GPS技術的主要內容及在路橋建設中的應用

陳浮波

摘要：GPS全球定位系統(tǒng)作為新形式測量系統(tǒng)，已廣泛用于大地測量，工程測量，航空測量以及地形測量及在公路工程測量中的應用，在最近的兩年得到了迅速推廣，取得了較好的效益。

關鍵詞：GPS定位系統(tǒng)；公路工程；控制測量；應用

中圖分類號：F540.3 文獻標識碼：A

GPS技術概述

GPS系統(tǒng)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，和用戶端相應的衛(wèi)星接收設備?？臻g際星群由均勻分布在6個軌道面上的24顆衛(wèi)星群組成。地面控制系統(tǒng)由主控站，注入站和監(jiān)測站構成，根據(jù)各自功能的協(xié)同工作。首先由監(jiān)控站接受衛(wèi)星信號，然后將GPS的觀測數(shù)據(jù)導入控制站，主控站根據(jù)監(jiān)控站提供的數(shù)據(jù)衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星釧的改正參數(shù)等，然后由注入站將主控站處理得到的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去，向衛(wèi)星發(fā)布指令，對衛(wèi)星進行控制，在出現(xiàn)緊急情況時可以調度備用衛(wèi)星；GPS接收機和數(shù)據(jù)處理軟件構成GPS用戶端，另外還需要必要的設備，如處理數(shù)據(jù)用的電腦等，GPS接收機可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，然后對信號進行處理，最后通過計算機和相應的數(shù)據(jù)處理軟件，從而得到目標點的三維坐標。

工作原理。GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的坐標計算采用距離交會法。在需要測設的目標點架設GPS接收機，在某一時刻同時接收了三顆以上的GPS衛(wèi)星群所發(fā)出的導航電文，運用計算機軟件對接受的信號進行一系列處理。一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離，然后結合監(jiān)控站收集的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)，就可獲得該時刻這些衛(wèi)星的空間位置。

技術特點。（1）定位精度高。采用GPS方格網(wǎng)進行測量，點位精度高，大滿足規(guī)范要求的基礎上，精度大大提高。大型建筑物，構造物變形監(jiān)測，在采用特殊的觀測措施，并優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型和計算方法后，精度會更高，誤差分布區(qū)域均勻，尤其是平面精度。（2）自動化程度高，作業(yè)效率高。用GPS接收機進行測量時，通常情況下一人即可完成全部作業(yè)，GPS的作業(yè)順序為：安裝GPS接收機和天線，量測天線高，打開儀器，設定好參數(shù)，啟動接受單元，就可開始接受作用。作業(yè)量較少，且程序簡單，避免了人為作業(yè)帶來的誤差。將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化，大大提高了工作效率，減少了其中人工操作帶來的誤差，保證了精度。（3）用途廣泛，GPS技術可以應用于國民經(jīng)濟的各個領域，在工程測繪中，GPS技術已經(jīng)廣泛應用于各種工程控制網(wǎng)的建立工作中，并在其它相關的檢測中同樣發(fā)揮著重要的作用，如在各種工程的自動變形觀測中，也取得了很好的觀測效果，工程施工的自動控制系統(tǒng)是未來應用研究的重要方向。

GPS測量作業(yè)

GPS網(wǎng)設計原則。GPS網(wǎng)設計，必須根據(jù)工程的需要，按照測量規(guī)范，遵循從整體到局部，從高級到低級，逐級控制的原則實施，GPS網(wǎng)建立的一般要求為：（1）圖形閉合以增強圖形強度，增加檢核條件，評測測量質量，即GPS網(wǎng)一般應通過獨立觀測邊構成閉合圖形，GPS網(wǎng)的獨立觀測邊一般構成以下基本形狀：三角形，環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)。（2）必要的點位重合，以便確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉換參數(shù)。（3）注意與周邊控制網(wǎng)的配合，若需依此網(wǎng)按常規(guī)方法聯(lián)測或擴展控制網(wǎng)，還應注意點間透視。

