GPS在公路勘測中的應(yīng)用

龔長兵,李 寅

(黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院)

GPS即全球定位系統(tǒng),是利用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號實現(xiàn)導(dǎo)航定位的一種高新技術(shù),其空間部分由 24顆工作衛(wèi)星和 3顆備用衛(wèi)星組成,衛(wèi)星軌道高度 20200km,這些衛(wèi)星的空間布局可以保證在地球的任一點和任一時刻均可利用GPS信號接收機(jī)接收 4顆以上衛(wèi)星的信號。在公路工程中,運(yùn)用GPS將使傳統(tǒng)的公路測量方法發(fā)生根本的變革,對提高公路勘測設(shè)計的自動化水平具有重要意義。

1 GPS在公路初測控制測量中的應(yīng)用

公路初測的主要任務(wù)是根據(jù)路線的基本走向布設(shè)控制點進(jìn)行平面控制測量和高程控制測量,作為測繪路線地形圖、定線測設(shè)和施工放樣的重要基礎(chǔ)。利用GPS可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線法進(jìn)行路線控制測量,并具有布網(wǎng)靈活、外業(yè)觀測速度快、定位精度高等優(yōu)點,經(jīng)內(nèi)業(yè)處理可在統(tǒng)一坐標(biāo)系下提供控制點的三維數(shù)據(jù)信息。在測繪領(lǐng)域,應(yīng)用GPS進(jìn)行控制測量已經(jīng)取得了成功,以下就公路工程勘測的特點論述應(yīng)用GPS進(jìn)行路線初測控制測量的方法及應(yīng)注意的重要問題。

1.1 GPS路線控制測量等級的確定與CPS接收機(jī)的選擇

利用GPS進(jìn)行路線測量首先應(yīng)根據(jù)工程需要確定GPS控制網(wǎng)的等級,公路 GPS控制測量分為一級、二級、三級、四級共 4個等級。對大型橋梁和隧道工程的控制網(wǎng)應(yīng)采用一、二級精度等級,三級可作為高速公路路線的首級控制網(wǎng),四級控制網(wǎng)可作為高速公路的施工控制網(wǎng),控制點間的平均距離以 500m較為適宜。在具體的布設(shè)中可以分級布設(shè),也可以越級布設(shè)或布設(shè)同級的全面網(wǎng)。各等級控制網(wǎng)相鄰點間的弦長精度用下式表示Q=(a2+bd)1/2。式中:Q為GPS基線向量的弦長中誤差;a為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差;b為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的比例誤差。

應(yīng)用GPS進(jìn)行路線控制測量,GPS接收機(jī)是完成任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備,使用時必須對其性能與可靠性進(jìn)行檢驗,檢驗內(nèi)容包括一般性檢驗、通電檢驗和實測檢驗。近幾年國內(nèi)引進(jìn)了許多種GPS接收機(jī),就頻率而言,大致可分為單頻和雙頻兩類。其中,雙頻接收機(jī)的優(yōu)點是點間距離不受限制,邊長大于 20km時可基本上消除電離誤差對點位坐標(biāo)的影響。此外,在快速靜態(tài)和動態(tài)測量中,能快速地解算整周模糊值,從而使觀測時間比單頻機(jī)少,但價格較高,用于精密相對定位時雙頻機(jī)精度可達(dá)5mm+1ppmD(D為基線長度km),單頻機(jī)的精度在一定距離內(nèi)精度一般可達(dá) 10mm+ 2ppmD,因此一般在基線較長和應(yīng)用快速定位模式測量時可采用雙頻接收機(jī),其他對一般公路控制測量可采用單頻機(jī)。

1.2 GPS路線控制測量的作業(yè)模式

近幾年來,隨著GPS定位后處理軟件的發(fā)展,為確定兩點間的基線向量,有多種測量模式可供選擇,采用哪種 GPS作業(yè)模式與要求達(dá)到的精度、地形及擁有的設(shè)備情況有關(guān)。

(1)靜態(tài)定位作業(yè)模式。

采用兩臺或兩臺以上的GPS接收機(jī),分別安置在不同控制點上設(shè)站構(gòu)成基線,對 4顆以上衛(wèi)星進(jìn)行一個時段的同步觀測。每個時段長約45min至1.5h,以正確確定再波相位的整周未知數(shù) No,所有已觀測基線應(yīng)組成一系列的閉合圖形,以利于外業(yè)檢核提高成果的可靠度。這種模式基線的相對定位精度可達(dá)5mm+1ppmD。此模式精度高完全可以滿足各級路線控制測量的要求。

(2)快速靜態(tài)定位作業(yè)模式。

在測區(qū)中選擇一基準(zhǔn)站并安置一臺接受機(jī)連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星,另一臺接收機(jī)依次在各待定點上設(shè)站。由于采用了一種快速解算整周未知數(shù)的算法,每點只觀測數(shù)分鐘,使作業(yè)效率大為提高,但應(yīng)注意待定點與基準(zhǔn)點間距離不應(yīng)超過 20km,觀測時段內(nèi)應(yīng)保證有 5顆以上的衛(wèi)星可供觀測,由于兩臺接收機(jī)工作時構(gòu)不成閉合圖形,不能進(jìn)行閉合差檢驗,可靠性較差,不宜用于對測量精度有特殊要求的橋梁、隧道等特殊構(gòu)造物的測量控制網(wǎng)。此作業(yè)模式特別適用于短基線的測量及工程控制點的加密定位,且采用雙頻接收機(jī)效果更佳。

