GPS的应用_高等级公路勘测中GPS的应用研究
时间：2019-05-28 03:19:24 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
【摘要】根据高等级公路勘测的特点与要求，论述应用GPS卫星定位技术进行公路初测与定测的方法，提出有关建议，提高公路勘测的效率和自动化水平。 【关键词】全球定位系统公路初测定测
【 abstract 】 according to the characteristics of high grade highway survey and requirements, the paper discusses the application of GPS positioning satellite technology at the beginning of the highway measurement and set the method, and puts forward some Suggestions, improve the efficiency of the highway survey and automation level.
【 key words 】 global positioning system at the beginning of the highway determination
中图分类号：O434.19文献标识码：A文章编号：
1 引言
GPS作为20世纪的一项高新技术，已在交通导航、大地测绘、地壳形变监测、精密工程测量等民用领域得到应用。在公路勘测设计中，运用GPS卫星定位技术将使传统的公路勘测方法发生根本的变革，尤其是作为公路地理信息系统(GIS）中获取空间三维坐标数据的先进手段，对实现公路勘测设计的自动化和数字化具有重要意义。限于篇幅，本文重点论述GPS卫星定位技术在高等级公路初测和定测中的应用方法，探讨相关问题，提出有关建议。
2GPS在高等级公路初测控制测量中的应用
高等级公路初测阶段的主要任务是根据路线的基本走向布设控制点，进行平面控制测量和高程控制测量，作为测绘路线地形图、定线测设和施工放样的重要基础。利用 GPS卫星定位技术可以代替传统的导线法进行路线控制测量，并具有布网灵活、外业观测速度快、定位精度高等优点，经内业处理可在统一坐标系下提供控制点的三维数据信息。根据公路工程勘测的特点要求，应用GPS技术进行路线初测控制测量的方法及应注意的重要问题如下。
2.1GPS控制测量等级的确定与GPS接收机的选择
路线GPS控制测量分为一级、二级、三级、四级共四个等级。应用GPS技术进行路线测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级。不同等级视测量对象的精度要求而定，对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级，三级可作为高速公路的首级控制网，四级控制网可作为高速公路的施工控制网，控制点间的平均距离以500m较为适宜。在具体的布设中可以分级布设，也可以越级市设或市设同级的全面网。各等级控制网相邻点间的弦长精度用下式表示：
σ=[a2＋( bd)]1/2
式中：σ——GPS基线向量的弦长中误差；
a——GPS接收机标称精度的固定误差；
b——GPS接收机标称精度的比例误差；
d——相邻点间的距离。
应用 GPS卫星定位技术进行路线控制测量，GPS接收机是完成任务的关键设备。用于公路测量工作的GPS接收机称测地型接收机，使用时必须对其性能特别是可靠性进行检验，包括一般性检验、通电检验和实测检验。近几年国内引进了许多种GPS接收机，就频率而言，大致分为单频和双频两类。其中，双频接收机虽价格较高，但其性能优点是点间距离不受限制，边长大于20km时可基本上消除电离误差对点位坐标的影响；此外，在快速静态和动态测量中，能快速地解算整周模糊值，从而使观测时间比单频机少，而且用于精密相对定位时精度可达到目的5mm＋1ppm•D。单频机的精度在一定距离内精度也可达10mm＋2ppm•D。因此，无论单频机或双频机均可满足公路控制测量的要求。
2.2GPS路线控制测量的作业模式选择
近几年来，随着GPS定位后处理软件的发展，为确定两点间的基线向量，有多种测量模式可供选择，采用哪种GPS作业模式与要求达到的精度、地形及拥有的设备情况有关。根据控制测量的特点，一般可视情况采用以下两种作业模式。
（l）静态定位作业模式：采用两台或两台以上的GPS接收机，分别安置在不同控制点上设站构成基线，对4颗以上卫星进行一个时段的同步观测。每个时段长约30分钟至2个小时，以正确地确定载波相位的整周未知数N0，所有已观测基线应组成一系列的闭合图形，以利于外业检核，提高成果的可靠度。这种模式精度高，基线的相对定位精度可达5mm＋1ppmD（D为基线长度单位km），完全可以满足各级路线控制测量的要求。
