GPS在公路工程控制測量中的應用

一、概述

GPS全球定位系統（Global Positioning System)在公路工程測量中的應用，在最近的兩年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統可以向全球任何用戶全天候地連續提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術參數。我們先了解一下GPS系統的組成，工作原理以及在測量領域的應用特點。

1.1GPS系統的組成

GPS全球定位系統由空間衛星群和地面監控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛星接收設備。

1.1.1 空間衛星群 GPS的空間衛星群由24顆高約20萬公里的GPS衛星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60o，軌道和地球赤道的傾角為55o，衛星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆GPS衛星發送出的信號。

1.1.2 GPS的地面控制系統 GPS的地面控制系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站，主控站的作用是根據各監控站對 GPS的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等并將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調度備用衛星等。監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態。注入站的作用是將主控站計算的數據注入到衛星中去。GPS地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

1.1.3 GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛星發出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術指標為工程測量帶來了極大的方便。例如：我們在控制測量中使用的天寶（Trimble）4800GPS測地型接收機其技術指標為：

雙頻主機、天線，RTK電臺一體化；

獨特的電池設計、無需接線，使用4h以上；

5次/秒的快速位置更新，可靠的衛星"超跟蹤"技術；

新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA數據存儲卡;

測量精度：靜態測量?5mm+lppm

RTK測量 10mm十1ppm（平面）

20mm十1ppm(高程）

這些技術指標充分的滿足了控制測量的精度要求。

1.2GPS的工作原理

GPS系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置P點架設GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置(三維坐標)。從而用距離交會的方法求得 P點的維坐標(Xp,Yp，Zp)，其數學式為：

SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ZA) 2]

SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ZB) 2]

SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ZC) 2]

式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分別為衛星A，B，C 在時刻ti的空間直角坐標。在GPS測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統。（如： WGS-84世界大地坐標系和1980年西安大地坐標系。）在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換，來求出所使用的坐標系統的坐標。這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應用。

二 GPS測量的技術特點

相對于常規的測量方法來講，GPS測量有以下特點：

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短。觀測時間短采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS接收機的RTK法可在5s以內求得測點坐標。

2.4 提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

2.6 全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。

三、GPS系統在實際測量工作中的應用，

公路工程的測量主要應用了GPS的兩大功能：靜態功能和動態功能。靜態功能是通過接收到的衛星信息，確定地面某點的三維坐標；動態功能是通過衛星系統，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。開封市的省路網改造項目應用GPS測量是于2001年開始的，2002年在省道豫04線和尉氏--通許段48公里的中線測量和國道310線鄭汴高速連接線11.8公里的控制測量中推廣使用了靜態功能這一技術。據開封市公路工程勘察設計院有關專家介紹，經過多次的復測驗證，GPS技術定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設計和公路建設的精度要求。

3.1 國道310線鄭汴高速連接線控制測量

3.1.1建立布網方案

國道310線鄭汴高速連接線北連鄭汴高速，向南穿越正在開發的開封經濟技術園區，地物地貌較為復雜，部分區域和方向有遮擋，該測區內原有BJ54坐標系的E級控制點二個(已知起算點)，其中a1 （X=3852759.5680，Y=528870.9190，H=72.0080）位于醫藥商廈門前， b1 （X=3852808.6230，Y=527915.2590，H=72.0000）位于大學西邊的路口處，根據工程需要在市委、水利局、書店、雕塑、檢察院附近加密控制點，以便于測設，我們建立控制網。

3.1.2 大地測量法

主要采用大地測量儀器如經

緯儀、全站儀、測距儀等。國道

310線鄭汴高速連接線控制網采用

測邊網，高程采用測距三角高程，

按照觀測技術要求進行施測。外

業觀測數據經數據處理并進行平差計算。

3.1.3 GPS靜態測量法??GPS靜態測量法就是根據制定的觀測方案，將三臺天寶4800GPS接收機安置在待定點(a2,c1,c2,c3)上同時接收衛星信號，直至將所有環路觀測完畢。觀測數據經平差計算得到54北京坐標系的坐標。

3.1.4?大地測量法與GPS測量法結果比較

由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標轉換數學模型誤差以及在平差計算中觀測量權配置等因素引起兩種測量方法的結果存在一定的差值，由于其三維坐標差值均小于±10mm，因此可以滿足國道310線鄭汴高速連接線加密施工控制網的精度要求。

3.2 GPS的動態測量（RTK）在東京大道新建工程的應用

東京大道新建工程周圍地勢起伏較大，在北城墻外JD4～JD5區間穿越五十公頃面積的國家森林公園，大范圍的密林、密灌地使通視較為困難，而規范對附合導線長、閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規定，一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求。這樣，導線

附合或閉合長度和結點導線結點間距等指標都有嚴格規定，這種要求一般在實際作業中難以達到，往往出現超規范作業。開封市公路局勘察設計院于2000年用10人花費20天時間，用全站儀和測距儀通過導線形式完成了該路段進行了控制測量。2001年在工程開工前對 該路段實施GPS的RTK動態測量，對中線進行恢復和校核。

以已知控制點 JD4、JD5為基準點，然后在基準點JD4上架設GPS基準臺，用GPS1H和GPS2兩臺天寶（ Trimble）4800GPS接收機分別安置在控制點上，測出點HZ4、ZD7、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三維坐標，每點測量時間為5s。根據所測坐標計算出相應邊長值。

為驗證市勘察設計院2000年的對東京大道新建工程在控制測量的精度，我們分別以JD4和JD5為基準站對國家森林公園周圍原加密的控制點A、B、C、D、E也進行了RTK測量，進行了坐標比較。

運用GPS測量的基線有14條，邊長差值最大為16mm。控制點坐標測量點數7點，除E點發現有人為的破壞痕跡外，三維坐標能夠比較的元素有27個，差值小于施工測量規范規定的要求，從以上比較可知，RTK測量可以用于工程的控制測量是非常有效的新技術。原來10人20天的外業任務，使用GPS測量僅用5人6小時時間，可見利用GPS測量能大大提高作業的效率，減輕勞動強度，保證了高等級公路測設質量。

四、小結

通過以上對GPS測量的應用事例的探討，可以看出GPS在公路工程的控制測量上具有很大的發展前景：

第一 GPS作業有著極高的精度。它的作業不受環境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區、局部重點工程地區等。

第二 GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。

第三 GPSRTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。

第四 GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率。一般GPS測量作業效率為常規測量方法的3倍以上。

第五 GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下，往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。