全球定位系統(tǒng)（GPS）在公路測量中的應用

　　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、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)從本世紀70 年代初開始設計、研制。GPS 具有全天候提供高精度的連續(xù)實時三維導航、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測量技術已廣泛應用于我國國民經(jīng)濟建設的各個部門。

　　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)中一般應采用雙頻機.

　　(2)數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng). 為把基準站的信息及觀測數(shù)據(jù)一起實時傳輸?shù)搅鲃诱?并與流動站的觀測數(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)閱基準站的工作狀態(tài)和設站信息. 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). 基準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線形式,這包括附合導線、閉合導線、結(jié)點導線等導線網(wǎng)形式。目前GPS 測量技術在公路測設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。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是安裝并開關儀器、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。

　　3 GPS在公路測量中的應用

　　3.1 靜態(tài)GPS 測量技術在公路測量中的應用

　　靜態(tài)GPS 測量技術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線測量。控制網(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)的設計

　　GPS 控制網(wǎng)的布設應根據(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GPS 儀同時觀測即可確定這3 個點的坐標。考慮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

　　選點應按技術設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線的測量,保證每一段附合導線起始于GPS 點,終止于GPS 點。

　　第七步:導線點座標及平差計算

　　將每段附合導線測量數(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。

　　3.2 RTK技術在公路測量中的應用

　　實時動態(tài)(RTK)定位技術是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS (RTDGPS)技術,它是GPS測量技術發(fā)展的一個新突破,在公路工程中有廣闊的應用前景. GPS靜態(tài)定位、準動態(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,通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數(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,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1～3 s,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技術特點是RTK技術的發(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.

　　3.3 公路控制網(wǎng)的建立

　　按GPS勘測規(guī)程要求,每0. 5～1km間設一控制點,其等級依公路等級而定. 現(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,在布設首級控制網(wǎng)時應在5～10km內(nèi)布設一首級控制點,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用的點位. (2)埋石. 按勘測規(guī)范要求,埋選標石,并現(xiàn)場做好點記. (3)實測. 根據(jù)所使用的儀器標稱精度和規(guī)范的相關要求進行實測. (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).

　　3.4 GPS控制網(wǎng)的應用

　　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的控制依據(jù),可用GPS控制網(wǎng)控制航向和區(qū)域?qū)挾? (2)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用. (3)在公路勘測階段,可以GPS控制網(wǎng)為基礎進行放線及構造物的施放,可大大提高測設精度及原始數(shù)據(jù)的提取精度. (4)在施工階段,根據(jù)設計要求可以GPS控制網(wǎng)進行實地放線及構造物的放樣. (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定出來. 采用實時GPS測量,只需將中線樁點的坐標輸入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,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、計算機技術控制,自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理、自動平差計算. (3) RTK技術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. 這種技術非常適合路線、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測量應用的重要領域. 特別是在當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)的幾何水準測量有困難, GPS高程測量無凝是一種有效的手段.