公路工程测量中GPS技术的应用分析和探讨

刘伟德 冯宗高

摘要：在公路测量中应用全球定位系统，即GPS，具有精度高、速度快的特点。介绍了GPS的原理及其三大子系统，特别是GPS系统在公路测量中的应用，具有明显的经济和社会效益。

关键词：GPS探收机公路测量道路工程

0引言

GPS，即全球卫星定位系统，是美军干20世纪70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

空间卫星系统由均匀分布在地球6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，卫星每12h《恒星时》沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟(基频f=10.23MHz)控制无线电发射机在“低噪声窗口”(无线电窗口中，2至8区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段)附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发GPS导航信号。

地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个注入站构成。该系统的功能是：监控站用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入自身的工作状态数据，及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站；控制和协调监测站间，注入时间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了GPs用户系统：诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。

1GPS几何定位原理

测量学中有测距交会确定点位的方法。同理GPS卫星定位也是利用测距交会的原理确定点位。假设在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法，分别测得接收机至三个发射台的距离d1，d2，d3。只需以三个发射台为球心，以d1，d2，d3为半径做出三个定位球面，既可交会出用户接收机的空间位置。反之利用3颗以上的卫星已知位置又可交会出地面未知点(用户接收机)的位置。这就是GPS卫星定位的基本原理一空间距离，后方交会。

在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时的由GPS卫星信号测量出测站点至卫星的距离，实时的由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待定点来说，根据其运动状态可将GPS定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟及至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上。则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻(观测历元)运动中的接收机的点位(绝对点位或相对点位)。

2RTK技术在公路测量中的应用

实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS地理信息系统)前端数据采集。

2.1快速静态定位模式要求GPs接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求。便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法(如全站仪测量)，受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5～1～n(随着技术的不断发展，定位时间还会缩短)，不及静态测量所需时间的五分之一，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。

2.2动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前。其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2～4s，精度就可以达到1m，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器不可比拟的优点。

3GPS测量的缺陷和特点

3.1常规测量方法的缺陷

3.1.1规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度最长不得超过10km，结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍。这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。

3.1.2搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统，国测、军测、城市控制点往往混杂一起，这就存在系统间的兼容性问题，如果用不兼容的起算点。势必影响测量质量。

3.1.3国家大地点破坏严重，影响测量作业。由于国家基础控制点，大多为20世纪五六十年代完成，经过30多年，有些点由于经济建设的需要被破坏，有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业，往往在50km以上均找不到导线的联测点。这样路线控制测量的质量得不到保证。

3.1.4地面通视困难往往影响常规测量的实施。一般路线的控制点要求布设在距路线的300m范围内。由于通视的原因，这一条件难以满足，甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区，根本无法实施常规控制测量。

42GPS测量的主要特点

4.1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。

4.2定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，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1.2×10_-6,而在100km～500km的基线上可达10_-6～10_-7，

4.3观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min的观测时间即可。

4.4提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

4.5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，而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

4.6全天侯作业。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。

5GPS应用展望

5.1GPS作业有著极高的精度。它的作业不受距离限制，非常适合于国家大地点破坏严重地区、地形条件困难地区、局部重点工程地区等。

5.2GPS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。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

5.3GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。

5.4GPS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。

5.5GPS高精度高程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，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。

6结语

GPS在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态(RTK)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。