浅谈公路测量中GPS的作用

　　1 GPS 测量简介

　　GPS 是英文Global Positioning System（定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。

　　实时GPS系统由以下3部分组成.

　　(1) GPS信号接收系统. 从理论上讲,双频接收机与单频接收机均可用于实时GPS测量. 但是,单频机进行整周未知数的初始化需要较长的时间,此乃实时动态测量所不允许的;加之单频机在实际作业时容易夫锁,夫锁后的重新初始化要占去许多时间.

　　(2)数据实时传输系统. 为把基准站的信息及观测数据一起实时传输到流动站,并与流动站的观测数据进行实时处理,必须配置高质量的无线通讯设备(包括无线信号调制解调器). 由于数据信息量大,必须采用较高的传输速度,波特率通常要在9600以上观测中出现的问题十分有利.

　　(3)数据实时处理系统. 基准站将自身信息与观测数据,通过数据链传输至流动站,流动站将从基准站接收到的信息与自身采集的观测数据组成差分观测值.因此,必须具备功能很强的数据处理系统. 目前该系统已发展成为多功能的完整系统,所以能成功地用于实际作业中.

　　2 GPS测量的特点

　　相对于经典测量学来说, GPS测量主要有以下特点：

　　(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。

　　(2)定位高。一般双频GPS接收机基线解为5mm+1ppm, 随着距离的增长, GPS测量优越性愈加突出。

　　(3)观测时间短。采用GPS布设一般等级的控制网时, 在每个测站上的观测时间一般在1-2小时左右, 采用快速静态定位的方法, 观测时间更短。

　　(4)提供三维坐标。GPS测量在测定观测站平面位置的同时, 可以测定观测站的大地高程。

　　(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高, 在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态, 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。

　　(6)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。

　　3 GPS在公路测量中的应用

　　3.1 静态GPS 测量技术在公路测量中的应用

　　GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、高，具有明显的经济和社会效益。

　　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:

　　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、要求等因素进行综合设计。因为GPS 控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。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。

　　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,采用南方公司的软件(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。

　　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。

　　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、距离平差得到结果。

　　3.2 RTK技术在公路测量中的应用

　　RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高。 通过RTK技术能够在野外实时得到厘米级定位的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

　　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. GPS静态定位、准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果,同时无法及时对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量, 在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果. 解决这一问题可通过延长观测时间来保证测量数据的可靠性,但这样一来则降低了GPS测量的工作效率.

　　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. 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.

　　动态定位在公路中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS前端数据采集. 测量前需要在一控制点上静止观测数据,实时确定采样点的空间位置. 目前,其定位可以达到厘米级.

　　高的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。

　　在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。

　　动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,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1～3 s,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的测量成果(包括高程) ;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.

　　对于我们工程单位来讲, 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.

　　3.3 公路控制网的建立

　　根据规范,高速公路要求的控制等级为小三角或导线. 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和规范的相关要求进行实测. (4)进行平差及评定. 根据实测结果进行平差计算,并进行评级.

　　这样,就可建立起高速公路GPS控制网.

　　3.4 GPS控制网的应用

　　建立公路GPS控制网后,共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)在用其他方法测图时, GPS控制网可选用首级控制和图根控制来应用. (3)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,可大大提高测设及原始数据的提取. (4)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. (5)在改造公路时,利用GPS控制网可以对公路进行有效的改造.

　　3.5 公路中线测量

　　设计人员在大比例带状地形图上定线后,需将公路中线在地面上标定出来.

　　3.6 公路纵、横断面测量

　　公路中线确定后,利用中线桩的点坐标,通过绘图软件,可绘出沿线纵断面和各桩点的横断面,所用数据都是测绘地形图时采集来的,不需再到现场进行纵、横断面测量,大大减少了外业工作.

　　3.7 施工测量

　　实时GPS系统既有良好的硬件,也有极为丰富的软件可供选择,施工中点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷.

　　4 小结：

　　本文作者创新点是从GPS测量中,得出如下体会:

　　(1) GPS作业有着极高的. 它的作业不受距离限制,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) RTK技术将彻底改变公路测量模式. RTK能实时地得出所在位置空间三维坐标. 这种技术非常适合路线、桥、隧道勘察. 它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等. ( 4) 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. (5) GPS高测量同高的平面测量一样,是GPS测量应用的重要领域.