GPS 測量技術在公路建設中的應用特點探討

李貴兵

（貴州省有色地質勘查局二總隊，貴州 六盤水 553004）

1 GPS系統的組成及工作原理分析

1.1 GPS系統的組成

1.1.1 GPS系統的組成。GPS全球定位系統由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛(wèi)星接收設備。GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬km的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛(wèi)星的軌道運行周期為11h58min，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4～11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。

1.1.2 GPS的地面控制系統包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站，主控站的作用是根據各監(jiān)控站對GPS的觀測數據計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數等并將這些數據通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調度備用衛(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算的數據注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

1.1.3 GPS的接收的技術指標。GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發(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指標為工程測量帶來了極大的方便。

1.2 GPS的工作原理

GPS系統是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統。在需要的位置P點架設GPS接收機，在某一時刻同時接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置 (三維坐標)。在GPS測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統。

2 GPS測量在公路建設中應用的技術特點

相對于常規(guī)的測量方法來講，GPS測量有以下特點：

2.1 測站之間無需通視

測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。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接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500km的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短

觀測時間短采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時間更短。

2.4 提供三維坐標

GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便

GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機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行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。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完成。

2.6 全天候作業(yè)

GPS觀測可在任何地點，任何時間連續(xù)地進行，一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS在公路測量中的應用

GPS測量方法相對于經典測量學說，GPS定位技術具有觀測點之間無需通視、定位精度高、觀測時間短、提供三維坐標、操作簡便以及全天候作業(yè)等主要特點。使其可以更好應用于下列實際工作中：

3.1 繪制大比例尺地形圖

公路選線多是在大比例尺(1∶1000 或1∶2000)帶狀地形圖上進行。用傳統方法測圖，先要建立控制點，然后進行碎部測量，繪制成大比例尺地形圖。這種方法工作量大，速度慢，花費時間長。用實時GPS動態(tài)測量可以完全克服這個缺點，只需在沿線每個碎部點上停留一兩分鐘，即可獲得每點的坐標、高程。結合輸入的點特征編碼及屬性信息，構成帶狀所有碎部點的數據，在室內即可用繪圖軟件成圖。由于只需要采集碎部點的坐標和輸入其屬性信息，而且采集速度快，因此大大降低了測圖難度。

3.2 公路中線放樣

設計人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標定出來。采用實時GPS測量，只需將中樁點坐標輸入到GPS電子手簿中，系統軟件就會自動定出放樣點的點位。由于每個點測量都是獨立完成的，不會產生累計誤差，各點放樣精度趨于一致。公路路線主要是由直線、緩和曲線、圓曲線構成。放樣時，只要先輸入各主點樁號(ZH、HY、QZ、YH、HZ)，然后輸入起終點的方位角a1a，直線段距離D1、D2，緩和曲線長度LS1、LS2，圓曲線半徑R，即可進行放樣操作。這種方法簡單實用，比起傳統的弦線撥角法要快速得多。另外，如果需要在各直線段和曲線段間加樁，只需輸入加樁點的樁號就能自動計算放樣元素。

3.3 公路的橫、縱斷面放樣和土石方數量計算

3.3.1 縱斷面放樣時，先把需要放樣的數據輸入到電子手簿中(如：各變坡點樁號、直線正負坡度值、豎曲線半徑)，生成一個施工測設放樣點文件，并儲存起來，隨時可以到現場放樣測設。

3.3.2 橫斷面放樣時，先確定出橫斷面形式(填、挖、半填半挖)，然后把橫斷面設計數據輸入到電子手簿中(如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設計高)，生成一個施工測設放樣點文件，儲存起來，并隨時可以到現場放樣測設。同時軟件可以自動與地面線銜接進行“戴帽“工作，并利用“斷面法”進行土石方數量計算。通過繪圖軟件，可繪出沿線的縱斷面和各點的橫斷面圖。因為所用數據都是測繪地形圖時采集而來的，不需要到現場進行縱、橫斷面測量，大大減少了外業(yè)工作。必要時可用動態(tài)GPS到現場檢測復合，這與傳統方法相比，既經濟又實用，前景又廣闊。

3.4 橋梁結構放樣。對于在江河上修建的大跨徑橋梁，采用傳統光學儀器和全站儀來定位是比較困難的，因為江面過寬、霧氣較大，易造成儀器讀數誤差。另外，天氣情況變化多端、觀測浮標位置飄浮不定，影響定位精度。但GPS采用的是空間三點后方距離交會法原理來定位，不受江面外界情況干擾，點與點之間不要求通視，大大提高了作業(yè)效率。它的平面坐標定位精度在5mm ±1ppm左右，基線長度有幾米到幾十公里，符合橋梁控制網的精度要求。

4 GPS在公路測量中的應用展望

從上面的論述中，可以看到在高等級公路中，GPS測量正發(fā)揮著越來越大的功能，而且還有著很大的發(fā)展前景。GPS測量作業(yè)精度高。它的作業(yè)不受距離限制，非常適合于國家大地點破壞嚴重地區(qū)，地形條件困難地區(qū)，局部重點工程地區(qū)等。

4.1 GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業(yè)過程全由微電子技術，計算機技術控制，自動紀錄，自動數據預處理，自動平差計算。

4.2 GPS-RTK 技術將徹底改變公路測量模式。RTK 能實時地得出所在位置的空間三位坐標。這種技術非常適合路線，橋梁，隧道勘察。它可以直接進行實地實時放樣，中線邊樁測量，點位測量等。

4.3 GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，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。

4.4 在當前高等級公路逐漸向山嶺丘陵區(qū)發(fā)展的形勢下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)的幾何水準測量非常困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。

5 結束語

GPS全球定位系統（GlobalPositioningSystem)是美軍發(fā)展建設的具有全球性、多用途、全天候性優(yōu)勢的導航定位、定時、測速系統。目前，全球定位系統已廣泛應用于工程建設和軍事等眾多領域中，在我國公路工程測量中的應用還剛剛起步，相信隨著我國經濟的發(fā)展，GPS技術應用研究的逐步深入，GPS在現代公路建設中必將發(fā)揮更大的作用。

[1]肖遠平.GPS高程擬合及其在公路勘察中的應用研究[J].中南大學，2009-05-28.