GPS在公路工程控制测量中的应用(1)

摘要：GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以开封市的省公路路网项目为例，概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用。

关键词：GPS定位系统 公路工程 控制测量 应用

一、概述

GPS全球定位系统（Global Positioning System)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。我们先了解一下GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。

1.1GPS系统的组成

GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。

1.1.3 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPS测地型接收机其技术指标为：

双频主机、天线，RTK电台一体化；

独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；

5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星"超跟踪"技术；

新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA数据存储卡;

测量精度：静态测量5mm+lppm

RTK测量 10mm十1ppm（平面）

20mm十1ppm(高程）

这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。

1.2GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：

SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ZA) 2]

SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ZB) 2]

SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ZC) 2]

式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

二 GPS测量的技术特点

相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：

2.1 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。

2.3 观测时间短。观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

2.4 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。

2.5 操作简便。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傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。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。

2.6 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。

三、GPS系统在实际测量工作中的应用，

3.1 国道310线郑汴高速连接线控制测量

3.1.1建立布网方案

主要采用大地测量仪器如经

纬仪、全站仪、测距仪等。国道

310线郑汴高速连接线控制网采用

测边网，高程采用测距三角高程，

按照观测技术要求进行施测。外

业观测数据经数据处理并进行平差计算。

3.1.4大地测量法与GPS测量法结果比较

由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于±10mm，因此可以满足国道310线郑汴高速连接线加密施工控制网的精度要求。

3.2 GPS的动态测量（RTK）在东京大道新建工程的应用

东京大道新建工程周围地势起伏较大，在北城墙外JD4～JD5区间穿越五十公顷面积的国家森林公园，大范围的密林、密灌地使通视较为困难，而规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线

为验证市勘察设计院2000年的对东京大道新建工程在控制测量的精度，我们分别以JD4和JD5为基准站对国家森林公园周围原加密的控制点A、B、C、D、E也进行了RTK测量，进行了坐标比较。

四、小结

通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：

第一 GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。

第二 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

第三 GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。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。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。

第四 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

第五 GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。