86
科研探索
与知识创新
全球定位系统(Global Positioning System)在公路工程测量中的应用,在最近的几年得到了迅速推广,这主要依赖于GPS 系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的3维坐标、3维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下GPS 系统的组成,工作原理以及在测量领域的应用特点,进而对其在公路工程测量中的应用进行探讨。1 GPS 系统的组成
GPS 系统由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。
(1)GPS 空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20200Km ，运行周期为11h58min 。卫星用L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断的发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可以观测6颗卫星，最多可达9颗。
(2) GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个检测站组成。主控站根据各检测站对GPS 卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、种差参数等，并将这些数据编制成导航电文注入到相应卫星的存储器中。
(3)GPS 用户设备由GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS 接收机中心的三维坐标。2 GPS 的工作原理
GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。设在需要的位置P 点架设GPS 接收机,在某一时刻ti 同时接收了3颗(A 、B 、C)以上的GPS 卫星信号,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS 接收机至GPS 卫星的距离SAP 、SBP 、SCP,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(3维坐标)。从而用距离交会的方法求得P 点的3维坐标(Xp,Yp,Zp),其数学式为:
SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]
式中(XA,YA,ZA), (XB, YB,ZB), (XC, YC,ZC)分别为卫星A,B,C 在时刻ti 的空间直角坐标。
3 GPS 测量的技术特点
相对于常规的测量方法来讲,GPS 测量有以下特点:3.1 测站之间无需通视
测站间相互通视一直是测量学的难题,GPS 这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS 卫星信号不受干扰。3.2 定位精度高
一般双频GPS 接收机基线解精度为5mm+1 ppm,而红外仪标称精度为5mm+5 ppm 。GPS 测量精度与红外仪相当,但随着距离的增加,GPS 测量优越性愈加突出。大量实验证明,在小于50km 的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100-500km 的基线上可达10-6-10-7。3.3 观测时间短
采用GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30-40min 左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如使用Tmi ble4800GPS 接收机的RTK 法可在5s 以内求得测点坐标。3.4 操作简便
GPS 测量的自动化程度很高。目前GPS 接收机已趋小型化和操作傻瓜化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高,打开电源即可进行自动观测,利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点3维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。3.5 全天候作业
GPS 观测可在任何地点,任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。
4 GPS 系统在公路工程测量工作中的应用探讨
公路工程的测量主要应用了GPS 的两大功能:静态功能和动态功能。
4.1 静态GPS 测量技术在公路工程测量中的应用探讨
静态GPS 测量技术主要用于建立公路首级控制网,之后再利用其它测量方法进行加密的附合导线测量。控制网的建立过程如下:
第一步:路线、GPS 点选址的初步勘察
接到外业测量任务后,组织人员对路线的走向进行初步勘察,查看沿线可选作GPS 点的位置情况。调察路线附近高等级GPS 点以便进行联测。
第二步:GPS 点控制网的设计
GPS 控制网的布设应根据公路等级、沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计。因为GPS 控
GPS在公路工程测量中应用的探讨
□ 何亚倩[1] 郑 宇[2]
([1]中国矿业大学环境与测绘学院 江苏·徐州 221008； [2]中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏·徐州 221008)
摘 要：全球定位系统（GPS ）是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。GPS 测量具有高精度、高效率的优点。在测量领域,GPS 系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空测量以及地形测量等各个方面。随着GPS 接收机性能和数据处理技术逐渐完善,GPS 应用领域也不断拓宽,GPS 测量在公路工程中得到更广泛的应用。文章简述了GPS 测量技术的发展状态、特点，重点对GPS 测量技术在公路工程测量中的应用进行了探讨,最后对GPS 测量作出了总结。
关键词：GPS 公路工程 RTK 技术 GPS 控制网
中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2009）04-086-02
87
科协论坛·2009年第4期
（下）科研探索
与知识创新
制网作为公路首级控制网时,需采用其他测量方法进行加密。故沿路线两侧每隔5- 10km 布设一对相互通视的GPS 点。理论上GPS 点观测时只须在3个GPS 点上架设GPS 仪同时观测即可确定这3个点的坐标。考虑到公路测量本身的特点采用4台GPS 仪同时观测4个GPS 点,这样可大大加快全线的测量速度。
