GPS测量技术在公路测量中的原理及应用

1GPS测量简介　　全球定位系统(GPS)是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。该系统从本世纪70年代初开始设计、研制。GPS具有全天候提供高精度的连续实时三维导航、定位能力。自1980年第一台商用GPS接收机问世以来，随着GPS工作卫星的不断入轨和GPS接收机性能的不断提高和改进，GPS测量技术已广泛应用于我国国民经济建设的各个部门。
　　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，因此，实际做作业中一般应采用双频机。
　　(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。利用数据实时传输系统，流动站可以随时调阅基准站的工作状态和设站信息。这对于保证成果质量的排除
　　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。在整周未知数解算出台后，即可进行每个历元的实时处理。只要保持锁定四颗以上的卫星，并具有足够的几何图形强度，就能随时给出厘米级的点位精度。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。
　　由于公路建设无论是在测量原则，还是在测量精度和作业方法等方面有自己的特点。公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。目前GPS测量技术在公路测设中主要用于建立公路工程测量控制网及动态RTK测量。下面结合GPS使用情况对公路GPS控制测量作一简要介绍。
　　2GPS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)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为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。
　　(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。
3GPS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
　　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。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。
　　3。2RTK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。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)3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。
3。3公路控制网的建立
　　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。
　　3。4GPS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，可大大提高测设精度及原始数据的提取精度。(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。采用实时GPS测量，只需将中线桩点的坐标输入GPS接收机中，系统就会定出放样的点位；由于每个点的测量都是独立完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。
　　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。精度可达厘米级。
　　4小结
　　本文作者创新点是从GPS测量中，得出如下体会：
　　(1)GPS作业有着极高的精度。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限制，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。