GPS技术在公路勘测中的应用

吴贤志

【摘要】全球定位系统GPS作为新一代卫星导航和定位系统，不仅具有良好的抗干扰性和保密性，且具有全球性、全天候、连续性、实时性的精密三维导航与定位能力，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。因此，随着我国交通事业的快速发展，公路建设工程逐渐增多，GPS以其诸多优势取代了传统的测量技术在公路勘测中的应用，文中介绍了GPS测量技术的组成及特点，进而研究其在公路勘测中的应用。

【关键字】GPS技术；公路勘测；应用

一、GPS 技术的发展概况

全球定位系统（Global Positioning System 简称 GPS）是美国国防部从上世纪 70 年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。GPS 是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程，如今，它已成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

1、GPS 测量技术的组成

GPS系统由三部分组成，即空间部分、控制部分和用户部分。GPS 的空间部分主要是用于发出导航定位信号的，由 24 颗GPS 工作卫星所组成，其中真正用于导航的只有 21 颗，其余 3 颗是备用卫星。这些卫星在 6 个倾角为 55 度的轨道上以 12 恒星时为周期绕地球运行。GPS 的控制部分是分布全球的 5 个地面跟踪站组成，根据功能的不同可以分为主控站、监控站和注入站三种。现有主控站 1 个、监控站 5 个、注入站 3 个。监控站负责数据采集和计算机处理工作，并存储和传送到主控站；主控站负责将监控站的数据联合处理，并将这些数据编制成导航电文传送到注入站；注入站负责将数据注入到卫星的存储系统，并监控注入信息的正确性。GPS 的用户部分是由 GPS 接收机硬件、数据处理软件、微处理器及终端设备组成，主要负责接收 GPS 卫星发出的信号，并利用信号进行定位导航。用户只有通过用户设备，才能实现应用 GPS的目的。

2、 GPS 测量技术的特点

（1）测站之间无需通视。测站间相互通视一直是经典测量无法逾越的难题。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，而测距仪标称精度为5mm+5ppm，GPS 测量精度与测距仪相当，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。

（3）观测时间短。在 20km 以内的短基线上，快速静态相对定位一般只需 5min 观测时间即可。尤其是实时动态 RTK 定位，流动站只需观测几秒钟即可获得 cm 级的点位精度，而且没有误差累积。

（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。随着 GPS 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达"傻瓜化"的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。

（6）全天候作业。GPS 观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受阴天黑夜、起霧刮风、下雨下雪等气候的影响。

二、GPS 测量技术在公路勘测中的应用

1、实时动态（RTK）定位技术简介

实时动态（RTK）定位技术是以载波相位观测值为依据的实时差分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。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。

2、RTK技术在公路测量中的应用

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。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。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。动态定位模式在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 s～10 s）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 s～4 s，精度就可以达到1 cm～3 cm，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。

三、测绘技术完善：公路勘测一体化的构想

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化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化是现代公路勘测设计的总体目标，也是目前影响公路设计技术发展的“瓶颈”所在。显然要实现这

一总体目标，关键还在于要首先实现公路勘测的一体化。用传统的作业方式测量工作在公路勘测设计的各个阶段都不可缺少，而且同一测站要重复工作五六次，甚至十来次。野外施工周期较长，劳动强度较大，生产成本居高不下。近十多年来，由于 GPS 定位技术在公路勘测系统中的普及，测量作业人员的劳动强度有所减轻，但是整个野外作业步骤并没有太大的触动，因而作业周期仍无显著的缩短。

进入新世纪以来，GPS RTK 技术逐渐趋于成熟，它所具有的高精度、快速度和强可靠性为公路勘测一体化的实现提供了强有力的保障。公路勘测一体化的构想主要体现在两个方面：其一，扩大实时 GPS 测量技术的应用领域。也即让 RTK 系统承担公路勘测作业的绝大部分项目，如低等级控制点加密、带状地形图测绘、各种施工测量放样、纵横断面测量、线路土石方、以及竣工验收测量等。其二，简化公路勘测的作业环节。也就是充分发挥 GPS RTK技术优势，在测量实施中精心安排，将公路勘测工作分为“静态+动态”两个环节或者分为“定位+放样”两个环节，每一环节均只通过一次外业测量过程予以全部完成。

结语

以 GPS 技术、RS 技术 GIS 技术及其集成“3S”技术为核心的“数字公路”，作为 21世纪公路工程技术发展的方向和目标，将会在公路工程的勘测设计中大显神通，进一步推动公路设计自动化，全面提高设计质量。