GPS测量在公路工程中的应用

杨进星
（广西国土测绘院）

【摘　要】　GPS（Global Positioning System）全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用。
【关键词】　GPS定位系统 公路工程 控制测量 应用

　　一、概述
　　GPS全球定位系统（Global Positioning System）在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。
　　1.1 GPS系统的组成
　　GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
　　1.1.1 空间卫星群
　　GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收到4到11颗GPS卫星发送出的信号。
　　1.1.2 GPS的地面控制系统
　　GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土上。
　　1.1.3 GPS的用户部分
　　由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPS测地型接收机其技术指标为：
　　双频主机、天线，RTK电台一体化；
　　独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；
　　5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星“超跟踪”技术；
　　新型手簿式控制器，4M或10M的PCMCIA数据存储卡；
　　测量精度：静态测量 5mm+1ppm RTK测量10mm+1ppm（平面）
　　20mm+1ppm（高程）
　　这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
　　1.2 实时GPS测量原理
　　实时GPS测量以载波相位观测值为基础，不同于早先的实时差分GPS（RTD），RTD是建立在C/A码伪距观测值的基础之上的一种实时定位技术，其精度只能达到米级。
　　静态测量是用两台或两台以上GPS接收机同步观测，对观测值进行处理，可等到两测站间精密的WGS-84基线向量，再经过平差、坐标传递、坐标转换等工作，最终得到测点的坐标。显然静态测量不具备实时性。RTK定位技术则是实时动态测量，需要在两台GPS接收机之间增加一套无线数字通讯系统（亦称数据链），将两相对独立的GPS信号接收系统联成有机的整体。基准站通过电台将观测信息和观测数据传输给流动站，流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身的载波信号进行差分处理，解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标转换和投影参数，实时得到测点坐标。因此，实时GPS测量的关键除数据传输技术外，还需具有很强的数据处理能力。
　　GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图1示：在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标其数学式为：
　　
　　式中（XA，YA，ZA），（XB，YB，ZB），（XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中得到了广泛的应用。

图1

　　实时GPS系统由以下3部分组成：
　　1.2.1 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的需要很长的时间，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失锁，失锁后的重新初始化要占去许多时间。因此，实际作业中一般应采用双频机。
　　1.2.2 数据实时传输系统。为把基准站的信息及观测数据一并同时传输到流动站，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（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。此项要求目前不难达到。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相关站信息。这对于保证成果质量和排除观测中出现的粗差十分有利。
　　1.2.3 数据实时处理系统。基准站将自身信息与观测数据，通过数据链传输到流动站，流动站将从基准站接收到的信息与自身采集到的观测数据组成差分观测值。在整周未知数解算出来以后，即可进行每历元的实时处理。只要保证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。
　　二、GPS测量的技术特点
　　2.1 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。
　　2.2 定位精度高
　　一般双频GPS接收机基线解算精度为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50公里的基线上，其相对定位精度可达12*10-6，而在100~500公里的基线上可达10-6~10-7。
　　2.3 观测时间短
　　采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30~40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得观测点坐标。
　　2.4 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。
　　2.5 操作简便
　　GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。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。
　　2.6 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。
　　三、实时GPS测量在公路建设中的应用
　　GPS测量具有高精度、高效率的优点，在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS接收机性能和数据处理技术逐渐完善，GPS应用领域也不断拓宽。实时GPS测量在公路工程中可完成多种工作。
　　3.1 绘制大比例尺地形图
　　高等级公路选线多是在大比例尺（通常是1：2000或1：1000）带状地形图上进行，用传统方法测图，先要建立控制网，然后进行碎部测量，绘制大比例尺地形图。其工作量大速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量，构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图，由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，大大降低了测图的难度，既省时又省力。
　　3.2 工程控制测量
　　用GPS建立控制网，最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制。宜用静态测量。而一般工程的控制测量，则可采用实时GPS动态测量。利用这种方法在测量达到要求的点位精度，即可停止观测，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视，使得测量更简便易行。
　　3.3 公路中线测设
　　设计人员在大比例尺带状地图上定线后，需将公路在地面标定出来。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。由于每个点位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。
　　3.4 公路纵、横断面测量
　　公路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。
　　3.5 施工测量
　　实时GPS系统既有良好的硬件，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。
　　3.6 变形观测
　　变形监测网具有毫米级的精度，比一般工程控制网高一个数量级。实践证明，如果用较长的观测时间，分几个时段进行观测，并采用强制对中，观测时天线指北等措施，长度不超过4km的基线向量可达到2mm-3mm的精度。随着研究深化，GPS广泛用于变形观测是完全有可能的。
　　四、小结
　　通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：
　　4.1 GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。
　　4.2 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。
　　4.3 GPS-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的空间三维坐标。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。
　　4.4 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。
　　4.5 GPS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，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高程测量无疑是一种有效的手段。