觀測步驟。（1）置儀器，對中整平后，按要求架好萊塢天線，將天線與接收機連接好，檢查確保無誤，方可開機。（2）在接收機中輸入高度角，采樣間隔和最小衛(wèi)星數(shù)，以及測站名，時段名，日期，測量人員姓名和天線高。（3）將接收機放在陰涼處，并時常查看接收機的工作狀況和所有收到的信息。（4）一個時段完成關閉接收機，進行下一個時段的測量，在這一時段中，只需在開機后將時段名改變，其余各項與上一時段相同。

數(shù)據(jù)處理。（1）平差即運用最小二乘法進行觀測數(shù)據(jù)的誤差處理。（2）轉換：由空間地心坐標系統(tǒng)轉換到所采用的參考坐標系。（3）投影。由空間坐標系投影到采用的平面上，得到點的二維坐標，進行點的定位。

GPS系統(tǒng)在公路工程測量中的應用

常規(guī)測量方法的缺陷

規(guī)范對附合導線長，閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規(guī)定，一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求，這樣，導線附合或閉合長度最長不得超過10公里，結點導線結點間距不能超過附合導線長度的0.7倍，這種要求一般在實際作業(yè)中難以達到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。搜集到的用于路線測量控制的起算點間一般很難保證為同一測量系統(tǒng)，往往國測，軍測，城市控制點混雜一起，這就存在系統(tǒng)間的兼容性問題，如果用不兼容的起算點，熱必影響測量質量。國家大地點破壞嚴重，影響測量作業(yè)，由于國家基礎控制點，大多為五六十年代完成，經(jīng)過30多年，有些點由于經(jīng)濟建設的需要被破壞，有些點則由于人們缺乏知識遭人為破壞，在這些地區(qū)進行路線測量作業(yè)，往往在50公里以上均找不到導線的聯(lián)測點，這樣路線控制測量的質量得不到保證。

GPS測量的實際應用。

現(xiàn)已一實際施工為例，該市公工程全線長60公里，所處地形為重丘區(qū)，路線設計為6車道。該段有11個各種系統(tǒng)遙平面控制點，經(jīng)過實地尋找，找出了7個，有4個被破壞，破壞中有2個國家II等點，在已找出的7個控制點中，國家測繪局系統(tǒng)1等點1個，III等點1個，城市測量系統(tǒng)點2個，總參軍控制點3個，這些平面控制點分屬不同測量系統(tǒng)，且等級不同。為提高該公路路段測量設質量，決定在國家測繪系統(tǒng)基礎進行控制點的加蜜，加密的控制點布設方案是：沿公路路線每10KM布設一對點，該對點相距約1KM，且應通視良好。這樣，該段共設了6對GPS加密點，加密點的精度要達到四等控制網(wǎng)的要求。

GPS在公路工程的控制測量上的發(fā)展前景

（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)，局部重點工程地區(qū)等。（二）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，自動記錄，自動數(shù)據(jù)預處理，自動平差計算。（三）GPSRTK技術將徹底改變公路測量模式，RTK能實地地得出所在位置的空間三維坐標，這種技術非常適合路線，橋，隧勘察，它可以直接進行實地實時放樣，中樁測量，點位測量等。（三）GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，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)測量方法的三倍以上。（四）GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域，特別是在當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，實施常規(guī)的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。

結束語

GPS測量具有工作效率高，勞動強度小，成果精度高，施測成本低且可以全天候實時連續(xù)觀測等優(yōu)點，提高了觀測精度和作業(yè)速度，具有很大的應用潛力，必將成為控制測量方法的首選。應該指出的是利用GPS建立工程測量控制網(wǎng)還有許多問題有待進一步研究，特別是利用GPS數(shù)據(jù)解算高精度的正常高，在GPS作業(yè)的同時，建立正常高系統(tǒng)的高精度三維控制網(wǎng)，這一問題的解決，將大大的拓寬GPS的作業(yè)領域，為實際工作帶來巨大的經(jīng)濟效益。