GPS在公路工程控制測量中的應(yīng)用

一、概述

GPS全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System)在公路工程測量中的應(yīng)用，在最近的兩年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息等技術(shù)參數(shù)。我們先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，工作原理以及在測量領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)。

1.1GPS系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。

1.1.1 空間衛(wèi)星群 GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60o，軌道和地球赤道的傾角為55o，衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。

1.1.2 GPS的地面控制系統(tǒng) GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對 GPS的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

1.1.3 GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進(jìn)行導(dǎo)航定位等。在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測量帶來了極大的方便。例如：我們在控制測量中使用的天寶（Trimble）4800GPS測地型接收機(jī)其技術(shù)指標(biāo)為：

雙頻主機(jī)、天線，RTK電臺一體化；

獨(dú)特的電池設(shè)計(jì)、無需接線，使用4h以上；

5次/秒的快速位置更新，可靠的衛(wèi)星"超跟蹤"技術(shù)；

新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡;

測量精度：靜態(tài)測量?5mm+lppm

RTK測量 10mm十1ppm（平面）

20mm十1ppm(高程）

這些技術(shù)指標(biāo)充分的滿足了控制測量的精度要求。

1.2GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置(三維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)的方法求得 P點(diǎn)的維坐標(biāo)(Xp,Yp，Zp)，其數(shù)學(xué)式為：

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)分別為衛(wèi)星A，B，C 在時(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。在GPS測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。（如： WGS-84世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系。）在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應(yīng)用。

二 GPS測量的技術(shù)特點(diǎn)

相對于常規(guī)的測量方法來講，GPS測量有以下特點(diǎn)：

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)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。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線上可達(dá)10-6～10-7。

2.3 觀測時(shí)間短。觀測時(shí)間短采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時(shí)間更短。例如使用Timble4800GPS接收機(jī)的RTK法可在5s以內(nèi)求得測點(diǎn)坐標(biāo)。

2.4 提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時(shí)，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測點(diǎn)三維坐標(biāo)。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(dòng)完成。

2.6 全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。

三、GPS系統(tǒng)在實(shí)際測量工作中的應(yīng)用，

公路工程的測量主要應(yīng)用了GPS的兩大功能：靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)；動(dòng)態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上。開封市的省路網(wǎng)改造項(xiàng)目應(yīng)用GPS測量是于2001年開始的，2002年在省道豫04線和尉氏--通許段48公里的中線測量和國道310線鄭汴高速連接線11.8公里的控制測量中推廣使用了靜態(tài)功能這一技術(shù)。據(jù)開封市公路工程勘察設(shè)計(jì)院有關(guān)專家介紹，經(jīng)過多次的復(fù)測驗(yàn)證，GPS技術(shù)定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設(shè)計(jì)和公路建設(shè)的精度要求。

3.1 國道310線鄭汴高速連接線控制測量

3.1.1建立布網(wǎng)方案

國道310線鄭汴高速連接線北連鄭汴高速，向南穿越正在開發(fā)的開封經(jīng)濟(jì)技術(shù)園區(qū)，地物地貌較為復(fù)雜，部分區(qū)域和方向有遮擋，該測區(qū)內(nèi)原有BJ54坐標(biāo)系的E級控制點(diǎn)二個(gè)(已知起算點(diǎn))，其中a1 （X=3852759.5680，Y=528870.9190，H=72.0080）位于醫(yī)藥商廈門前， b1 （X=3852808.6230，Y=527915.2590，H=72.0000）位于大學(xué)西邊的路口處，根據(jù)工程需要在市委、水利局、書店、雕塑、檢察院附近加密控制點(diǎn)，以便于測設(shè)，我們建立控制網(wǎng)。

3.1.2 大地測量法

主要采用大地測量儀器如經(jīng)

緯儀、全站儀、測距儀等。國道

310線鄭汴高速連接線控制網(wǎng)采用

測邊網(wǎng)，高程采用測距三角高程，

按照觀測技術(shù)要求進(jìn)行施測。外

業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行平差計(jì)算。

3.1.3 GPS靜態(tài)測量法??GPS靜態(tài)測量法就是根據(jù)制定的觀測方案，將三臺天寶4800GPS接收機(jī)安置在待定點(diǎn)(a2,c1,c2,c3)上同時(shí)接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

3.1.4?大地測量法與GPS測量法結(jié)果比較

由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計(jì)算中觀測量權(quán)配置等因素引起兩種測量方法的結(jié)果存在一定的差值，由于其三維坐標(biāo)差值均小于±10mm，因此可以滿足國道310線鄭汴高速連接線加密施工控制網(wǎng)的精度要求。

3.2 GPS的動(dòng)態(tài)測量（RTK）在東京大道新建工程的應(yīng)用

東京大道新建工程周圍地勢起伏較大，在北城墻外JD4～JD5區(qū)間穿越五十公頃面積的國家森林公園，大范圍的密林、密灌地使通視較為困難，而規(guī)范對附合導(dǎo)線長、閉合導(dǎo)線長及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對于高等級公路均要求達(dá)到一級導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線

附合或閉合長度和結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)間距等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定，這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。開封市公路局勘察設(shè)計(jì)院于2000年用10人花費(fèi)20天時(shí)間，用全站儀和測距儀通過導(dǎo)線形式完成了該路段進(jìn)行了控制測量。2001年在工程開工前對 該路段實(shí)施GPS的RTK動(dòng)態(tài)測量，對中線進(jìn)行恢復(fù)和校核。

以已知控制點(diǎn) JD4、JD5為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在基準(zhǔn)點(diǎn)JD4上架設(shè)GPS基準(zhǔn)臺，用GPS1H和GPS2兩臺天寶（ Trimble）4800GPS接收機(jī)分別安置在控制點(diǎn)上，測出點(diǎn)HZ4、ZD7、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三維坐標(biāo)，每點(diǎn)測量時(shí)間為5s。根據(jù)所測坐標(biāo)計(jì)算出相應(yīng)邊長值。

為驗(yàn)證市勘察設(shè)計(jì)院2000年的對東京大道新建工程在控制測量的精度，我們分別以JD4和JD5為基準(zhǔn)站對國家森林公園周圍原加密的控制點(diǎn)A、B、C、D、E也進(jìn)行了RTK測量，進(jìn)行了坐標(biāo)比較。

運(yùn)用GPS測量的基線有14條，邊長差值最大為16mm?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)測量點(diǎn)數(shù)7點(diǎn)，除E點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有人為的破壞痕跡外，三維坐標(biāo)能夠比較的元素有27個(gè)，差值小于施工測量規(guī)范規(guī)定的要求，從以上比較可知，RTK測量可以用于工程的控制測量是非常有效的新技術(shù)。原來10人20天的外業(yè)任務(wù)，使用GPS測量僅用5人6小時(shí)時(shí)間，可見利用GPS測量能大大提高作業(yè)的效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了高等級公路測設(shè)質(zhì)量。

四、小結(jié)

通過以上對GPS測量的應(yīng)用事例的探討，可以看出GPS在公路工程的控制測量上具有很大的發(fā)展前景：

第一 GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。

第二 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(gè)作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。

第三 GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式。RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測量、點(diǎn)位測量等。

第四 GPS測量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)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。

第五 GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)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(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。