全球定位系统GPS在公路控制测量中的应用

1全球定位系统GPS技术在公路测量中的应用余小龙（甘肃省交通规划勘察设计院730020）摘要GPS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。本文主要介绍了GPS在公路勘量中的应用、作业方法及其对公路勘测的巨大推进作用。关键词GPS基线控制网静态定位动态定位RTK公路抵偿坐标系全球定位系统GPS（GlobalPositionSystem）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，连续性和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。GPS测量分为静态定位和动态定位两种测量方法，静态定位的原理是采用载波相位测量差分法：在接收机之间求一次差，在接收机和卫星和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，动态定位的原理和静态定位原理相同，但可以实时定位。尤其是实时动态定位（RTK）技术在公路工程中应用，有非常广阔的前景。下面就GPS技术在公路勘测中的应用及其作业方法作简单的论述。1．GPS静态测量1．1布点GPS静态测量在公路工程中的应用主要在勘测阶段建立首级控制网，精度为GPSC级网，仪器标称精度应优于10mm+2ppm，根据参与作业的接收机数量，按边连式布设成三边形和大地四边形，野外布点时根据测区内国家三角点分布情况和沿线地形、地貌特征按以下原则布设：（1）沿拟建路线中心线100米至200米范围内每隔5~6公里选取一对相互通视的点对，点对间距不小于500米；（2）在大型构造物附近和植被茂密的地区适当加密埋石点；（3）点位距离无线电发射源不得小于400米，距离高压输电线视电压伏数不得小于50米~200米；（4）点位和测线应远离散热塔、散热池、烟囱等发热体和大面积水域；（5）点位周围不应有高度角大于15度的成片障碍物存在。1．2测量观测前，通过下载卫星星历文件，编制GPS卫星可见性预报表，选择最佳观测时段。编制切实可行的观测计划,，以达到测站与交通、通讯的最佳配合，从而提高工作效率。在观测时，以下几个技术指标必须达到：卫星高度角≥15°，几何图形强度因子PDOP≤7，有效观测卫星数大于4颗。定位方法根据接收机的类型来确定采用静态定位或快速静态定位。每个观测时段定位时间根据定位方法、接收机类型和卫星的接收情况来确定，当卫星有效观测数大于5颗时，对于静态定位每个时段定位时间可确定为45~60分钟；快速静态定位每个时段定位时间可确定为15~25分钟。根据以往的作业经验，每天中午12点至1点，卫星残差比较大，观测的基线很难得固定解，在编制作业计划时，要考虑到这个实际情况，观测尽量避开这个时段，如果实在避不开，可以适当延长观测时间，确保基线的观测质量。观测时GPS接收机的操作严格按操作手册的规定进行。按观测计划进行同步观测并按《公路全2球定位系统（GPS）测量规范》的要求填写观测手薄。每天测量时应连测前一天测量的最后一条边，以便形成边连式网形。每天观测结束后要及时对当天的测量数据进行处理，包括基线解算，同步观测环闭合差计算等，对超限的点位要进行整体分析，如果有必要进行重测或补测。为了解算控制点的国家坐标，测区必须连测三个以上国家等级三角点，三角点必须精度等级统一，且位置可靠；为了防止控制往发生漂移，三角点最好在测区均匀分布。1．3基线解算基线解算一般采用接收机随机软件进行处理，在数据处理过程中，仔细检查天线高、测点名、观测时段输入是否正确。对比率较小、出现飘移、误差较大的基线要进行认真分析，通过查看卫星的残差图，调整起止时间历元的位置和删除数噪声比较大的卫星，看基线质量是否有所提高，对误差比较大的基线要进行剔除。基线剔除率要小于10%。基线解算结束后检验闭合环闭合差，对于GPSC级网闭合查限差按以下公式进行：同步环：σ22)(bda）（5nWxσ）（5nWyσ）（5nWzσ)53(n同σ异步环：）（nWx3σ）（nWy3σ）（nWz3σn异σ重复边：）（重nW2σσ—基线标准差（mm）a—固定误差（mm），a=10mmb—比例误差（mm），b=5mmd—相邻点的间距（Km），按闭合环平均基线长计算n—环的边数同W—同步环坐标分量闭合差（mm）异W—异步环坐标分量闭合差（mm）3重W—重复基线坐标分量闭合差（mm）实际工作中如果有超限的同步环闭合差，在工期比较紧的情况下则可以对基线进行筛选和比较，从而提高同步环和异步环的精度，尽量避免返工。1．3网平差1．3．1空间平差基线结算、各项精度检查完以后，就可以进行控制网平差。首先在WGS-84坐标系下进行单点定位，以此点进行空间平差，得出各点的经纬度、WGS-84坐标系下的坐标和点位中误差，依据中误差值的大小判断控制网的精度。1．3．2平面平差根据连测三角点的坐标系，确定控制网的坐标系，用三个连测的已知点进行整网约束平差（为了防止控制网发生漂移，进行约束平差的已知点最好在测区均匀分布，网平差后得到各控制点坐标，与多余的连测点的三角点进行校和，这样同时也可以检查所连测的三角点精度。