全球卫星定位系统(GPS)在公路测量中的应用

摘要：本文根据作者多年工作经验对全球卫星定位系统（gps）在公路测量中的应用进行了简单的阐述。

关键词：全球卫星定位系统（GPS）；公路测量；应用

Abstract: Based on the author's many years of working experience on the global positioning system (GPS) application in Highway Surveying of a simple statement.

Keywords: Global Positioning System (GPS); highway measurement; application

中图分类号：P25文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、GPS测量的作用

1、无需通视

采用GPS技术测设方格网,比常规方法适应性更强,网形构造简单,点的疏密和边的长短可灵活选取,即使离已知控制点较远也可以连接, 并进行控制网的定位和定向。另外,它解决了点位之间无法通视的困难,选点灵活,不需要高标同时还可以保证外业施测不受天气影响。测设大型方格网和通视条件特别困难时, 尤其能够显示其优越性。

2、定位精度高

定位精度上,GPS测量精度与红外仪差不多,不过距离较远时,GPS测量优越性就得到了充分的显现。GPS方格网点位、精度高, 能够有效符合道路工程施工规范的要求,精度储备很高。同时作为方格网测量精度指标, 与相对中误差相比采用点位中误差来表示精度指标更为合理、可行。

3、测量效率高

采用GPS布设控制网,每个测站上的观测时间一般在30min～40min左右,观测时间短。布设道路工程控制网,图形强度系数高提高了点位趋近速度, 促进了道路网形优化。另外,采用GPS-RTK测设建筑方格网,一个参考站可有多台流动站作业, 单人可以完成整个作业,有效降低了劳动强度,提高了工程效率。

二、GPS 测量的基本特征

美国从20世纪70年代开始研究全球定位系统GPS,最终全面建成于1994年,GPS具有高精度、全天候、多功能、高效益、操作简便、自动化等显著优点,能海陆空进行全方位实时定位与三维导航, 被广泛运用于大地测量和工程测量。

1、GPS 测量组建的构成

GPS测量系统由空间卫星星座、地面监控站和用户设备几个部分组成。GPS空间卫星星座具有工作卫星21 颗, 轨备用卫星3颗,如果高度角超过15°,那么在地球的任一地点、任一时刻,平均有6 颗卫星可以同时被观测到,多的可达到9颗;GPS地面监控站组成部分是分布在全球的主控站一个、注入站三个,还有五个检测站;GPS用户设备主要由三个部件构成:GPS接收机、数据处理软件及其终端设备。

2、GPS 构成各部分的运行原理

卫星用L 波段的两个无线电载波向用户设备不间断地发射含有卫星的位置信息的导航定位信号, 卫星因此成为了一个动态的已知点。

地面监测站, 首先主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的钟差参数、轨道参数等,接着编制导航电文并传送到注入站, 最后再通过注入站将收到的导航电文数送到相应卫星的存储器中。

按一定卫星高度截止角,GPS接收机可捕获到所选择的待测卫星的信号, 有效地跟踪卫星的运行,实现对信号进行交换、放大以及处理, 再借助软件, 利用基线解算、网平差等方法, 求出测站点的三维坐标。

3、GPS 技术发展现状

全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS 应用的两个方面； 对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式。

相对测地定位是利用L1 和L2 载波相位观测值实现高精度测量，其原理是采用载波相位测量局域差分法： 在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度；求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK 等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK 测量以其快速实时，厘米级精度等特点广泛应用于数据采集(如碎部测量)与工程放样中。RTK 技术代表着GPS 相对测地定位应用的主流。

GPS 测地型接收设备是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，双频机能以L2 观测值修正电离层折射影响，最适宜于中、长基线(大于20km)测量，具有快速静态测量的功能，可升级为RTK功能；单频机适宜于小于20km 的短基线测量，对于一般工程测量具有良好的性能价格比。RTK 系统由GPS 接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备组成，整套设备在轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点，完全可以满足数据采集和工程放样的要求。鉴于GPS 系统在轨卫星数有限，在对空通视受遮挡的条件下，不能保证正常解算，影响定位的精度和可靠性。实践表明，单频GPS系统由于多环境的制约，存在着很大的局限性。随着俄罗斯的全球导航卫星系统(CLONASS)的不断完善，利用GLONASS 来改善GPS 性能的双星座系统(GLONASS+GPS)已由美国Ashtech 公司研制成功，这种全天候、全地域、高精度的系统为用户提供了更为完善的接收设备，双星座系统的接收设备GPS 接收设备的新水平。

三、GPS 在公路测量中的具体应用

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发完成多种工作。

1、绘制大比例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，绘制成大比例尺地形图。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。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度。当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形图上定线后，需将公路中线在地面标定出来。采用实时GPS测量，只需将中线柱点的坐标输入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，即可给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。

5、施工测量，实时GPS系统既有良好的硬件，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。

6、变形观测，变形监测网具有毫米级的精度，比一般工程控制网高一个数量级。实践表明，如果用较长的观测时间，分几个时段进行观测，并采用强制对中，观测时天线指北等措施，长度不超过4km的基线向量可达到2mm-3mm的精度。随着研究深化，GPS广泛用于变形观测是完全有可能的。

参考文献

[1] 戴河良, 曹建洋. GPS系统实时动态定位技术在公路测量中的应用[J]. 科技咨询导报, 2007,(08)

[2] 李元波, 王新成. 浅谈GPS技术在公路外业测量中的应用[J]. 商业文化(学术版), 2008,(08)