GPS测量技术在公路工程中的应用

摘要：在我国公路工程中，由于线路长、测量时间紧以及施工质量要求高等方面的原因，迫切需要一种更加精准、便捷、快速的测量技术，而gps测量技术以其显著的优势正逐渐取代传统的测量技术而成为公路测量界的“新宠”。本文首先对GPS技术进行了概述，分析了其组成和工作原理，接下来归纳了GPS测量技术显著的优势，最后详细介绍了静态GPS测量技术和动态GPS测量技术在公路工程中的应用。

关键词：GPS测量技术；定位；静态；动态RTK；公路

Abstract: the highway engineering in our country, the line length, measuring time tight and construction quality requirements higher reasons, the urgent need to a more accurate, convenient and fast measurement technology, and GPS measurement technology with its remarkable advantage is gradually replace the traditional measuring technique and become a highway measurement boundary "bestow favor on newly". In this paper, at first the GPS technology are reviewed, analyzed its composition and working principle, and then summarizes the GPS measurement technology advantage, and finally introduces in detail the static GPS measurement technology and dynamic GPS measurement technology in the application of highway engineering.

Keywords: GPS measurement technology; Positioning; Static; Dynamic RTK; highway

中图分类号：P215 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

一、GPS概述

GPS，即全球卫星定位系统，是20世纪70年代初发展起来的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。由于GPS技术所具有的全天後、高精度、和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设，国防建设和社会发展的各个应用领域。

GPS系统组成是由GPS三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接受系统。

（1）空间卫星系统，GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60度，轨道和地球赤道的倾角为55度，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收到4到11颗GPS卫星发送出的信号。

（2）地面控制系统，GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、大平洋和美国本土。

（3）GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。

二、GPS测量技术的优势

（一）定位精度高

一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪称精度为5mm+5ppm。GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增加，GPS测量优越性愈加突出，大量的实验证明，在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100km～500km的基线上可达10-6～10-7。

（二）测站之间无需通视

在使用传统的测量方法时，必须要求相连接的测站点之间通视良好，但GPS 却具有测站点间无需通视的特点，使得在测量时选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

（三）操作简便

GPS 测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。结束观测时，仅需关闭电源，收好接机，便完成了野外数据采集任务。

（四）提供三维坐标

GPS测量在精确测定观测站平面位置(二维坐标)的同时,可以精确测定观测站的大地高程。

（五）观测时间短

采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30min～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时问更短。例如使用Tirnble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

（六）全天候作业

GPS观测可在任何地点，任何时间连续进行，一般不受天气状况的影响。公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等。也有布设成三角网、线形锁等形式。

三、GPS测量技术在公路工程中的应用

（一）静态GPS测量技术的应用现状

在公路工程中首先引入GPS的是公路控制测量。公路控制测量是路线勘测设计的基础，随着高等级道路的兴建，对路线勘测提出了更高的要求，由于线路长且己知点少，因此用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求，而GPS高精度的特点正好可以满足这一要求。在公路控制测量中通常采用静态相对定位技术，也就是至少有两台GPS接收机同时观测，经处理后可以精确获得两点的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标。由于静态相对定位精度高，因此广泛应用于大地测量、形变监测等高精度测量领域。同样静态相对定位技术将在相当广泛的范围内逐步取代以往的常规测量方法，广泛应用于公路控制测量中,如用于建立路线精密控制网、桥隧精密控制网等。

（二）静态GPS控制测量技术的测量方法

1、实测流程

GPS控制测量工作与经典大地测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。其中:外业工作主要包括选点(即观测站址的选择)、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段:技术设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理，如下图。

GPS实测流程图

工作方法

采用两台(或两台以上)接收机，分别安置在一条(或数条)基线的端点，根据基线长度和要求的精度，按GPS测量系统外业的要求同步观测四颗以上的卫星数时段，时段长度根据测量等级确定。采取这种作业模式所观测的独立基线边，应构成闭合图形(如三角形、多边形)，以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性。

3、适用范围

建立国家大地控制网(二等或二等以下)；建立精密工程控制网,如桥梁测量、隧道测量等；建立各种加密控制网,如城市测量、工程点测量、道路测量、勘界测量等；观测中至少跟踪四颗卫星,同时基线边一般不要超过15km。所有已观测基线应组成一系列封闭图形，已利于外业检核，提高成果可靠度。

（三）动态GPS测量技术

以上讲的是GPS在控制测量中的应用，下面简要介绍如何利用动态GPSRTK 进行公路路线的中桩测量:

RTK 是指载波相位实时动态差分定位( Real－TimeKinematic)，它是GPS发展的最新形式。静态GPS测量采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度，但缺点是经过事后处理才知道结果。而RTK通过实时处理即能达到厘米级精度。

RTK 要求一台基准站和至少一台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时地把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站，流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。

RTK 具有下述优点: (1)直接以cm级精度实时测定中桩位置；(2)工作人员少；(3)工作效率高。

（四）实时动态GPS测量在公路建设中的应用GPS测量具有高精度、高效率的优点，在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS接收机性能和数据处理技术逐渐完善，GPS应用领域也不断拓宽。实时GPS测量在公路工程中可完成多种工作。1、绘制大比例尺地形图高等级公路选线多是在大比例尺（通常是1：2000或1：1000）带状地形图上进行，用传统方法测图，先要建立控制网，然后进行碎部测量，绘制大比例尺地形图。其工作量大速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量，构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图，由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，大大降低了测图的难度，既省时又省力。2、工程控制测量用GPS建立控制网，最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制。宜用静态测量。而一般工程的控制测量，则可采用实时GPS动态测量。利用这种方法在测量达到要求的点位精度，即可停止观测，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视，使得测量更简便易行。3、公路中线测设设计人员在大比例尺带状地图上定线后，需将公路在地面标定出来。采用实时GPS测量，只需将中线桩点的坐标输入GPS接收机中，系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。4、公路纵、横断面测量公路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。

结语

综上，GPS技术应用已在我国大地测量中、工程测量与变形监测等方面取得了良好的效果和成功经验。充分的证明了GPS的优越性和巨大潜力。随着我国城市建设规模日益扩大,今后公路建设工程项目会越来越多，在保证工程进度及精度要求下,如何将GPS技术在大型工程施工控制中灵活运用是一个值得探讨的课题。

参考文献

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[2]王瑞忠.如何利用GPS进行公路工程控制测量[J].公路交通科技，2011.4.

[3]刘娟.GPS及其在公路测量中的应用[J].西安交通科技，2006.3.