1.3 GPS數(shù)據(jù)處理及高程問題

(1)GPS數(shù)據(jù)處理。

GPS接收機(jī)采集記錄的原始數(shù)據(jù)為載波、偽距和衛(wèi)星星歷等,從原始觀測值得到滿足需要的定位。

(2)GPS高程問題。

GPS相對定位得到的基線向量,通過網(wǎng)平差后可求得各GPS點的WGS-84坐標(biāo)系中的大地高H84,而公路勘測所用的地面點高程是相對于似大地水準(zhǔn)面的正常高程Hr,兩者之間的差值稱高程異常,用公式可表示為

Hr=H84-ξ

由上式可知,在已知GPS點大地高 H84的情況下,只要求得高程異常值,即可求得公路勘測需要的正常高 Hr。為此,可通過聯(lián)測已知水準(zhǔn)點進(jìn)行數(shù)學(xué)曲面擬合的原理求解。

2 應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行公路定線測量

2.1 RTK技術(shù)的基本原理

RTK(RealTimeKinematic)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分測量技術(shù),是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。其基本原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺 GPS接收機(jī),對所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測,并將其觀測數(shù)據(jù)通過發(fā)射臺實時地發(fā)送給流動觀測站。在流動觀測站上,GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號的同時通過接收電臺接收基準(zhǔn)站傳送的數(shù)據(jù),然后利用電子手簿根據(jù)相對定位的原理,實時地求解出厘米級的流動站的動態(tài)位置(X,Y,H),這項技術(shù)可用于測圖和點位放樣等工作。在路線勘測中,應(yīng)用 RTK技術(shù)進(jìn)行公路定線測量,可同時一次完成傳統(tǒng)測量方法中的放線、中樁、中平 3項工作,且僅需要 1～2人操作,可大大提高作業(yè)效率。

2.2 RTK技術(shù)定線測量

傳統(tǒng)定線測量的方法需分組進(jìn)行放線、中樁、中平等工作,測量效率低,手工記錄測量數(shù)據(jù),難以實現(xiàn)與計算機(jī)內(nèi)業(yè)設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸。把RTK技術(shù)應(yīng)用于公路定測階段的定線測量可較好地解決這些問題。

應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行公路定線測量的基本作業(yè)方法如下。

(1)在路線控制點上架設(shè)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站,流動站測設(shè)路線點位并打樁作業(yè)。

(2)根據(jù)所設(shè)計的路線參數(shù)(圓曲線半徑、緩和曲線要素、交點坐標(biāo)、起始方位角等),利用路線計算程序計算路線中樁的設(shè)計坐標(biāo)。也可將路線計算程序集成于GPS接收機(jī)所配套的電子手簿中,在現(xiàn)場輸入樁號,隨時計算坐標(biāo)。

(3)將路線中樁的設(shè)計坐標(biāo)從微機(jī)中傳輸?shù)诫娮邮植?或手工輸入)。

(4)在流動站的測設(shè)操作下,只要輸入要測設(shè)的參考點號,然后按解計算鍵,顯示屏可及時顯示當(dāng)前桿位和到設(shè)計樁位的方向與距離,待移動至設(shè)計點位時,顯示屏圖形顯示桿位與設(shè)計點位重合,在桿位處打樁寫號即可。這樣逐樁進(jìn)行,可快速在地面上敷設(shè)中樁并獲取地面高程,因此可一次完成傳統(tǒng)測量方法中的放線中樁和中平等作業(yè)內(nèi)容。

(5)在每個樁位按控制器的記錄鍵,將樁號、坐標(biāo)、高程記錄于電子手簿的存儲器,實現(xiàn)無紙化記錄。內(nèi)業(yè)傳輸至計算機(jī),利用路線CAD軟件可方便地進(jìn)行縱斷的設(shè)計,實現(xiàn)與路線CAD的集成利用。

3 結(jié)束語

將GPS應(yīng)用于公路建設(shè),給傳統(tǒng)的公路勘測作業(yè)方式帶來了巨大沖擊,使公路測設(shè)水平顯著提高。特別是 GPS實時動態(tài)定位技術(shù)(RTK)應(yīng)用于道路地形測繪、定線測量、施工放樣測量等工作可達(dá)到厘米級的精度,可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存?zhèn)鬏?實現(xiàn)與路線CAD的集成。在公路勘察設(shè)計單位還是公路施工單位均具有重要的作用,而具備RTK功能的GPS接收機(jī)價格昂貴,所以在道路建設(shè)施工單位推廣應(yīng)用目前有一定難度。但是,由于一個 RTK基準(zhǔn)站可以與許多流動接收機(jī)配合使用,如果加高基準(zhǔn)站天線和加大電臺功率,數(shù)據(jù)通信范圍可達(dá)幾十至上百公里,所以在高等級公路建設(shè)中,公路勘察設(shè)計部門和施工單位可共同設(shè)立RTK系統(tǒng),實現(xiàn)資源共享,每個合同段的施工單位只需購置RTK流動設(shè)備即可,這樣不僅能節(jié)約投資,還能加快工程進(jìn)度。