淺談GPS技術(shù)在公路施工中的應(yīng)用及存在問題

袁皓琛

【摘 要】本文介紹了在二級公路施工控制網(wǎng)及工程施工現(xiàn)場如何應(yīng)用GPS測量技術(shù)，筆者還結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，簡單總結(jié)了GPS測量技術(shù)在實際工程施工應(yīng)用中存在的問題以及應(yīng)注意的事項。

【關(guān)鍵詞】GPS測量技術(shù)；工程施工；應(yīng)用

1 GPS系統(tǒng)簡介

1.1 GPS系統(tǒng)概況

GPS系統(tǒng)的全稱是衛(wèi)星測時導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System），它是美國國防部于1973年12月批準(zhǔn)研制的以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由三大部分組成——空間GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設(shè)備GPS接收機。該系統(tǒng)具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實時性的導(dǎo)航、定位和定時的功能，它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供三維坐標(biāo)、速度及時間信息。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）與美國的GPS相似，該系統(tǒng)也開設(shè)民用窗口。GLONASS技術(shù)，可為全球海陸空以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。GLONASS在定位、測速及定時精度上則優(yōu)于施加選擇可用性（SA）之后的GPS。

筆者所在項目部購入并使用的是美國拓普康公司最新研制的TOPCOM Hipver V GPS系統(tǒng)，由一個基站和兩個流動站及手簿組成，該套系統(tǒng)除了能夠接收美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的信號外，還能夠接收俄羅斯格洛納斯GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)所發(fā)射的信號進行定位，進一步提高了觀測的精度。

1）定位精度高。實踐證明，用載波相位觀測量進行靜態(tài)相對定位在小于50km的基線上可達1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（1h以上觀測）；實時動態(tài)定位（RTK）可達厘米級的精度。

2）觀測時間短。目前，20km以內(nèi)靜態(tài)相對定位的時間僅需45-60min，快速靜態(tài)定位只需2min左右，實時動態(tài)定位每站觀測1～2s就可完成。測站間無需通視。這是GPS技術(shù)區(qū)別于常規(guī)測量的最大優(yōu)點，尤其是布設(shè)導(dǎo)線點，可省去大量的傳算點、過渡點的測量，大大減少測量作業(yè)時間和費用，同時也使選點布網(wǎng)變得非常靈活。

3）操作簡便。GPS接收機自動化程度非常高，進行工程測量時，測量員安置儀器的工作簡化為安置儀器、連接線纜（一體化機則不需要）、量取天線高、開關(guān)機及監(jiān)視儀器工作狀態(tài)，假設(shè)基站時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全站儀架站時間，并且無需額外觀測后視，提高了有效測量工作時間，在信號能夠接收的范圍內(nèi)無需像全站儀一樣進行轉(zhuǎn)站。

4）全球全天候測量。目前GPS及GLONASS衛(wèi)星數(shù)已達30顆以上，正常情況下隨時都可以進行測量定位。除雷電、臺風(fēng)、強電磁干擾情況下不宜觀測外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不影響，這一點也是使用全站儀進行測量放樣工作所無法比擬的。

2 GPS技術(shù)在公路工程施工中的實際應(yīng)用

GPS定位的基本原理是根據(jù)幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛(wèi)星及其與地面點間距離來交會出地面點位置，從測量的角度來說，它與測距后方交會法相似。為了減少衛(wèi)星本身及信號傳播過程產(chǎn)生的各種誤差，人們經(jīng)過多年研究和實踐，總結(jié)出多種不同用途、不同精度的定位技術(shù)和方法，在現(xiàn)階段工程施工中應(yīng)用較多的主要是經(jīng)典靜態(tài)相對定位（載波相位靜態(tài)相對定位）和實時動態(tài)相對定位（RTK）兩種。筆者所在公路項目，在日常的測量放樣工作中更多的使用實時動態(tài)定位技術(shù)（即RTK測量）進行路基、橋涵的放樣工作。而經(jīng)典靜態(tài)相對定位則應(yīng)用于本項目年初（2014年）進行導(dǎo)線復(fù)測工作，下面即對這兩種不同的相對定位在工程實際應(yīng)用的介紹。

2.1 經(jīng)典靜態(tài)相對定位（靜態(tài)模式）

筆者所在張恭項目部在購入TOPCOM GPS系統(tǒng)時即已考慮到導(dǎo)線測量的需要，購入的機型即為“1+2”形式（一基站兩流動站），已滿足GPS測量對導(dǎo)線測量的最低構(gòu)建三角形基線的需要，故在2014年2月21日進場后即使用GPS系統(tǒng)對張恭二級公路進行了復(fù)測。僅用了四天即完成了全線24.465Km的導(dǎo)線復(fù)測工作，極大的提高了工作效率并節(jié)省了人力物力，現(xiàn)簡要介紹一下具體工作。

