GPS 技术在公路工程中的应用

余金巧

全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS应用的两个方面;对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式。

相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量，其原理是采用载波相位测量局域差分法:在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度;求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量;快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量;而RTK测量以其快速实时，厘米级精度等特点广泛应用于数据采集(如碎部测量)与工程放样中。RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。

1 GPS在公路定测中的作业模式

1.1 选择作业时段

线路沿线地物地貌复杂多变，为获取完整的数据，必须根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的几何分布越好，定位精度就越高，卫星的分布情况可用planning软件查看多项预测指标，根据预测结果合理安排工作计划。

1.2 建立测区平面控制网

根据中线放样资料，用GPS静态测量方法建立测区控制网，相邻点间距5 km～8 km，并与国家点联测，求出各控制点平面坐标，同时投影变形不得不考虑，变形的程度与测区地理位置和高程有关，公路路短则数十千米，长则几百千米，跨越范围广，线路走向、地形情况千差万别，长度变形各不相同。在3°投影带的边缘，长度变形很大，导致中线桩由图上反算的放样长度与实地测量长度不一致，无法满足放样要求。因此必须采取相应的措施削弱长度变形。

1.3 高程控制测量

GPS得到的高程是大地高，而实际采用的是正常高，需要将大地高转化为正常高。而测区的高程异常是未知数，且高程异常的变化较复杂，特别在山区精度较差。此外，新线定测要求约每隔4 km常设置水准点，而有些地形环境不能满足GPS观测的条件，采用高程拟合的方法拟合的高程精度不能得到保证。完全用GPS替代等级水准难度大。因此等级水准仍采用水准仪作业模式。

1.4 求取地方坐标转换参数

合理选择控制网中已知的WGS84和国外当地坐标(或地方独立网格坐标)以及高程的公共点，求解转换参数，为RTK动态测量做好准备。选择转换参数时要注意以下两个问题:1)要选测区四周及中心的控制点均匀分布;2)为提高转化精度，最好选3个以上的点，利用最小二乘法求解转换参数。

1.5 基准站选定

基准站设置除满足GPS静态观测的条件外，还应设在地势较高，四周开阔的位置，便于电台的发射。可设在具有地方网格坐标和WGS84坐标的已知点上，也可在未知点上设站。

1.6 放样内业数据准备

利用测量内外业一体化程序完成全部计算工作。将线路的起点坐标、方位角、加直线长度输入，程序根据里程计算出全线待放样点的坐标，其中直线上每50 m一个点，地形变换处加一个点。按相应的数据格式将放样点坐标导出成DATA文件，通过软件将文件导入到外业掌上电脑供外业调用。

1.7 外业操作

将基准站接收机设在基准点上，开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输入工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置，输入转换参数，再进行流动站的设置和初始化工作。通常公布的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差，因此要通过点校正来减少这些偏差，获得更精确的当地网格坐标，且确保作业区域在校正的点范围内。

2 实例

2.1 GPS控制网设计

由于GPS控制网有以下优点，我们决定采用GPS做导线。

1)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成铁路平面控制测量。

2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5 mm+1 ppm，而红外仪标称精度为5 mm+5 ppm，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。大量实验证明，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达12×10－6，而在100 km～500 km的基线上可达10－6～10－7。

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30 min～40 min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5 s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的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

5)操作简便。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。而其他观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

6)全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

我公司于埃塞俄比亚做了一条156 km的公路，考虑到路线的长度，布一级GPS网，每5 km布置2个GPS点。点位的选择为开阔地，相互通视并且离公路中线50 m以上，以避免道路施工对GPS控制点的影响。并且选择点位远离高压线、电视塔等一切有电磁波反射或吸收的位置。

在GPS数量的选择上，我们购买了3台GPS，以保证在3个GPS控制点上能同步观测。每3个GPS控制点同步观测的时间保证在45 min以上，以确保精度。

2.2 GPS外业观测

观测作业的主要任务，是捕获GPS卫星信号对其进行跟踪、接收和处理，已获取所需的定位和观测数据。其观测工作主要包括:安置天线、观测作业和观测记录等。在雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防止雷击。在观测时要注意各接收机的观测员应按观测计划规定的时间作业，确保同步观测同一组卫星。观测记录需记下测站点，天线高，接收机号，开机及关机时间。

摆设GPS人员尽可能留在仪器旁边，不要让仪器离开视线范围之外，数分钟需至接收仪查看一次，注意数据有无持续接收、电池剩余电量等。

注意:任何意外造成仪器之定心、定平移动甚至倾倒，则立即关机重新架设，并在手簿上记录关机及开机时间;断电处理:换上新电池，重新开机，记录断电及重新开机时间;若有本身无法排除之困难，则立即回报并记录状况。

2.3 内业计算

外业工作结束后，数据下载时需要观测手簿的信息来辅助下载。利用手簿上记载之接收仪序号找到对应之接收仪进行下载，若下载数据与手簿数据不符合者(如点号、天线高等)，将该数据记录于手簿上，待下载完成之后询问该摆站人员哪项信息才是正确的。

使用椭球面为WCG1984，投影到局部椭球Clarke1880，使用软件为Trimble Geometrics Office，转换球面坐标到UTM北37°带上。

内业计算分数据录入，基线处理，GPS环闭合差，GPS数据的最小约束平差，成果输出。其中重要的部分为基线的处理，基线处理关系到GPS点位的精确度。用软件处理完成后输出坐标表、比例因子及其相对的点位精度。

通过以上对GPS测量的应用实例的探讨，可以看出GPS在公路工程中的控制测量上具有很大的发展前景:

1)GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难的地区、局部重点工程地区等。

2)GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它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。

3)GPS RTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。

4)GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，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。

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M］.武汉:武汉大学出版社，2005.

[2]周 立.GPS测量技术[M］.郑州:黄河水利出版社，2006.