GPS在公路工程控制测量中的应用探析

摘 要：GPS 全球定位系统是美国研制并在 1994 年投入使用的卫星导航与定位系统， 其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域， GPS 系统已广泛用于大地测量、 工程测量、 航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文概略叙述 GPS 系统在公路工程控制测量中的应用。

关键词：GPS；公路；工程；控制；测量

GPS 全球定位系统在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广， 这主要依靠于 GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、 三维速度和时间信息等技术参数。

一、GPS 系统的组成

GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。

1.1 空间卫星群

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4到11颗GPS卫星发送出的信号。

1.2 GPS 的地面控制系统

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、太平洋和美国本土。

1.3 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。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的 GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。

二、GPS 的工作原理

GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机，在某一时刻同时接收了3 颗（A、B、C） 以上的 GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻 GPS 接收机至 GPS 卫星的距离SAP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置 （三维坐标）。从而用距离交会的方法求得 P 点的维坐标，在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换， 来求出所使用的坐标系统的坐标。 这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

三、GPS 测量的技术特点

3.1测站之间无需通视

测站间相通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。

3.2 测量精度高

GPS观测的精度明 显高于一般常规测量，在小于50 km 的基线上，其相对定位精度可达1×10-6，而在大于1000 k m的基线上可达1×10-8。

3.3 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30 mi n～40min 左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。

3.4 提供三维坐标

GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

3.5 操作方便

GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作机械化，观测人员只需将天线对中、正平，量取天线高度，打开电源即可进行自动观测，利用数据处 理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。

3.6 全天候作业

GPS观测可在任何地点、任何时间连续地进行，一般不受天气状况影响。

四、GPS 系统在公路工程实际测量工作中的应用

公路工程的测量主要应用了GPS 的两大功能：静态功能和动态功能静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上控制测量中推广使用了静态功能这一技术，经过多次的复测验证，GPS 技术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度

要求。

4.1 高速连接线控制测量

1）建立布网方案高速连接线地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，该测区内原有BJ54 坐标系的 E级控制点二个（已知起算点），根据工程需要在附近沿线加密控制点，以便于测设。2）大地测量法主要采用大地测量仪器如经纬仪全站仪测距仪等国道连接线控制网采用测边网，高程采用测距三角高程，按照观测技术要求进行施测。3）GPS静态测量法。GPS 静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台天宝4800GPS 接收机安置在待定点（a2，c1，c2，c3）上同时接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。4） 大地测量法与GPS 测量法结果比较由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于±10mm ，因此可以满足高速连接线加密施工控制网的精度要求。

4.2 GPS的动态测量（RTK）在新建工程的应用

对周围地势起伏较大的新建道路工程，规范对附合导线长闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度和结点导线结点间距等指标都有严格规定，这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。通常用全站仪和测距仪通过导线形式对此种路段进行控制测量。

五、结语

可以看出GPS 在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区局部重点工程地区等。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。RTK 能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线桥隧勘察它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS 测量应用的重要领域。

参考文献

[1] 徐贵南.GPS在公路工程控制测量中的应用[J].铁道勘测与设计，2010.1

[2] 徐文财，吴清华.GPS在公路工程控制测量中的应用[J].黑龙江科技信息，1996.3

[3] 张相群.GPS在公路工程控制测量中的应用[J].智能交通，2009.8