GPS 技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

余金巧

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國陸?？杖娐?lián)合研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。單點(diǎn)導(dǎo)航定位與相對測地定位是GPS應(yīng)用的兩個(gè)方面;對常規(guī)測量而言相對測地定位是主要的應(yīng)用方式。

相對測地定位是利用L1和L2載波相位觀測值實(shí)現(xiàn)高精度測量，其原理是采用載波相位測量局域差分法:在接收機(jī)之間求一次差，在接收機(jī)和衛(wèi)星觀測歷元之間求二次差，通過兩次差分計(jì)算解算出待定基線的長度;求解整周模糊度是其關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)算法模型，設(shè)計(jì)了靜態(tài)、快速靜態(tài)以及RTK等作業(yè)模式。靜態(tài)作業(yè)模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量;快速靜態(tài)測量以其高效的作業(yè)效率與厘米級精度廣泛應(yīng)用于一般的工程測量;而RTK測量以其快速實(shí)時(shí)，厘米級精度等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集(如碎部測量)與工程放樣中。RTK技術(shù)代表著GPS相對測地定位應(yīng)用的主流。

1 GPS在公路定測中的作業(yè)模式

1.1 選擇作業(yè)時(shí)段

線路沿線地物地貌復(fù)雜多變，為獲取完整的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)選擇最佳觀測時(shí)段。衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高，衛(wèi)星的分布情況可用planning軟件查看多項(xiàng)預(yù)測指標(biāo)，根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理安排工作計(jì)劃。

1.2 建立測區(qū)平面控制網(wǎng)

根據(jù)中線放樣資料，用GPS靜態(tài)測量方法建立測區(qū)控制網(wǎng)，相鄰點(diǎn)間距5 km～8 km，并與國家點(diǎn)聯(lián)測，求出各控制點(diǎn)平面坐標(biāo)，同時(shí)投影變形不得不考慮，變形的程度與測區(qū)地理位置和高程有關(guān)，公路路短則數(shù)十千米，長則幾百千米，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬別，長度變形各不相同。在3°投影帶的邊緣，長度變形很大，導(dǎo)致中線樁由圖上反算的放樣長度與實(shí)地測量長度不一致，無法滿足放樣要求。因此必須采取相應(yīng)的措施削弱長度變形。

1.3 高程控制測量

GPS得到的高程是大地高，而實(shí)際采用的是正常高，需要將大地高轉(zhuǎn)化為正常高。而測區(qū)的高程異常是未知數(shù)，且高程異常的變化較復(fù)雜，特別在山區(qū)精度較差。此外，新線定測要求約每隔4 km常設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，而有些地形環(huán)境不能滿足GPS觀測的條件，采用高程擬合的方法擬合的高程精度不能得到保證。完全用GPS替代等級水準(zhǔn)難度大。因此等級水準(zhǔn)仍采用水準(zhǔn)儀作業(yè)模式。

1.4 求取地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS84和國外當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)(或地方獨(dú)立網(wǎng)格坐標(biāo))以及高程的公共點(diǎn)，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為RTK動態(tài)測量做好準(zhǔn)備。選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)要注意以下兩個(gè)問題:1)要選測區(qū)四周及中心的控制點(diǎn)均勻分布;2)為提高轉(zhuǎn)化精度，最好選3個(gè)以上的點(diǎn)，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

1.5 基準(zhǔn)站選定

基準(zhǔn)站設(shè)置除滿足GPS靜態(tài)觀測的條件外，還應(yīng)設(shè)在地勢較高，四周開闊的位置，便于電臺的發(fā)射?？稍O(shè)在具有地方網(wǎng)格坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)的已知點(diǎn)上，也可在未知點(diǎn)上設(shè)站。

1.6 放樣內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

利用測量內(nèi)外業(yè)一體化程序完成全部計(jì)算工作。將線路的起點(diǎn)坐標(biāo)、方位角、加直線長度輸入，程序根據(jù)里程計(jì)算出全線待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)，其中直線上每50 m一個(gè)點(diǎn)，地形變換處加一個(gè)點(diǎn)。按相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式將放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出成DATA文件，通過軟件將文件導(dǎo)入到外業(yè)掌上電腦供外業(yè)調(diào)用。

