论述GPS技术及其在公路测量中的应用

陈文辉

【摘要】在测量领域，GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem）在公路工程测量中的应用，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。本文将从以下几个方面来叙述GPS系统在公路测量中的应用。

【关键词】GPS；公路测量；应用初探

1 GPS技术发展现状

全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天侯、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。单频机适宜于小于20km的短基线测量，对于一般工程测量具有良好的性能价格比。RTK系统由GPS接收设备、无线电通讯设备、电子手簿及配套设备组成，整套设备在轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点，完全可以满足数据采集和工程放样的要求。鉴于GPS系统在轨卫星数有限，在对空通视受遮挡的条件下，不能保证正常解算，影响定位的精度和可靠性。实践表明，单频GPS系统由于多环境的制约，存在着很大的局限性。

2 GPS测量的特点

相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：

（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。

（2）定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

（3）观测时间短。采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1-2小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。

（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，在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，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。

（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。

3 GPS技术在公路测量中的应用

随着我国国民经济的快速增长，我省的高等级公路建设迎来前所未有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求，随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿線总体控制测设，为勘测阶段测绘带状地形图，路线平面、纵面测量提供依据；在施工阶段为桥梁，隧道建立施工控制网，这仅仅是GPS在公路3GPS-RTK技术在公路测量中的应用。

3.1实时动态（RTK）定位技术

实时动态（RTK）定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知，无论静态定位，还是准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后，所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性，这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

3.2实时动态（RTK）定位的应用

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。

（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。

（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。

4 结束语

GPS技术在公路测量中的应用，可以高效、高精度地完成公路平面控制测量；生产过程中采用常规方法和GPS技术相结合，整个生产流程可以极大地提高生产效率；特别是RTK技术将彻底改变公路测量模式。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。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。它还可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。因此GPSRTK在公路市场有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]谢炳科.建筑工程测量[M].中国电力出版社.2004.6

[2]周建郑.工程测量[M].黄河水利出版社.2006.8

[3]周建郑.GPS测量定位技术.[M]化学工业出版社.2004.8