GPS技术在公路工程测量中的应用
2012-10-12 来源：作者：周茂刚 来源：中国鸣网
全球定位系统在公路工程测量中的应用，在最近几年得到迅速的推广和应用，这主要依赖于GPS系统可以向全球用户全天候连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们首先先了解一下GPS系统的组成，在测量领域的应用特点，进而对其在公路工程测量中的应用做说明。
一、GPS系统介绍
GPS，即全球卫星定位系统，是美军于20世纪70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。由于GPS技术所具有的全天後、高精度、和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设，国防建设和社会发展的各个应用领域。
GPS系统组成是由GPS三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接受系统。
（1）空间卫星系统，GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60度，轨道和地球赤道的倾角为55度，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收到4到11颗GPS卫星发送出的信号。
（2）地面控制系统，GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、大平洋和美国本土。
（3）GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
二、GPS测量的特点
1、定位精度高
一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪称精度为5mm+5ppm。GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增加，GPS测量优越性愈加突出，大量的实验证明，在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100km～500km的基线上可达10-6～10-7。
2、测站之间无须通视
测站间相互通视一直是测量学的一大难题，尤其地形复杂的地区，对于测量技术人员来说找取通视点尤为困难，GPS的出现，它的一大特点就是测站之间无须通视，使得选点更加灵活方便，但是测站点附近必须保证宽阔，这样接收信号会比较好些。
3、操作简便
GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已经趋于小型化和智能操作简单化，观测人员无须很高技术水平，只需将天线对中、整平，量取天线高，打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点的三维坐标，而其他的观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由一起自动完成。
三、GPS技术在工程施工领域的应用分析
近年来，交通和建筑系统等部门都引进了GPS接收机，促进了GPS技术在我国的发展，制定了《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-79和《全球定位系统（GPS）测量技术规范》CH2001-92等标准。GPS技术在工程施工领域的应用主要表现在公路、桥梁、隧道的等的测量及定位控制。
1、布设公路勘测控制网
目前，公路路线GPS网的施测方案基本有两个：一是所有路线控制点全部采用GPS施测，即沿路线纵向每隔500m~1000m布设一个GPS点，相邻GPS点间相互通视，二是沿路线纵向每隔5km~10km布设一对GPS点（一个做控制点，一个做方向点），作为路线的基本控测，在此基础上，中间在进行红外测距导线加密。
2、公路的横、纵断面放样和土石方数量计算
纵断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中（如：各变坡点桩号、直线正负坡度值、竖曲线半径），生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。
横断面放样时，先确定出横断面形式（填、挖、半填半挖），然后把横断面设计数据输入到电子手簿中（如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高），生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以自动与地面线衔接进行“戴帽”工作，并利用“断面法”进行土石方数量计算。通过绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。
3、桥梁结构放样
对于在江河上修建的大跨经桥梁，采用传统光学仪器和全站仪来定位是比较困难的，因为江面过宽、雾气较大、易造成仪器读数误差。另外，天气情况变化多端、观测浮标位置漂浮不定，影响定位精度。但GPS采用的是空间三点后方距离交会法原理来定位，不受江面外界情况干扰，点与点之间不要求通视，大大提高了作业效率。它的平面坐标定位精度在5mm±1ppm左右，基线长度有几米到几十公里，符合桥梁控制网的精度要求。
四、实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集。
4.1快速静态定位模式。要求GPS接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量），受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5-10min（随着技术的不断发展，定位时间还会缩短），不及静态测量所需时间的五分之一，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
4.2动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需2～10s）进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。
动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2～4S，精度就可以达到1～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点。
五、推广建议
5.1、GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。
5.2、生产过程中采用常规方法和GPS技术相结合生产流程可以极大地提高生产效率。
5.3、随着GPS技术特点是RTK技术的发展，各个厂家相继推出了具有自主专利技术的仪器，其初始化时间越来越短，跟踪能力也越来越强，精度越来越高，可靠性越来越强，有着良好的性价比，在勘察设计单位具有代替全站仪的趋势，单位设备更新时应考虑这一因素。
5.4、GPS技术在公路测量中的应用，是公路测量的一项革命性的技术革新，它将对传统的作业理念予以更新。
六、结束语
GPS全球定位系统（GlobalpositioningSys-tem）是美军发展建设的具有全球性、多用途、全天候优势的导航定位、定时、测速系统。目前，全球定位系统已广泛应用于工程建设和军事等众多领域中，在我国公路工程测量中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，GPS技术应用研究的逐步深入，GPS在现代公路建设中必将发挥更大的作用。