2.1.1 GPS導(dǎo)線測量的流程

1）GPS控制網(wǎng)復(fù)測前，筆者所在測量組首先進行了現(xiàn)場勘查，檢查標(biāo)石的完好性，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，本標(biāo)段范圍內(nèi)現(xiàn)存GPS控制點8個；GPS控制網(wǎng)復(fù)測的作業(yè)方法、精度指標(biāo)、使用儀器均按《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)程》中E級GPS網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)進行；

2）導(dǎo)線復(fù)測組員共六人并配備一臺車輛，兩人一組，每組使用一臺GPS；

3）復(fù)測時將各機架設(shè)在GPS點上，采用同步靜態(tài)觀測模式，以GPS對點作為聯(lián)結(jié)邊，采用邊聯(lián)式構(gòu)網(wǎng)，GPS形成大地三角形組成的帶狀網(wǎng)；

4）三臺儀器同步（開機時間應(yīng)精確至分鐘）開機觀測一小時后關(guān)機，位于小里程的一組測量員將儀器轉(zhuǎn)至下一個未測GPS點上整平對中，與前一個觀測時段結(jié)束后未移動的剩余兩臺GPS新構(gòu)建三角網(wǎng)后同步開機進行測量，該過程循環(huán)進行并每次均保證下一個測量時段時三臺GPS中有兩臺GPS位于上個測量時段觀測的兩個GPS點上，一臺位于新測量的GPS點上；

5）觀測過程中按規(guī)定填寫觀測手簿，對觀測點點名、儀器高、儀器號、時間、日期、以及觀測者姓名均詳細(xì)記錄，待數(shù)據(jù)處理時使用。

2.1.2 GPS導(dǎo)線測量的數(shù)據(jù)處理

使用GPS靜態(tài)模式進行導(dǎo)線復(fù)測數(shù)據(jù)記錄后，即轉(zhuǎn)入測量數(shù)據(jù)后處理階段，此時使用topcom Pinnacle數(shù)據(jù)處理商用軟件對靜態(tài)測量數(shù)據(jù)按靜態(tài)相對定位模式進行雙差固定解求解，并使用該軟件基于GPS84坐標(biāo)系進行無約束平差。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理后，本次GPS導(dǎo)線測量最弱環(huán)相對中誤差為1/215248，平差后最弱點的點位中誤差為3.3mm，本次GPS復(fù)測網(wǎng)的精度達到E級GPSGPS網(wǎng)精度，復(fù)測平面點位精度滿足《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)程》、《公路GPS測量規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定要求。

2.1.3 GPS導(dǎo)線測量的優(yōu)勢及存在問題

經(jīng)過筆者實踐使用，GPS測量在導(dǎo)線測量中相比全站儀測量導(dǎo)線，具有使用操作簡便、工作效率高、人為操作誤差降低、大大縮短全站儀導(dǎo)線測量時間等優(yōu)點，就不一一贅述。但是同時，GPS進行導(dǎo)線測量也有短板不足之處，例如受天氣影響，若大氣中電磁干擾較強，儀器接收到的衛(wèi)星數(shù)不能滿足最低星數(shù)的需要，則不能進行正常工作；受地形限制，在山大溝深，樹林茂密的環(huán)境下，也對儀器接收衛(wèi)星信號存在較大干擾；其次，在電塔或移動電話網(wǎng)絡(luò)基站附近，也對儀器接收衛(wèi)星信號存在較大干擾；同時，隧道內(nèi)GPS受環(huán)境影響，不能在洞內(nèi)進行導(dǎo)線測設(shè)，但是可在隧道洞口布設(shè)GPS導(dǎo)線控制點。以上幾點是筆者在日常使用中所發(fā)現(xiàn)的問題。

2.2 實時動態(tài)相對定位（RTK模式）

2.2.1 RTK技術(shù)簡介

1）RTK技術(shù)是載波相位差分技術(shù)，主要以GPS載波相位測量與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合并對載波相位測量進行實施差分處理的測量技術(shù)；

2）RTK系統(tǒng)的組成。RTK系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站GPS接收機、移動站GPS、GPS配套的電臺或移動通訊數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及鏈接并處理數(shù)據(jù)鏈的PC手簿組成；

3）RTK技術(shù)的基本原理。RTK技術(shù)的原理是安置一臺接收機基站接收衛(wèi)星信號，流動站接收到基站發(fā)出的觀測數(shù)據(jù)后，在系統(tǒng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，得出測量結(jié)果后顯示在PC機手簿上。筆者在日常的實地測量放樣中發(fā)現(xiàn)測量精度可達0.1cm。

