GPS在公路工程控制測量中的應(yīng)用探析

李滿慧

摘 要：GPS 全球定位系統(tǒng)是美國研制并在 1994 年投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)， 其應(yīng)用技術(shù)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。在測量領(lǐng)域， GPS 系統(tǒng)已廣泛用于大地測量、 工程測量、 航空攝影測量以及地形測量等各個方面。本文概略敘述 GPS 系統(tǒng)在公路工程控制測量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS；公路；工程；控制；測量

GPS 全球定位系統(tǒng)在公路工程測量中的應(yīng)用，在最近的兩年得到了迅速推廣， 這主要依靠于 GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、 三維速度和時間信息等技術(shù)參數(shù)。

一、GPS 系統(tǒng)的組成

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，除此之外，測量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。

1.1 空間衛(wèi)星群

GPS的空間衛(wèi)星群由 24 顆高約 20 萬公里的 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 度，軌道和地球赤道的傾角為 55 度，衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。

1.2 GPS 的地面控制系統(tǒng)

GPS的地面控制系統(tǒng)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(jù)各監(jiān)控站對 GPS 的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去； 同時還對衛(wèi)星進(jìn)行控制， 向衛(wèi)星發(fā)布指令， 調(diào)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(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS 地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

1.3 GPS的用戶部分由

GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、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(jìn)行導(dǎo)航定位等。在測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)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(shù)指標(biāo)為工程測量帶來了極大的方便。

二、GPS 的工作原理

GPS 系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置 P 點(diǎn)架設(shè) GPS 接收機(jī)，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(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時刻 GPS 接收機(jī)至 GPS 衛(wèi)星的距離SAP、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(biāo)）。從而用距離交會的方法求得 P 點(diǎn)的維坐標(biāo)，在 GPS 測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換， 來求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。 這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理 GPS 觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應(yīng)用。

三、GPS 測量的技術(shù)特點(diǎn)

3.1測站之間無需通視

測站間相通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。

3.2 測量精度高

GPS觀測的精度明 顯高于一般常規(guī)測量，在小于50 km 的基線上，其相對定位精度可達(dá)1×10-6，而在大于1000 k m的基線上可達(dá)1×10-8。

3.3 觀測時間短

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

3.4 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，可以精確測定觀測站的大地高程。

3.5 操作方便

GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作機(jī)械化，觀測人員只需將天線對中、正平，量取天線高度，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)。

3.6 全天候作業(yè)

GPS觀測可在任何地點(diǎn)、任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況影響。

四、GPS 系統(tǒng)在公路工程實(shí)際測量工作中的應(yīng)用

公路工程的測量主要應(yīng)用了GPS 的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上控制測量中推廣使用了靜態(tài)功能這一技術(shù)，經(jīng)過多次的復(fù)測驗(yàn)證，GPS 技術(shù)定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設(shè)計(jì)和公路建設(shè)的精度

要求。

4.1 高速連接線控制測量

1）建立布網(wǎng)方案高速連接線地物地貌較為復(fù)雜，部分區(qū)域和方向有遮擋，該測區(qū)內(nèi)原有BJ54 坐標(biāo)系的 E級控制點(diǎn)二個（已知起算點(diǎn)），根據(jù)工程需要在附近沿線加密控制點(diǎn)，以便于測設(shè)。2）大地測量法主要采用大地測量儀器如經(jīng)緯儀全站儀測距儀等國道連接線控制網(wǎng)采用測邊網(wǎng)，高程采用測距三角高程，按照觀測技術(shù)要求進(jìn)行施測。3）GPS靜態(tài)測量法。GPS 靜態(tài)測量法就是根據(jù)制定的觀測方案，將三臺天寶4800GPS 接收機(jī)安置在待定點(diǎn)（a2，c1，c2，c3）上同時接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。4） 大地測量法與GPS 測量法結(jié)果比較由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計(jì)算中觀測量權(quán)配置等因素引起兩種測量方法的結(jié)果存在一定的差值，由于其三維坐標(biāo)差值均小于±10mm ，因此可以滿足高速連接線加密施工控制網(wǎng)的精度要求。

4.2 GPS的動態(tài)測量（RTK）在新建工程的應(yīng)用

對周圍地勢起伏較大的新建道路工程，規(guī)范對附合導(dǎo)線長閉合導(dǎo)線長及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對于高等級公路均要求達(dá)到一級導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線附合或閉合長度和結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)間距等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定，這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。通常用全站儀和測距儀通過導(dǎo)線形式對此種路段進(jìn)行控制測量。

五、結(jié)語

可以看出GPS 在公路工程的控制測量上具有很大的發(fā)展前景：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(diǎn)工程地區(qū)等。它不受人為因素的影響。整個作業(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。RTK 能實(shí)時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)時放樣、中樁測量、點(diǎn)位測量等。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GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS 測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

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