第三步:GPS 选点、埋石
选点应按技术设计要求有利于采用其他测量方法扩展和联测。
第四步:架设GPS 仪观测
4个GPS 点观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求。我们在外业的观测中规定观测时间不得少于0.5h,有效观测卫星数不少于4个。
第五步:GPS 观测数据的处理
外业观测结束后将GPS 中的数据传入计算机中,采用相应的数据处理软件 (包括采集器与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件),及时进行数据处理和质量分析。过程可分为基线解算与检核、GPS 控制网平差计算两个步骤。
第六步:GPS 控制网进行加密
利用全站仪测量附合导线的方法进行首级GPS 控制网的加密作业。将路线按GPS 的分布分成若干段,每一段单独进行附合导线的测量,保证每一段附合导线起始于GPS 点,终止于GPS 点。
第七步:导线点座标及平差计算
将每段附合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果。
4.2 动态GPS 技术在公路工程测量中的应用探讨
动态GPS 技术在公路测量中的应用主要表现在实时动态(RTK)定位技术在公路测量中的应用。实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术,它是GPS 测量技术发展的一个新突破,在公路工程中有广阔的应用前景。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置一台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样我们使用者就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少沉余观测,提高工作效率。
动态定位模式在公路勘测阶段,可以完成地形测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。整个测量过程在不需通视的条件下,测量1～3s,精度就可以达到10～30mm,有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点。RTK 技术具有很大的优点:实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程);彻底摆脱了由于粗差造成的返工,从而提高了GPS 作业效率;作业效率高,每个放样点只需要停留1～2s,流动站小组作业(1～3人)可完成中线测量5～10km 。若用其进行地形测量,每小组每天完成0.8～1.5(km)的地形测绘,其精度和效率是常规测量所无法比拟的;在中线放样的同时完成中桩抄平工作;应用范围广—可以函盖公路测量(包括平、纵、横),施工放样,监理,竣工测量,GIS 前端数据采集诸多方面;如辅助相应的软件,RTK 可与全站仪联合作业,充分发挥RTK 与全站仪各自的优势。
对于工程单位来讲,GPS 静态定位和动态技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。生产过程
中采用常规方法和GPS 技术相结合生产流程可以极大的提
高生产效率。随着GPS 技术特点是RTK 技术的发展,其初始化时间越来越断,跟踪能力也越来越强,精度越来越高,可靠性越来越强,有着良好的性价比。5 公路GPS 控制网的建立
按GPS 勘测规程要求,每0.5～1km 间设一控制点,其等级依公路等级而定。 现以高速公路和500～100m 特大桥及1000～2000m 中长隧道为例说明GPS 网的建立方法。
根据规范,高速公路要求的控制等级为一级小三角或一级导线。因此,做等级控制时必须使首级控制点交子这一等级,而首级控制必须做到四等以上。为此,在搜集资料时必须把测区内的国家三、四等控制点资料搜集齐全。同时,在布设首级控制网时应在5～10km 内布设一首级控制点,以便发展加密控制。
在确立布网等级和方案后,可按以下步骤建立公路控制网:(1)选点。以选线及控制人员为主,选择便于工作及以后应用的点位。(2)埋石。按勘测规范要求,埋选标石,并现场做好点记。(3)实测。根据所使用的仪器标称精度和规范的相关要求进行实测。(4)进行平差及精度评定。根据实测结果进行平差计算,并进行精度评级。 精度满足所需等级要求即告完成。这样,就可建立起高速公路GPS 控制网。6 公路GPS 控制网的应用
建立公路GPS 控制网后,其主要用途可体现在以下几个方面：(1)公路航测成图时要有相应的控制依据,可用GPS 控制网控制航向和区域宽度。(2)在公路勘测阶段,可以GPS 控制网为基础进行放线及构造物的施放,可大大提高测设精度及原始数据的提取精度。(3)在施工阶段,根据设计要求可以GPS 控制网进行实地放线及构造物的放样。(4)在改造公路时,利用GPS 控制网可以对公路进行有效的改造。7 结束语
本文通过对GPS 技术在公路工程测量中应用的探讨，
总结出：(1)GPS 作业有着极高的精度。它的作业不受距离,非常适合国家大地点破坏严重区、地形条件困难地区、局部重点工程地区等。(2)GPS 测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程由徽电子技术、计算机技术控制,自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。(3)GPS 测量可以极大地降低劳动作业强度,减少野外砍伐工作量,提高作业效率。一般GPS 测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。(4)GPS 高精度测量同高精度的平面测量一样,是GPS 测量应用的重要领域。 特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下,往往由于这些地区地形条件的,实施常规的几何水准测量有困难,GPS 高程测量无凝是一种有效的手段。
参考文献：
[1] 林启东,胡天友.基于GPS的路线测量与拟合[J].微计算机
信息,2007,6-1:255-257.
[2] 畅福善.G P S 在公路测量中的应用[J ].微计算机信
息,2008,24-7:234-235.
[3] 徐绍全,张华海等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学
出版社,2006.
[4] 邓中卫.GPS技术、应用与市场[M].北京:北京航空工业出
版社,1996.
[5] 中华人民共和国交通部.公路全球定位系统(GPS)测量规
范[M].北京:人民交通出版社,1998.
[6] 同济大学,武汉测绘科技大学合编.控制测量学[M].北京:
测绘出版社,1995.下载本文
