GPS技術(shù)在公路工程測量中的應(yīng)用
2012-10-12 來源：作者：周茂剛 來源：中國鳴網(wǎng)
全球定位系統(tǒng)在公路工程測量中的應(yīng)用，在最近幾年得到迅速的推廣和應(yīng)用，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球用戶全天候連續(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)。我們首先先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，在測量領(lǐng)域的應(yīng)用特點，進(jìn)而對其在公路工程測量中的應(yīng)用做說明。
一、GPS系統(tǒng)介紹
GPS，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美軍于20世紀(jì)70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢的導(dǎo)航定位、定時、測速系統(tǒng)。由于GPS技術(shù)所具有的全天後、高精度、和自動測量的特點，作為先進(jìn)的測量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，國防建設(shè)和社會發(fā)展的各個應(yīng)用領(lǐng)域。
GPS系統(tǒng)組成是由GPS三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接受系統(tǒng)。
（1）空間衛(wèi)星系統(tǒng)，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地平線以上可以接收到4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。
?。?）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、大平洋和美國本土。
（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。
二、GPS測量的特點
1、定位精度高
一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀稱精度為5mm+5ppm。GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增加，GPS測量優(yōu)越性愈加突出，大量的實驗證明，在小于50KM的基線上，其相對定位精度可達(dá)12×10-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10-6～10-7。
2、測站之間無須通視
測站間相互通視一直是測量學(xué)的一大難題，尤其地形復(fù)雜的地區(qū)，對于測量技術(shù)人員來說找取通視點尤為困難，GPS的出現(xiàn)，它的一大特點就是測站之間無須通視，使得選點更加靈活方便，但是測站點附近必須保證寬闊，這樣接收信號會比較好些。
3、操作簡便
GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機(jī)已經(jīng)趨于小型化和智能操作簡單化，觀測人員無須很高技術(shù)水平，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)行處理即求得測點的三維坐標(biāo)，而其他的觀測工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測等均由一起自動完成。
三、GPS技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用分析
近年來，交通和建筑系統(tǒng)等部門都引進(jìn)了GPS接收機(jī)，促進(jìn)了GPS技術(shù)在我國的發(fā)展，制定了《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》CJJ73-79和《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量技術(shù)規(guī)范》CH2001-92等標(biāo)準(zhǔn)。GPS技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在公路、橋梁、隧道的等的測量及定位控制。
1、布設(shè)公路勘測控制網(wǎng)
目前，公路路線GPS網(wǎng)的施測方案基本有兩個：一是所有路線控制點全部采用GPS施測，即沿路線縱向每隔500m~1000m布設(shè)一個GPS點，相鄰GPS點間相互通視，二是沿路線縱向每隔5km~10km布設(shè)一對GPS點（一個做控制點，一個做方向點），作為路線的基本控測，在此基礎(chǔ)上，中間在進(jìn)行紅外測距導(dǎo)線加密。
2、公路的橫、縱斷面放樣和土石方數(shù)量計算
縱斷面放樣時，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如：各變坡點樁號、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑），生成一個施工測設(shè)放樣點文件，并儲存起來，隨時可以到現(xiàn)場放樣測設(shè)。
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(shè)計數(shù)據(jù)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(shè)計高），生成一個施工測設(shè)放樣點文件，儲存起來，并隨時可以到現(xiàn)場放樣測設(shè)。同時軟件可以自動與地面線銜接進(jìn)行“戴帽”工作，并利用“斷面法”進(jìn)行土石方數(shù)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。
3、橋梁結(jié)構(gòu)放樣
對于在江河上修建的大跨經(jīng)橋梁，采用傳統(tǒng)光學(xué)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(shù)誤差。另外，天氣情況變化多端、觀測浮標(biāo)位置漂浮不定，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(biāo)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(wǎng)的精度要求。
四、實時動態(tài)（RTK）定位有快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種測量模式，兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS（地理信息系統(tǒng)）前端數(shù)據(jù)采集。
4.1快速靜態(tài)定位模式。要求GPS接收機(jī)在每一流動站上，靜止的進(jìn)行觀測。在觀測過程中，同時接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計要求，便可以結(jié)束實時觀測。一般應(yīng)用在控制測量中，如控制網(wǎng)加密；若采用常規(guī)測量方法（如全站儀測量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5-10min（隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時間還會縮短），不及靜態(tài)測量所需時間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點加密工作。
4.2動態(tài)定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進(jìn)行初始化工作，之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進(jìn)行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級。
動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量2～4S，精度就可以達(dá)到1～3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點。
五、推廣建議
5.1、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、高精度地完成公路平面控制測量。
5.2、生產(chǎn)過程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)流程可以極大地提高生產(chǎn)效率。
5.3、隨著GPS技術(shù)特點是RTK技術(shù)的發(fā)展，各個廠家相繼推出了具有自主專利技術(shù)的儀器，其初始化時間越來越短，跟蹤能力也越來越強(qiáng)，精度越來越高，可靠性越來越強(qiáng)，有著良好的性價比，在勘察設(shè)計單位具有代替全站儀的趨勢，單位設(shè)備更新時應(yīng)考慮這一因素。
5.4、GPS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用，是公路測量的一項革命性的技術(shù)革新，它將對傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。
六、結(jié)束語
GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalpositioningSys-tem）是美軍發(fā)展建設(shè)的具有全球性、多用途、全天候優(yōu)勢的導(dǎo)航定位、定時、測速系統(tǒng)。目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和軍事等眾多領(lǐng)域中，在我國公路工程測量中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，GPS在現(xiàn)代公路建設(shè)中必將發(fā)揮更大的作用。
