ＧＰＳ在道路勘測(cè)中的應(yīng)用探討

師繁偉

摘要：GPS是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的最具有開(kāi)創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，依賴其優(yōu)勢(shì)必然會(huì)在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于公路測(cè)量的各個(gè)方面，給這一領(lǐng)域傳統(tǒng)的野外測(cè)量作業(yè)帶來(lái)了巨大的沖擊，針對(duì)實(shí)際工作狀況，學(xué)習(xí)和使用這一先進(jìn)技術(shù)將會(huì)帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，也將顯著提高野外測(cè)量技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：GPS；靜態(tài)測(cè)量模式；動(dòng)態(tài)測(cè)量模式；道路測(cè)量領(lǐng)域

引言

GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用，在最近的兩年得到了迅速推廣，這主

要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息等技術(shù)參數(shù)。我們先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，工作原理以及在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，以更好的為公路建設(shè)服務(wù)。

1 GPS系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測(cè)量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。空間衛(wèi)星群GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬(wàn)公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)還對(duì)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(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。

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(jì)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(hào)，利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等。在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。

2 GPS系統(tǒng)的工作原理

一般GPS測(cè)量模式可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N模式，而靜態(tài)測(cè)量模式又分常規(guī)靜態(tài)和快速靜態(tài)，動(dòng)態(tài)測(cè)量模式又分準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式又可分DGPS和RTK方式。分別介紹如下：

常規(guī)靜態(tài)測(cè)量。主要用于建立大地控制網(wǎng)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、長(zhǎng)距離檢校基線及精密工程控制網(wǎng)等。快速靜態(tài)測(cè)量。主要用于控制網(wǎng)的建立及加密、工程測(cè)量、地籍測(cè)量等。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。此方法需進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量：DGPS和RTK。基本原理是在一個(gè)已知測(cè)站上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)和數(shù)據(jù)鏈，連續(xù)跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)。移動(dòng)接收站通過(guò)移動(dòng)接收基準(zhǔn)站發(fā)射來(lái)的數(shù)據(jù)，并在機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)時(shí)得到移動(dòng)站的三維坐標(biāo)。DGPS通常稱實(shí)時(shí)差分測(cè)量，精度為亞米級(jí)到米級(jí)，這種方式是將基準(zhǔn)站上測(cè)量得到的RTCM數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)揭苿?dòng)站，移動(dòng)站接收到RTCM數(shù)據(jù)后，自動(dòng)進(jìn)行解算，得到經(jīng)差分改正以后的坐標(biāo)。RTK是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量，是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。其工作原理是基準(zhǔn)站將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)站(不是發(fā)送RTCM數(shù)據(jù)),移動(dòng)站接收機(jī)再采用更先進(jìn)的在機(jī)處理方法進(jìn)行處理,從而得到精度比DGPS高得多的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。

GPS靜態(tài)與快速靜態(tài)測(cè)量已廣泛應(yīng)用于城市或工程控制網(wǎng)，與傳統(tǒng)導(dǎo)線網(wǎng)、三角網(wǎng)相比具有全天侯、高精度、高效益等諸多優(yōu)點(diǎn)。但GPS靜態(tài)定位也有其不足,外業(yè)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，成果不能及時(shí)獲取，精度不能及時(shí)反映，因此難免造成外業(yè)返工現(xiàn)象。而RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量克服了上述缺點(diǎn)，使控制測(cè)量更高效、更靈活。

3 GPS在道路測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 GPS用于公路路線平面控制測(cè)量

公路平面控制測(cè)量基本采用導(dǎo)線形式，這包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、導(dǎo)線網(wǎng)形式，對(duì)于重要構(gòu)造物如隧道、大橋、特大橋等，也有布設(shè)成三角網(wǎng)等形式。隨著高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長(zhǎng)，已知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)測(cè)量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國(guó)內(nèi)已逐步采用靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。靜態(tài)測(cè)量是用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)同步觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行處理，可得到兩測(cè)站間精密的基線向量，再經(jīng)過(guò)平差、坐標(biāo)傳遞、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工作，最終得到測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，靜態(tài)測(cè)量采用相位差分可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)的精度。目前，國(guó)內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。

3.2 GPS用于繪制大比例地形圖測(cè)量

高等級(jí)公路選線多是在大比例尺、帶狀地形圖上進(jìn)行，用傳統(tǒng)方法測(cè)圖，先要建立控制網(wǎng)，然后進(jìn)行局部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。其工作量大，速度慢，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，得到構(gòu)成局部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可由繪圖軟件成圖，由于只需要采集局部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，大大降低了測(cè)圖的難度，既省時(shí)又省力。

3.3 GPS用于橋梁控制網(wǎng)的建立

隧道、橋梁控制網(wǎng)作為整個(gè)大橋建設(shè)的基礎(chǔ)必須保證高精度和高可靠度，這種控制網(wǎng)的特點(diǎn)是網(wǎng)點(diǎn)間邊長(zhǎng)較短，點(diǎn)位精度要求卻甚高。過(guò)去一般采用常規(guī)的邊角網(wǎng)，為了達(dá)到高精度與高可靠度，一是要考慮網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，另外就是要花相當(dāng)?shù)墓ぷ髁窟M(jìn)行網(wǎng)的觀測(cè)，特別隨著橋梁的跨徑越來(lái)越大，常規(guī)測(cè)量?jī)x器在測(cè)程上也逐漸不能勝任。近年來(lái)，在越來(lái)越多的大橋、特大橋的興建中，相繼應(yīng)用GPS靜態(tài)定位技術(shù)來(lái)建立橋梁控制網(wǎng)，取得了越來(lái)越顯著的成績(jī)，保證了點(diǎn)位的高精度和高可靠度。

3.4 GPS用于公路中線測(cè)設(shè)

設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來(lái)。采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量，通過(guò)專用的軟件，將路線數(shù)據(jù)輸人Stepbyst手簿中，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)需要計(jì)算出任意點(diǎn)的點(diǎn)位，可以對(duì)任意樁號(hào)的中樁及邊樁進(jìn)行放樣，由于每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)量都是獨(dú)立的完成的，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。可以實(shí)時(shí)得到中線上任意點(diǎn)的樁號(hào)，方便的對(duì)公路中線測(cè)量進(jìn)行必要的加樁。

3.5 GPS用于公路縱、橫斷面測(cè)量

采用RTK技術(shù)，可以在進(jìn)行中樁放樣的同時(shí)，直接測(cè)量出中樁高程，完成公路縱斷面測(cè)量；可以同時(shí)進(jìn)行橫斷面的測(cè)量，可以直觀方便的得到任意樁號(hào)橫斷數(shù)據(jù)。

4 展望

全球定位系統(tǒng)GPS是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的最具有開(kāi)創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速優(yōu)勢(shì)必然會(huì)在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于公路測(cè)量的各個(gè)方面，給這一領(lǐng)域傳統(tǒng)的野外測(cè)量作業(yè)帶來(lái)了巨大的沖擊，針對(duì)實(shí)際工作狀況，學(xué)習(xí)和使用這一先進(jìn)技術(shù)將會(huì)帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，也將顯著提高野外測(cè)量技術(shù)水平。

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