（2）快速静态定位作业模式：在测区中选择一基准站并安置一台GPS接受机，连续跟踪所有可见卫星，另一台接受机依次在各待定点上设站。由于采用了一种快速解算整周未知数的算法，每点只观测数分钟，使作业效率大为提高，但应注意待定点与基准点间距离不应超过20km，观测时段内应保证有5颗以上的卫星可供观测，由于两台接收机工作时构不成闭合图形，不能进行闭合差检验，可靠性较差，不宜用于对测量精度有特殊要求的桥梁、隧道等特殊构造物的测量控制网。此作业模式特别适用于短基线的测量及工程控制点的加密定位，且采用双频接收机效果更佳。
2.3 GPS数据处理及高程问题
2.3.1GPS数据处理
GPS接收机采集记录的原始数据为载波、伪距和卫星星历等数据，由原始观测值得到满足需要的实用测量成果（控制点的平面坐标与高程），需经过粗加工、预处理、基线向量解算和GPS基线向量网与地面网数据的联合平差等步骤，全部工作均由计算机自动完成，基本处理流程如下：
2.3.2GPS高程问题
由GPS相对定位得到的基线向量，通过网平差后可求得各GPS点在WGS—84坐标系中的大地高H84，而公路勘测所用的地面点高程是相对于似大地水准面的正常高程Hr，两者之间的差值称高程异常，用公式可表示为：
Hr＝H84－ξ
由上式可知，在已知GPS点大地高H84的情况下，只要求得高程异常值ξ,即可求得公路勘测需要的正常高Hr。为此，可通过联测已知水准点进行数学曲面拟合的原理求解。
设点的ξ值与其坐标（x,y）有以下关系：
ξ=f(x,y)＋ε
又设f(x,y)＝a0＋a1x＋a2y＋a3xy＋a4x2＋a5y2
对于每个联测的已知水准点，都可列出一个方程，根据最小二乘法原理，在Σε2＝min的条件下，联测6个以上的水准点可解出各系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，然后利用拟合的曲面，再利用内插法求出待定点的ξ值，从而可解出待求点的正常高程值Hr。根据国内外GPS高程的研究与实践，对于面积不大的平原微丘地区，只要用三等几何水准联测点，且点位分布合理，GPS高程可达四等水准测量的精度。
3 实时动态定位（RTK）技术在高等级公路定测中的应用
RTK是实时动态（Real Time Kinematic）测量技术的缩写，它是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术，是GPS测量技术发展中的一个新突破。其基本原理是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见卫星进行连续观测，并将其观测数据通过发射台实时地发送给流动观测站。在流动观测站上，GPS接收机在接收卫星信号的同时通过接收电台接收基准站传送的数据，然后利用电子手簿根据相对定位的原理，实时地求解出厘米级的流动站的动态位置（X，Y，Z）。在路线勘测中，应用RTK技术进行定线测量，可同时一次完成传统测量方法中的放线、中桩、中平等工作，大大提高作业效率。其基本作业方法是：
3.1 在路线控制点上架设一GPS接收机作为基准站，流动站测设路线点位并打桩作业。
3.2 根据所设计的路线参数（圆曲线半径、缓和曲线要素、交点坐标、起始方位角等），利用路线计算程序计算路线中桩的设计坐标。（注：也可将路线计算程序集成于GPS接收机所配套的电子手簿中，在现场输入桩号，随时计算坐标）。
3.3 将路线中桩的设计坐标从微机中传输到电子手簿。
3.4 在流动站的测设操作下，只要输入要测设的参考点号，然后按解算键，显示屏可及时显示当前杆位和到设计桩位的方向与距离，移动杆位，当屏幕显示杆位与设计点位重合时，在杆位处打桩写号即可。这样逐桩进行，可快速在地面上敷设中桩并获取高程。
3.5 在每个桩位按控制器的记录键，将每个桩位高程记录于电子手簿的存储器，实现无纸化记录。
3.6 内业传输至计算机，利用路线CAD软件进行纵断的设计和绘图。
利用RTK技术定位进行中线测量不受通视条件的影响，不仅速度快，并可达到厘米级的定位精度，可以满足《公路勘测规程》桩位允许误差要求（横向±10cm，纵向L/1000±0.1），在路线勘测中具有较高的研究推广价值。
4结语及建议
将GPS卫星定位技术应用于公路建设，给传统的公路勘测作业方式带来了巨大冲击，使公路测设水平显著提高。特别是GPS实时动态定位技术（RTK）应用于道路地形测绘、定线测量、施工放样测量等工作可达到厘米级的精度，可方便地进行数据的储存传输，实现与路线CAD的集成。无论在公路勘察设计单位还是公路施工单位均具有重要的应用价值；而具备RTK功能的GPS接收机价格昂贵，所以在道路建设施工单位推广应用目前有一定难度。但是，由于一个RTK基准站可以与许多流动接收机配合使用，如果加高基准站天线和加大电台功率，数据通信范围可达几十至上百公里，所以在高等级公路建设中，公路勘察设计部门和施工单位可共同设立RTK系统，实现资源共享，每个合同段的施工单
位只需购置RTK流动设备即可，这样不仅能节约投资，还能加快工程进度。总之，在公路建设领域我们应加快研究应用GPS卫星定位技术，提高公路建设的高科技含量，以促进公路建设的更快更好的发展。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
