GPS技术在公路测量中的应用

GPS技术在公路测量中的应用

邓小军

邓小军（茂名市交通设计院，广东茂名525000）

摘要：作为新一代精密卫星导航定位系统，GPS测量具有高精度、高效率的优点。GPS定位技术应用于公路测量是公路外业勘测的一项重大技术革命，其应用及开发的前景十分广阔。

关键词：GPS技术；公路测量；应用

1GPS技术概述

全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem，简称GPS）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，在公路工程测量中得到了迅速推广。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，通过两次求差计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。而RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。GPS测地型接收设备是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，双频机能以L2观测值修正电离层折射影响，最适宜于中、长基线（大于20km）测量，具有快速静态测量的功能，可升级为RTK功能；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。

2GPS定位原理

若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分，GPS系统可分为静态定位和动态定位；若按定位结果来分，可分为绝对定位和相对定位。

2.1绝对定位。利用GPS进行绝对定位的的的基本原理为，以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测ρ为基础，并根据卫星的瞬时坐标（Xs，Ys，Zs），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测点的位置。

设接收机天线的相位中心坐标（X、Y、Z），则有：

ρ=[（Xs-x）2+（YS-Y）2+（Zs-Z）2]/2

卫星的瞬时坐标（Xs，Ys，Zs）可根据导航电文获得，所以式中只有X、Y、Z三个未知量，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测点坐标（X、Y、Z）。可以看出GPS单点定位的实质就是空间距离的后方交会。

2.2相对定位。GPS相对定位，亦称差分GPS定位。是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，其基本原理为：用两台以上接收机观测数据来确定观测点之间相对位置方法，它既可采用伪距测量，也可采用相位测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。GPS测量中包含了卫星和接收机钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，定位计算时还要受到卫星广播星历误差影响，进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，定位精度将大大提高。双频接收机可以两个频率测量以抵消大气中电离层误差主要部分，从而提高精度。

3GPS技术在公路测量中的应用

3.1GPS公路测量的准备工作。应用GPS进行公路测量，首先要在测量工作前做好基础的准备工作，收集公路工程有关资料，准备施工设计图纸及其测设成果等资料，并拟定测量作业计划，组织有关测量人员对工程设计方案等进行分析。最终选择适合公路工程特点的GPS测量技术进行公路工程的测量工作。目前公路工程测量中多采用常规静态GPS测量方式进行公路工程的测量。随着实时动态测量技术的发展，实时动态测量技术的应用也逐渐增多，并向着公路工程测量主流方向发展。

3.2实时动态测量技术在公路测量中的应用。实时动态测量技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，在实时动态作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态。在公路测量中，首先由设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，将公路在地面标定出来。然后由测量人员将中线柱点坐标输入GPS接收机，由系统定出放样点位。并通过每个点位独立的测量来杜绝传统测量工作中的积累误差，提高公路测量工作的放样精度。在公路中线确定后，及应开始着手进行纵横断面的测量。利用中线桩点坐标与绘图软件，得出路线纵断面与各桩点横断面。采用测绘地形图采集数据，减少了现场进行纵横断面测量的工作，从而减少了外业作业工作，提高了测量工作效率。

3.3常规GPS测量技术在公路测量的应用。由于工程测量技术条件的限制等原因，在许多工程中采用常规GPS测量的情况也较为常见。其测量工作的实施需要测量部门在进行观测前根据工程实际情况可学的制定观测计划，确定观测时段数、卫星高度截止角、几何精度因子等，以此为基础进行作业过程仪器的调度。在实际操作过程中，测量人员要首先检查仪器完好状态、保障仪器充足的电力供应，并复核采集器软件情况。同时还要注重通讯工具、交通工具的检验。做好基础准备工作后，即开始进行仪器的安装。首先进行测站仪器的安置，并将接收机、电源、采集器等按照正确的方式进行连接，并计算出天线高。然后按照采集器说明书要求操作步骤进行采集器的操作。

3.4以数据流的统一管理促进GPS测量技术的应用。公路工程测量工作数据流对保障工程测量精准度有着重要的影响。实施GPS测量技术过程中，测量企业或部门要认识到统一数据流格式、统一管理、实现数据流电子化与数据流安全管理对GPS测量技术应用的重要影响。加强现场数据统一管理、加强数据备份、查询、调用等数据库的管理功能完善，为有效提高测量质量奠定基础，促进公路工程建设施工质量的提高。

4GPS技术在公路测量中的应用前景

目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。利用GPS测量能克服上述列举的缺陷，并提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。GPS测量主要有以下特点：

4.1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。

4.2定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，面红外仪标称精度为5rrn+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。实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100~500km的基线上可达10-6~10-7，且不易受人为因素影响。全过程由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、数据预处理、平差计算。

4.3作业效率高。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机械化，利用数据处理软件每个放样点只需要停留1～2s即可求出测点的三维坐标。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。流动站小组作业，每小组（3～4人）可完成中线测量5~10km，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。

4.4提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可精确测定观测站的大地高程。

4.5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，而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。

结语：GPS技术在公路测量中的应用，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。GPS在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率。

参考文献

[1]徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].1998（9）：12.

[2]刘茂海.GPS技术在公路测量中的应用[J].2004（1）：26.

[3]李强.GPS测量技术的实施中的管理要点[J].2009（12）：4.