1．3．3公路抵偿坐标系建立《公路全球定位系统（GPS）测量规范》有关条款规定，当测区距离边形值大于2.5cm/Km时，需建立公路抵偿坐标系，建立公路抵偿坐标的方法有两种：（１）平移中央子午线至测区中央；（２）提高投影面高程。一般做法是以测区平均子午线经度作为中央子午线经度，在测区两端取有代表意义的点位进行变形值验算，如果变形值还是大于规范值，则可利用综合残余变形值计算抵偿面高程。建立公路抵偿坐标系是一项比较重要而且复杂的工作，其质量的好坏直接影响加密点的精度，在建立时一定要整体考虑，反复验算，直到找出坐标系最合理的参数为止。抵偿坐标系建立好之后，就要完成在抵偿坐标系下的控制网平面约束平差，其具体步骤如下：（1）起算点确定：通过换带计算，把连测的三角点坐标换算到抵偿坐标系下（投影面高程为0），以此为约束，进行网平差，得到控制点坐标，称为国家坐标。任选此坐标系下测区中间一点为基准点，以此点到它任意相邻点（称为参考点）的方位为起算方位，或者把基准点到相邻点的距离投影到抵偿面上，以基准点为起算点计算出参考点的坐标，以基准点和参考点的坐标做为平面起算点。（2）平差：在网平差软件中输入起算数据，设置抵偿坐标系参数（参考椭球类型、中央子午线经度、投影面高程），进行控制网平差。2．GPS动态测量2．1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量为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破。在公路工程有广阔的应用前景。众所周知，无论静态定位、快速静态定位、准动态定位等定位模式，由于数据处理在后，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。实时动态定位的测量原理是选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结算结果的收敛情况，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。在实际工作，需要解算出公路抵偿坐标系与WGS—84坐标系的转换参数。这项工作可以通过4接收机机载的辅助软件来完成。2．2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：在观测中流动站在流动过程不必保持对卫星的连续观测。一般应用在精度比较高的测量中，如控制网加密，若采用常规测量方法，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，则比静态测量和常规测量起到事半功倍的效果。单点定位只需要5-10分钟，不及静态测量所需时间的五分之一。（2）动态定位：测量前需要在一控制点上静止观测数分钟，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，这种定位模式在流动过程中，需要对卫星连续观测，一但失锁则必须进行初始化。动态定位模式在公路勘测阶段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4~5秒钟，精度就可以达到2~4cm，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。3．GPS高程测量3．1静态测量由于GPS测量得到的是WGS-84坐标系下的大地高，而我们所要的是以大地水准面为基准面的正常高，两这之间存在高程异常，要求得正常高就必须连测一定数量的水准点（一般最少为六个点）。通过拟合计算，求出待定点的高程异常值，从而求出待定点的高程。由于GPS测量高程不存在累积误差，作业速度较快等优点，所以有些单位尝试用GPS静态测量高程代替四等水准测量，并取得了较高的精度和一定的作业经验，但是由于高程异常值随测区的地形和重力加速度的不同而变化，这就要求测区水准点分布合理，能反应测区高程异常的水平，在实际工程中这一点很难达到。就对精确测量控制点的高程带来一定的困难。因此应用GPS静态定位技术拟合水准高程，可作为检验其它高程测量的一种方法，在实际工程中还是采用常规方法进行高程控制测量。除非在高山区和长大隧道的高程控制测量采用常规仪器不易实现，可以均匀连测一定数量的水准点来拟合待定点的高程。3．2动态测量采用RTK技术，只要基准点上有较高精度的高程，流动站测量的高程误差一般5cm以内，完全可以满足地形测绘和中桩抄平。可以极大的提高工作效率，产生良好的经济社会效益。4．结束语GPS在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面将有广阔的应用前景。参考文献：［1］徐绍铨张华海等《GPS测量原理及其应用》［2］中华人民共和国行业标准《公路全球定位系统（GPS）测量规范》1998-07-02发布。中华人民共和国交通部［3］《控制测量学》上、下册武汉测绘科技大学出版社薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