基于GPS的现代公路测量技术应用浅析

摘要GPS测量技术主要依靠卫星导航定位系统，具有测量精度高，速度快的特点，作为一类新形式测量技术，目前在全球各个行业得到了广泛应用和研究，在现代公路测量中得到了迅速推广。本文简单介绍了GPS测量技术的系统组成及工作原理，着重阐述了现代公路测量中GPS技术的具体应用，分析了GPS技术在现代公路测量中的应用前景，并针对今后的发展提出相应建议。

关键词 公路测量；应用；GPS；建议

Brief Analysis on Application of Highway Measurement Technology Based on GPS

CAI Shen-guang（Anhui Highway Engineering Construction Supervision Co., Ltd., Hefei, Anhui 230031）

AbstractGPS survey is based on the navigation and position system directed by satellite and is known to be of high precision and high speed. As a new form of measurement technology, it has already applied in all kinds of vocations and researched extensively at present, and rapidly introduced to the highway measurement. This paper gives a simple introduction of the system constituent and the principle of operation, especially expounds on the application of GPS in highway measurement technology, analyzes the application prospect of GPS in highway measurement technology, and the relative policy suggestions were proposed.

Key wordsHighway survey; Application; GPS; Suggestion

中图分类号P228.4 文献标识码A 文章编号

随着我国国民经济的快速增长，公路建设力度不断加大，公路建设工程逐渐增多，公路测量的方法和技术手段也在不断提高和完善。由于现代公路线路长、跨越范围广、且已知点少、沿线地形情况错综复杂，常规测量技术由于布网困难，且精度较低，受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，难以满足现代公路测量高精度、实时性、高效性、全天候、多功能和易操作等特点和要求。GPS（Global Positioning System）全球定位系统是美国研制并于1994年投入使用的卫星导航与定位系统，目前其应用技术已遍及国民经济的各个领域，具有全球性、全天候、连续性、实时性的特性以及精密三维导航与定位、定时功能，为使用者提供精密的三维坐标、速度和时间等数据。现代公路测量技术的进步主要依靠设备的引进、技术的改造以及测量人员水平的提高。当前，用GPS技术方法建立公路沿线总体控制测量，为勘测阶段测绘带状地形图、测量路线平面和纵面提供依据，为施工阶段桥梁、隧道建立施工控制网，因能实时提供经可靠性检验厘米级的精度测量成果，可显著提高作业效率，在公路工程上具有十分广阔的应用前景，可产生显著的经济和社会效益。

1GPS测量技术概述

1.1GPS测量技术的组成

GPS测量技术的组成包括空间部分、控制部分和用户部分。

空间部分主要用于发出导航定位信号，由24颗GPS工作卫星所组成，其中真正用于导航的有21颗，其余3颗是备用卫星，这些卫星均匀分布在六个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，同时以12恒星时为周期绕地球运行。

控制部分由分布在全球的五个地面跟踪站组成，根据功能的不同分为主控站、监控站和注入站三种。主控站负责将监控站的数据进行联合处理，并将这些数据编制成导航电文传送至注入站；监控站负责数据具体采集和计算机分析工作，并将处理后的数据存储和传送到主控站；注入站负责将最终的数据注入到卫星的存储系统，并监控注入信息的真实性和正确性。

用户部分由GPS接收机硬件、数据处理软件、微处理器及终端设备组成，主要负责接收GPS工作卫星发出的信号，并利用信号进行定位导航，从而实现应用GPS的目的。

1.2GPS测量技术的工作原理

根据定位方式的不同，GPS可分为绝对定位和相对定位两种。绝对定位是通过海拔、精度和纬度来定位测量点的三维坐标，从而确定定位结果。相对定位是基于地心固定点坐标的两个测点之间的基线向量确定测量结果。根据空间几何理论，如果此时GPS测定站点与三颗卫星之间的距离可以确认，同时三颗卫星的位置是已知的，则可以通过特定的方法计算出该点的具置。相对定位的核心思想就是分别在不同观测点安置至少两台GPS和四颗及以上的同步观测卫星，根据求差法原理，消除信号传播时延和接收钟差，计算出站点之间的基线向量。

GPS定位的基本工作原理是将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，根据空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间Δt，再加上接收机接收到的其他数据可确定以下四个方程式：

式中：di=sΔti（i= a、b、c、d）分别为卫星a、卫星b、卫星c、卫星d到接收机之间的距离；Δti（i= a、b、c、d）分别为卫星a、卫星b、卫星c、卫星d的信号到达接收机所需要的时间；s为GPS信号的传播速度；x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标；xi、yi、zi（i= a、b、c、d）分别为卫星a、卫星b、卫星c、卫星d在t时刻的空间直角坐标；Vti（i= a、b、c、d）分别为卫星a、卫星b、卫星c、卫星d的卫星钟的钟差；Vt0为接收机的钟差。由以上四个方程可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。

2GPS技术在公路测量的应用

2.1GPS控制测量

GPS控制测量工作在现代公路上的应用，按其性质可分为外业和内业两部分。外业工作主要包括选点（观测站址的选择）、观测标志的建立、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。按照GPS测量实施的工作程序，可分为：技术设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。GPS控制测量的工作程序见图1。

2.2GPS静态测量技术

接到外业测量任务以后，组织人员需对路线走向进行一个初步勘察，了解沿线GPS点的具置和情况，并调查路线的附近是否有高等级GPS点来进行联测继而进行复测的工作。

根据待测公路的等级、沿线的地理环境、地形地貌与作业时的卫星接收情况，综合考虑优化的设计方案，进行GPS的控制网布设，沿线每隔5-10 km布设一个相对通视GPS的点。GPS在选点时以选线和控制人员作为主要的依据，需选择利于工作和以后的应用点位，需按规范要求埋选标石，现场做好相关的点记工作。外业观测的时候需规定观测时间和有效观测卫星数，GPS点的观测时间、有效观测卫星总数应满足规范的相应等级上的要求。