GPS技术在公路工程测量项目中的应用研究

1 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技术所具有的全天候、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。

1.1 GPS系统组成

GPS由三大子系统构成:空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

(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°轨道和地球赤道的倾角为55°, 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、三个注人站和五个监测站, 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。G P S地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。

(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。

2 GPS技术的定位原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机, 在某一时刻ti同时接收了3颗 (A、B、C) 以上的GPS卫星所发出的导航电文, 通过一系列数据处理和计算可求得该时刻G P S接收机至G P S卫星的距离S A P、SBP、SCP, 同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置 (三维坐标) 。从而用距离交会的方法求得P点的三维坐标 (Xp, Yp, Zp) , 其数学式为:

式中 (XA, YA, ZA) , (XB, YB, ZB) , (xc, YC, zc) 分别为卫星A, B, C在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统, 一类是在空间固定的坐标系统, 另一类是与地球体相固联的坐标系统, 称地固坐标系统, 我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统 (如:WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系) 。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换, 来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果, 因此在测量中被得到了广泛的应用。

3 技术优势

GPS在最近的两年得到了迅速推广, 这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地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。相对于常规的测量方法来讲, GPS测量有以下特点。

(1) 测站之间无需通视。

测站间必须相互通视一直是测量学的难题。GPS解决了这一难题, 可使得选点更加灵活方便。只要测站上空相对开阔, 保证接收GPS卫星信号不受干扰即可。

(2) 定位精度高。

一般双频G P S接收机基线解精度为5mm+lppm, 而红外仪标称精度为5mm+5ppm, GPS测量精度与红外仪相当, 但随着距离的增长, GPS测量优越性愈加突出。应用实践证明, GPS相对定位精度在50km以内可达10-6, 100km~500km可达10-7, 1000km可达10-9。在300m~1500m工程精密定位中, 1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm, 与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较, 其边长较差最大为0.5mm, 校差中误差为0.3mm。

(3) 观测时间短。

采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30min~40min左右, 采用快速静态定位方法, 观测时问更短。例如使用Tirnble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

(4) 提供三维坐标。

GPS测量在精确测定观测站平面位置 (二维坐标) 的同时, 可以精确测定观测站的大地高程。

(5) 操作简便, 降低劳动作业强度和难度。

GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化, 观测人员只需将天线对中、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三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获, 跟踪观测等均由仪器自动完成。

GPS测量可以极大地降低劳动作业强度和难度, 减少野外砍伐工作量, 提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

(6) 全球、全天候作业。

GPS观测可在任何地点, 任何时间连续地进行, 不受天气状况和地域的影响。

4 GPS在公路工程测量中的实际应用

随着高等级公路的迅速发展, 对勘测技术提出了更高的要求, 由于线路长, 已知点少, 因此, 用常规测量手段不仅布网困难, 而且难以满足高精度的要求。GPS在公路工程中的应用, 目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。目前, 国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网, 然后用常规方法布设导线加密。实践证明, 在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右, 达到了常规方法难以实现的精度, 同时也大大提前了工期。

公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能:静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息, 确定地面某点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统, 把已知的三维坐标点位, 实地放样地面上。

(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, 中间再进行红外测距导线加密。

方案一具有明显的速度快、质量高、成本低的特点, 但其设备要求较高。GPS接收机需具备建立在FARA (整周米知数快速逼近技术) 上的快速静态测量技术。由于目前设备方面限制, 第二种方法是现阶段广泛应用的方案。

(2) 纵、横断面测量。

GPS通过与手持计算机联机, 利用预先设计好的数据, 在实地进行中线测量。公路中线确定后, 利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。

(3) 检测线、桩及点位。

在公路施工测量中, GPS可用于恢复中线以及一些主要桩位。在施工过程中一些桩位如高程桩、转点桩、中线拄等经常遭到破坏.为保证施工质量需随时恢复这些点位, 依靠常规方法费时、费力, 而用GPS则能很快地完成此项工作, 此外GPS还可以用于边桩放样。

在竣工测量时, GPS可以测定路线的平纵曲线, 看其是否可满足设计要求。可以获得精确的道路坐标坡度、平曲线、竖曲线的各种参数, 从而检验道路施工质量。

(4) 辅助管理及决策。

对于已建成的公路, 可以通过建立GPS网对道路沿线交通设施的现状进行调查, 达到维护更新的目的, 进而影响公路沿线的经挤发展。对于道路的远期改造, 通过研究GPS网应用现有路线各种线形指标数据, 在丝毫不影响道路通行的前提下, 可以更容易地完成规划和施工放样工作。

(4) 绘制大比例尺地形图。

使用实时GPS动态测量, 构成碎部点的数据, 只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 在室内即可由绘图软件成图。

5 结语

由于GPS技术无需通视, 可构成较强的网形, 提高点位精度, 同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量、及特大桥梁的控制测量中也具有广泛的应用前景, GPS测量无需通视, 减少了常规方法的中间环节, 因此, 速度快、精度高, 具有明显的经济和社会效益。

其次, GPS测量可以大大提高工作及成果质量, 不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制, 自动记录、自动数据预处理、自动平差计算, 彻底改变公路测量模式。

GPS技术是公路测量中的一个新的里程碑, 随着技术的更加完善, 它将在公路的初测、定点、施工测量、竣工测量等领域发挥巨大的作用.将给现行道路勘测手段和规范带来革命性的变革。

摘要：GPS定位系统作为新形式测量系统, 已在全球各行业得到广泛应用, 由于其快速、精确、便捷的优势, 在公路工程测量中也得到了迅速推广, 本文在分析GPS的技术特点的基础上, 重点探讨GPS技术在公路工程测量中的应用情况, 以及发展前景。

关键词：GPS,公路工程,工程测量

参考文献

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