1.7 外業(yè)操作

將基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上，開機(jī)后進(jìn)行必要的系統(tǒng)設(shè)置、無線電設(shè)置及天線高等輸入工作。流動站接收機(jī)開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，再進(jìn)行流動站的設(shè)置和初始化工作。通常公布的坐標(biāo)系統(tǒng)和大地水準(zhǔn)面模型不考慮投影中的當(dāng)?shù)仄睿虼艘ㄟ^點(diǎn)校正來減少這些偏差，獲得更精確的當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格坐標(biāo)，且確保作業(yè)區(qū)域在校正的點(diǎn)范圍內(nèi)。

2 實(shí)例

2.1 GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于GPS控制網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)，我們決定采用GPS做導(dǎo)線。

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。GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成鐵路平面控制測量。

2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5 mm+1 ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5 mm+5 ppm，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 km的基線上，其相對定位精度可達(dá)12×10－6，而在100 km～500 km的基線上可達(dá)10－6～10－7。

3)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 min～40 min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5 s以內(nèi)求得測點(diǎn)坐標(biāo)。

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。

5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。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)。而其他觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

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。

我公司于埃塞俄比亞做了一條156 km的公路，考慮到路線的長度，布一級GPS網(wǎng)，每5 km布置2個(gè)GPS點(diǎn)。點(diǎn)位的選擇為開闊地，相互通視并且離公路中線50 m以上，以避免道路施工對GPS控制點(diǎn)的影響。并且選擇點(diǎn)位遠(yuǎn)離高壓線、電視塔等一切有電磁波反射或吸收的位置。

在GPS數(shù)量的選擇上，我們購買了3臺GPS，以保證在3個(gè)GPS控制點(diǎn)上能同步觀測。每3個(gè)GPS控制點(diǎn)同步觀測的時(shí)間保證在45 min以上，以確保精度。

2.2 GPS外業(yè)觀測

觀測作業(yè)的主要任務(wù)，是捕獲GPS衛(wèi)星信號對其進(jìn)行跟蹤、接收和處理，已獲取所需的定位和觀測數(shù)據(jù)。其觀測工作主要包括:安置天線、觀測作業(yè)和觀測記錄等。在雷雨天氣安置天線時(shí)，應(yīng)注意將其底盤接地，以防止雷擊。在觀測時(shí)要注意各接收機(jī)的觀測員應(yīng)按觀測計(jì)劃規(guī)定的時(shí)間作業(yè)，確保同步觀測同一組衛(wèi)星。觀測記錄需記下測站點(diǎn)，天線高，接收機(jī)號，開機(jī)及關(guān)機(jī)時(shí)間。

擺設(shè)GPS人員盡可能留在儀器旁邊，不要讓儀器離開視線范圍之外，數(shù)分鐘需至接收儀查看一次，注意數(shù)據(jù)有無持續(xù)接收、電池剩余電量等。

注意:任何意外造成儀器之定心、定平移動甚至傾倒，則立即關(guān)機(jī)重新架設(shè)，并在手簿上記錄關(guān)機(jī)及開機(jī)時(shí)間;斷電處理:換上新電池，重新開機(jī)，記錄斷電及重新開機(jī)時(shí)間;若有本身無法排除之困難，則立即回報(bào)并記錄狀況。

2.3 內(nèi)業(yè)計(jì)算

外業(yè)工作結(jié)束后，數(shù)據(jù)下載時(shí)需要觀測手簿的信息來輔助下載。利用手簿上記載之接收儀序號找到對應(yīng)之接收儀進(jìn)行下載，若下載數(shù)據(jù)與手簿數(shù)據(jù)不符合者(如點(diǎn)號、天線高等)，將該數(shù)據(jù)記錄于手簿上，待下載完成之后詢問該擺站人員哪項(xiàng)信息才是正確的。

使用橢球面為WCG1984，投影到局部橢球Clarke1880，使用軟件為Trimble Geometrics Office，轉(zhuǎn)換球面坐標(biāo)到UTM北37°帶上。

內(nèi)業(yè)計(jì)算分?jǐn)?shù)據(jù)錄入，基線處理，GPS環(huán)閉合差，GPS數(shù)據(jù)的最小約束平差，成果輸出。其中重要的部分為基線的處理，基線處理關(guān)系到GPS點(diǎn)位的精確度。用軟件處理完成后輸出坐標(biāo)表、比例因子及其相對的點(diǎn)位精度。

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

1)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的地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。

2)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，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計(jì)算。

3)GPS RTK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。

4)GPS測量可以極大地降低勞動作業(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。

[1]李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

[2]周 立.GPS測量技術(shù)[M］.鄭州:黃河水利出版社，2006.