2.2.2 RTK技術(shù)在公路工程的實際應(yīng)用和優(yōu)點以及存在問題

1）GPS RTK的實際應(yīng)用。筆者在所在項目實地進行測量放樣工作中，使用最多的就是RTK模式，在取得直線、曲線及轉(zhuǎn)交表后，根據(jù)道路曲線要素，可以很方便的在GPS的pc機手簿內(nèi)輸入曲線要素，GPS手簿實時顯示測點坐標(biāo)、偏差及精度，GPS RTK模式下定位速度快，可快速、便捷的放樣出道路平面中、邊樁，結(jié)合GPS RTK實時測量高程數(shù)據(jù)可便捷的放樣填方坡腳、挖方開挖線。同時在對橋涵構(gòu)造物進行放樣前，結(jié)合CAD繪圖軟件和道路之星、道路測設(shè)大師等輔助軟件，可以在電腦中對需要放樣的橋涵構(gòu)造物進行繪圖，然后將構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)尺寸控制點坐標(biāo)輸入GPS的pc機手簿中，然后進行現(xiàn)場放樣，同時能夠通過手簿中軟件對放樣后的構(gòu)造物尺寸進行校核計算。

2）GPS RTK模式的優(yōu)勢。GPS RTK模式在公路工程實際測量放樣中，對復(fù)雜地形和低等級公路有很好的適應(yīng)性，其中GPS RTK模式下對地形要求不高的特點，在筆者所在公路工程項目得到很好的體現(xiàn)。

張家川至恭門二級公路K11-K13公里，處于山大溝深，地形復(fù)雜的地理環(huán)境下，同時道路主線曲線半徑較小，彎道較多，壩式路基填方高度高，深挖路基最大高度達到49m，種種因素導(dǎo)致在2013年使用全站儀進行現(xiàn)場測量放樣工作中，工作效率低下，錯誤率高，有效測量放樣時間短，大量的時間浪費在全站儀轉(zhuǎn)站架站工作上，大大影響了工程施工的正常開展；2014年在K11-K13公里處使用GPS進行測量放樣后，僅需在導(dǎo)線點上架設(shè)GPS基站一次后，兩組測量員（每組1至2人）即可使用兩臺流動站和對應(yīng)手簿，在GPS電臺有效范圍內(nèi)，可方便快捷的進行施工測量放樣工作，中途無需再次轉(zhuǎn)站或更換基站位置。相比全站儀，大大提高了測量放樣的有效工作時間，也減少了放樣誤差，提高了準(zhǔn)確率，對工程施工進度也帶來了正面的影響。

3）GPS RTK模式與全站儀、水準(zhǔn)儀的對比。在放樣精度方面，筆者通過實地測量放樣并結(jié)合全站儀、水準(zhǔn)儀對GPS RTK放樣點進行了校核，復(fù)核后發(fā)現(xiàn)道路平面放樣GPS誤差≤1cm，道路高程GPS誤差≤2cm，高程誤差主要由對中桿桿尖造成，在堅硬地面上與水準(zhǔn)儀測量數(shù)據(jù)復(fù)核后誤差≤0.5cm。GPS測量放樣精度基本優(yōu)于全站儀和水準(zhǔn)儀。平面放樣中，GPS RTK測量放樣很好的避免了因溫度、棱鏡常數(shù)、人眼后視對中觀測的誤差等實用全站儀測量時容易發(fā)生的誤差錯誤。而在高程測量中，也避免了水準(zhǔn)儀在讀取塔尺讀數(shù)時因塔尺傾斜造成的累計誤差。

4）GPS RTK模式的不足之處。但是GPS RTK雖然優(yōu)點很多，但是仍有一些問題是現(xiàn)階段現(xiàn)場施工測量放樣工作中無法避免的，譬如受電磁干擾較大，無法在高壓線或移動電話通訊基站附近進行工作，信號強度受天線方向制約等。

3 結(jié)論

筆者通過實地測量放樣工作發(fā)現(xiàn)，GPS技術(shù)不論是在控制測量還是施工放樣中，都能大大提高測量的可靠性和作業(yè)效率，降低作業(yè)強度，適應(yīng)現(xiàn)代工程施工“快節(jié)奏”的要求，也使測量員從以前簡單機械的架設(shè)儀器的工作中解放出來，將更多精力投入對。但是，GPS測量有別于常規(guī)測量，本文作者也受學(xué)術(shù)水平和工作經(jīng)驗的制約，在平時的工作中對使用GPS測量仍然有很多不足和需要加深學(xué)習(xí)之處，還需要在工程實踐中認(rèn)真去摸索和總結(jié)。

【參考文獻】

[1]徐紹銓，張華海，等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社.

[2]魏二虎，黃勁松.GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理[M].武漢大學(xué)出版社.

[3]GB/T18314-2001全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范[S].

[4]JTJ/T 066-98公路全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范[S].

[責(zé)任編輯：田吉捷]