPS測量。但是，單頻機進行整周未知數(shù)的初始化需要較長的時間，此乃實時動態(tài)測量所不允許的；加之單頻機在實際作業(yè)時容易夫鎖，夫鎖后的重新初始化要占去許多時間，因此，實際做作業(yè)中一般應(yīng)采用雙頻機。

（2）數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)。為把基準(zhǔn)站的信息及觀測數(shù)據(jù)一起實時傳輸?shù)搅鲃诱荆⑴c流動站的觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，必須配置高質(zhì)量的無線通訊設(shè)備（包括無線信號調(diào)制解調(diào)器）。由于數(shù)據(jù)信息量大，必須采用較高的傳輸速度，波特率通常要在9600以上。利用數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)，流動站可以隨時調(diào)閱基準(zhǔn)站的工作狀態(tài)和設(shè)站信息。這對于保證成果質(zhì)量的排除

觀測中出現(xiàn)的問題十分有利。

（3）數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)站將自身信息與觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至流動站，流動站將從基準(zhǔn)站接收到的信息與自身采集的觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值。在整周未知數(shù)解算出臺后，即可進行每個歷元的實時處理。只要保持鎖定四顆以上的衛(wèi)星，并具有足夠的幾何圖形強度，就能隨時給出厘米級的點位精度。因此，必須具備功能很強的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已發(fā)展成為多功能的完整系統(tǒng)，所以能成功地用于實際作業(yè)中。

由于公路建設(shè)無論是在測量原則，還是在測量精度和作業(yè)方法等方面有自己的特點。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)。其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式，這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。目前GPS測量技術(shù)在公路測設(shè)中主要用于建立公路工程測量控制網(wǎng)及動態(tài)RTK測量。下面結(jié)合GPS使用情況對公路GPS控制測量作一簡要介紹。

2 GPS測量的特點

相對于經(jīng)典測量學(xué)來說，GPS測量主要有以下特點：

（1）測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)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(wèi)星信號不受干擾。

（2）定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。

（3）觀測時間短。采用GPS布設(shè)一般等級的控制網(wǎng)時，在每個測站上的觀測時間一般在1-2小時左右，采用快速靜態(tài)定位的方法，觀測時間更短。

（4）提供三維坐標(biāo)。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，在觀測中測量員的主要任務(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)，而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

（6）全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續(xù)地進行，一般不受天氣狀況的影響。 function ImgZoom（Id）//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $（Id）.width; var m = 650; if（w

3 GPS在公路測量中的應(yīng)用

3.1靜態(tài)GPS測量技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

靜態(tài)GPS測量技術(shù)主要用于建立公路首級控制網(wǎng)，之后再利用其它測量方法進行加密的附合導(dǎo)線測量?？刂凭W(wǎng)的建立過程如下：

第一步：路線、GPS點選址的初步勘察

接到外業(yè)測量任務(wù)后，組織人員對路線的走向進行初步勘察，查看沿線可選作GPS點的位置情況。調(diào)察路線附近高等級GPS點以便進行聯(lián)測。

第二步：GPS點控制網(wǎng)的設(shè)計

GPS控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級、沿線地形地物、作業(yè)時衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進行綜合設(shè)計。因為GPS控制網(wǎng)作為公路首級控制網(wǎng)時，需采用其他測量方法進行加密。故沿路線兩側(cè)每隔5-10km布設(shè)一對相互通視的GPS點。理論上GPS點觀測時只須在3個GPS點上架設(shè)GPS儀同時觀測即可確定這3個點的坐標(biāo)?？紤]到公路測量本身的特點采用4臺GPS儀同時觀測4個GPS點，這樣可大大加快全線的測量速度。

第三步：GPS選點、埋石

選點應(yīng)按技術(shù)設(shè)計要求有利于采用其他測量方法擴展和聯(lián)測。

第四步：架設(shè)GPS儀觀測

4個GPS點觀測的共同時間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)等應(yīng)滿足規(guī)范要求。我們在外業(yè)的觀測中規(guī)定觀測時間不得少于0。5h，有效觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4個。

第五步：GPS觀測數(shù)據(jù)的處理

外業(yè)觀測結(jié)束后將GPS中的數(shù)據(jù)傳入計算機中，采用南方公司的軟件（包括采集器與計算機通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件），及時進行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。過程可分為基線解算與檢核、GPS控制網(wǎng)平差計算兩個步驟。

第六步：GPS控制網(wǎng)進行加密。

利用全站儀測量附合導(dǎo)線的方法進行首級GPS控制網(wǎng)的加密作業(yè)。將路線按GPS的分布分成若干段，每一段單獨進行附合導(dǎo)線的測量，保證每一段附合導(dǎo)線起始于GPS點，終止于GPS點。

第七步：導(dǎo)線點座標(biāo)及平差計算

將每段附合導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行角度、距離平差得到最后結(jié)果。

3.2RTK技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

實時動態(tài)（RTK）定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）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。GPS靜態(tài)定位、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，同時無法及時對觀測數(shù)據(jù)進行檢核，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。

