GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用
2012-10-12 來(lái)源：作者：周茂剛 來(lái)源：中國(guó)鳴網(wǎng)
全球定位系統(tǒng)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用，在最近幾年得到迅速的推廣和應(yīng)用，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球用戶全天候連續(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)。我們首先先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)其在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用做說(shuō)明。
一、GPS系統(tǒng)介紹
GPS，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美軍于20世紀(jì)70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。由于GPS技術(shù)所具有的全天後、高精度、和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
GPS系統(tǒng)組成是由GPS三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接受系統(tǒng)。
?。?）空間衛(wèi)星系統(tǒng)，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度，軌道和地球赤道的傾角為55度，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到4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。
（2）地面控制系統(tǒng)，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地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、大平洋和美國(guó)本土。
?。?）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。
二、GPS測(cè)量的特點(diǎn)
1、定位精度高
一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀稱精度為5mm+5ppm。GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增加，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出，大量的實(shí)驗(yàn)證明，在小于50KM的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10-6～10-7。
2、測(cè)站之間無(wú)須通視
測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的一大難題，尤其地形復(fù)雜的地區(qū)，對(duì)于測(cè)量技術(shù)人員來(lái)說(shuō)找取通視點(diǎn)尤為困難，GPS的出現(xiàn)，它的一大特點(diǎn)就是測(cè)站之間無(wú)須通視，使得選點(diǎn)更加靈活方便，但是測(cè)站點(diǎn)附近必須保證寬闊，這樣接收信號(hào)會(huì)比較好些。
3、操作簡(jiǎn)便
GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已經(jīng)趨于小型化和智能操作簡(jiǎn)單化，觀測(cè)人員無(wú)須很高技術(shù)水平，只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高，打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，而其他的觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)等均由一起自動(dòng)完成。
三、GPS技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用分析
近年來(lái)，交通和建筑系統(tǒng)等部門都引進(jìn)了GPS接收機(jī)，促進(jìn)了GPS技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，制定了《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》CJJ73-79和《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量技術(shù)規(guī)范》CH2001-92等標(biāo)準(zhǔn)。GPS技術(shù)在工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在公路、橋梁、隧道的等的測(cè)量及定位控制。
1、布設(shè)公路勘測(cè)控制網(wǎng)
目前，公路路線GPS網(wǎng)的施測(cè)方案基本有兩個(gè)：一是所有路線控制點(diǎn)全部采用GPS施測(cè)，即沿路線縱向每隔500m~1000m布設(shè)一個(gè)GPS點(diǎn)，相鄰GPS點(diǎn)間相互通視，二是沿路線縱向每隔5km~10km布設(shè)一對(duì)GPS點(diǎn)（一個(gè)做控制點(diǎn)，一個(gè)做方向點(diǎn)），作為路線的基本控測(cè)，在此基礎(chǔ)上，中間在進(jìn)行紅外測(cè)距導(dǎo)線加密。
2、公路的橫、縱斷面放樣和土石方數(shù)量計(jì)算
縱斷面放樣時(shí)，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如：各變坡點(diǎn)樁號(hào)、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑），生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，并儲(chǔ)存起來(lái)，隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。
橫斷面放樣時(shí)，先確定出橫斷面形式（填、挖、半填半挖），然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高），生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，儲(chǔ)存起來(lái)，并隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)。同時(shí)軟件可以自動(dòng)與地面線銜接進(jìn)行“戴帽”工作，并利用“斷面法”進(jìn)行土石方數(shù)量計(jì)算。通過(guò)繪圖軟件，可繪出沿線的縱斷面和各點(diǎn)的橫斷面圖。
3、橋梁結(jié)構(gòu)放樣
對(duì)于在江河上修建的大跨經(jīng)橋梁，采用傳統(tǒng)光學(xué)儀器和全站儀來(lái)定位是比較困難的，因?yàn)榻孢^(guò)寬、霧氣較大、易造成儀器讀數(shù)誤差。另外，天氣情況變化多端、觀測(cè)浮標(biāo)位置漂浮不定，影響定位精度。但GPS采用的是空間三點(diǎn)后方距離交會(huì)法原理來(lái)定位，不受江面外界情況干擾，點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求通視，大大提高了作業(yè)效率。它的平面坐標(biāo)定位精度在5mm±1ppm左右，基線長(zhǎng)度有幾米到幾十公里，符合橋梁控制網(wǎng)的精度要求。
四、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位有快速靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種測(cè)量模式，兩種定位模式相結(jié)合，在公路工程中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測(cè)、施工放樣、監(jiān)理和GIS（地理信息系統(tǒng)）前端數(shù)據(jù)采集。
4.1快速靜態(tài)定位模式。要求GPS接收機(jī)在每一流動(dòng)站上，靜止的進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過(guò)程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。一般應(yīng)用在控制測(cè)量中，如控制網(wǎng)加密；若采用常規(guī)測(cè)量方法（如全站儀測(cè)量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測(cè)量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5-10min（隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時(shí)間還會(huì)縮短），不及靜態(tài)測(cè)量所需時(shí)間的五分之一，在公路測(cè)量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測(cè)量等控制點(diǎn)加密工作。
4.2動(dòng)態(tài)定位測(cè)量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進(jìn)行初始化工作，之后流動(dòng)站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。
動(dòng)態(tài)定位模式在公路勘測(cè)階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測(cè)繪、中樁測(cè)量、橫斷面測(cè)量、縱斷面地面線測(cè)量等工作。測(cè)量2～4S，精度就可以達(dá)到1～3cm，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程不需通視，有著常規(guī)測(cè)量?jī)x器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
五、推廣建議
5.1、GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動(dòng)態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制測(cè)量。
5.2、生產(chǎn)過(guò)程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)流程可以極大地提高生產(chǎn)效率。
5.3、隨著GPS技術(shù)特點(diǎn)是RTK技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)廠家相繼推出了具有自主專利技術(shù)的儀器，其初始化時(shí)間越來(lái)越短，跟蹤能力也越來(lái)越強(qiáng)，精度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越強(qiáng)，有著良好的性價(jià)比，在勘察設(shè)計(jì)單位具有代替全站儀的趨勢(shì)，單位設(shè)備更新時(shí)應(yīng)考慮這一因素。
5.4、GPS技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用，是公路測(cè)量的一項(xiàng)革命性的技術(shù)革新，它將對(duì)傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。
六、結(jié)束語(yǔ)
GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalpositioningSys-tem）是美軍發(fā)展建設(shè)的具有全球性、多用途、全天候優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和軍事等眾多領(lǐng)域中，在我國(guó)公路工程測(cè)量中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，GPS在現(xiàn)代公路建設(shè)中必將發(fā)揮更大的作用。