解決這一問題可通過延長觀測時間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，但這樣一來則降低了GPS測量的工作效率。實時動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)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，其原理是取點位精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。

這樣我們使用者就可以實時監(jiān)測待測點的數(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，從而減少沉余觀測，提高工作效率。

動態(tài)定位在公路中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。測量前需要在一控制點上靜止觀測數(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，可以完成地形測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。整個測量過程在不需通視的條件下，測量1～3s，精度就可以達到10～30mm，有著常規(guī)測量儀器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點。

RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點：

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）；

徹底擺脫了由于粗差造成的返工，從而提高了GPS作業(yè)效率；

作業(yè)效率高，每個放樣點只需要停留1～2s，流動站小組作業(yè)（1～3人）可完成中線測量5～10km。

若用其進行地形測量，每小組每天完成0。8～1。5（km）3的地形測繪，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的；

在中線放樣的同時完成中樁抄平工作；

應(yīng)用范圍廣—可以函蓋公路測量（包括平、縱、橫），施工放樣，監(jiān)理，竣工測量，GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面；如輔助相應(yīng)的軟件，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。

對于我們工程單位來講，GPS靜態(tài)定位和動態(tài)技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、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)合生產(chǎn)流程可以極大的提高生產(chǎn)效率。隨著GPS技術(shù)特點是RTK技術(shù)的發(fā)展，其初始化時間越來越斷，跟蹤能力也越來越強，精度越來越高，可靠性越來越強，有著良好的性價比。 function ImgZoom（Id）//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $（Id）.width; var m = 650; if（w

3.3公路控制網(wǎng)的建立

按GPS勘測規(guī)程要求，每0。5～1km間設(shè)一控制點，其等級依公路等級而定?，F(xiàn)以高速公路和500～100m特大橋及1000～2000m中長隧道為說明GPS網(wǎng)的建立方法。

根據(jù)規(guī)范，高速公路要求的控制等級為一級小三角或一級導(dǎo)線。因此，做等級控制時必須使首級控制點交子這一等級，而首級控制必須做到四等以上。為此，在搜集資料時必須把測區(qū)內(nèi)的國家三、四等控制點資料搜集齊全。同時，在布設(shè)首級控制網(wǎng)時應(yīng)在5～10km內(nèi)布設(shè)一首級控制點，以便發(fā)展加密控制。

在確立布網(wǎng)等級和方案后，可按以下步驟建立公路控制網(wǎng)。

（1）選點。以選線及控制人員為主，選擇便于工作及以后應(yīng)用的點位。

（2）埋石。按勘測規(guī)范要求，埋選標(biāo)石，并現(xiàn)場做好點記。

（3）實測。根據(jù)所使用的儀器標(biāo)稱精度和規(guī)范的相關(guān)要求進行實測。

（4）進行平差及精度評定。根據(jù)實測結(jié)果進行平差計算，并進行精度評級。精度滿足所需等級要求即告完成。

這樣，就可建立起高速公路GPS控制網(wǎng)。

3.4GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用

建立公路GPS控制網(wǎng)后，共主要用途可體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）公路航測成圖時要有相應(yīng)的控制依據(jù)，可用GPS控制網(wǎng)控制航向和區(qū)域?qū)挾?。?）在用其他方法測圖時，GPS控制網(wǎng)可選用首級控制和圖根控制來應(yīng)用。（3）在公路勘測階段，可以GPS控制網(wǎng)為基礎(chǔ)進行放線及構(gòu)造物的施放，可大大提高測設(shè)精度及原始數(shù)據(jù)的提取精度。（4）在施工階段，根據(jù)設(shè)計要求可以GPS控制網(wǎng)進行實地放線及構(gòu)造物的放樣。（5）在改造公路時，利用GPS控制網(wǎng)可以對公路進行有效的改造。

3.5公路中線測量

設(shè)計人員在大比例帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來。采用實時GPS測量，只需將中線樁點的坐標(biāo)輸入GPS接收機中，系統(tǒng)就會定出放樣的點位；由于每個點的測量都是獨立完成的，不會產(chǎn)生累積誤差，各點放樣精度趨于一致。

3.6公路縱、橫斷面測量

公路中線確定后，利用中線樁的點坐標(biāo)，通過繪圖軟件，可繪出沿線縱斷面和各樁點的橫斷面，所用數(shù)據(jù)都是測繪地形圖時采集來的，不需再到現(xiàn)場進行縱、橫斷面測量，大大減少了外業(yè)工作。

3.7施工測量

實時GPS系統(tǒng)既有良好的硬件，也有極為豐富的軟件可供選擇，施工中點、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷。精度可達厘米級。

4小結(jié)

本文作者創(chuàng)新點是從GPS測量中，得出如下體會：

（1）GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合國家大地點破壞嚴(yán)重區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。

（2）GPS測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。整個作業(yè)過程由徽電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算。

（3）RTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧道勘察。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(yè)強度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。

（5）GPS高精度測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測量有困難，GPS高程測量無凝是一種有效的手段。

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