1、全球定位系統(tǒng)(GPS在高速公路測量中的應用魯純1畢文生2(1.遼寧省交通高等專科學校,沈陽110122;2.丹東市交通質量監(jiān)督站,丹東118000摘要:簡述了GPS測量技術的發(fā)展狀態(tài),并列出了GPS用于測量所具有的特點,重點介紹了GPS測量用于公路測設中的國家大地點加密、隧道控制測量、特大橋控制測量、導線測量、航測像控點測量的實際應用成果,最后對GPS測量作出了展望。關鍵詞:GPS;RTK;放樣中圖分類號:U412.24文獻標識碼:B文章編號:1673-6052(200803-0096-031概述1.1GPS測量簡介全球定位系統(tǒng)(GPS是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高

2、精度導航和定位的要求而建立的。該系統(tǒng)從本世紀70年代初開始設計、研制。根據最初設計思想,利用接收衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機噪聲碼(P碼為美軍及北大西洋組織的盟軍提供米級導航定位,同時將定位精度為數(shù)十米的C/A碼偽距提供民用導航定位。GPS作為新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導航與定位能力,而且具有良好的抗干擾性和保密性。全球定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展,引起了各國軍事部門和廣大民用部門普遍關注。GPS定位技術的高度自動化及其所達到的高精度和具有的潛力,也引起了廣大測量工作者的極大興趣。70年代未至80年代初,許多學者的研究表明GPS衛(wèi)星的載波信號也可以用于定位,并提供比偽距定位高得

3、多的精度。特別是載波相位差分定位技術的出現(xiàn),推動了早期測量型商品接收機的研制。當時GPS定位基本上只有一個作業(yè)模式靜態(tài)相對定位,兩臺或若干臺GPS接收機安置在待定點上,連續(xù)同步觀測同一組衛(wèi)星12h,或更長一些時間,通過觀測數(shù)據的后處理,給出各待定點間的基線向量,在采用廣播星歷的條件下,靜態(tài)定位不難取得5mm+1PP m(雙頻或10mm+2PP m(單頻基線解精度。80年代未,建立在F ARA(整周未知數(shù)快速逼近技術基礎上的快速靜態(tài)定位為短基線測量作業(yè)闖出了一條新路,大大提高了GPS測量的勞動生產率。一對GPS測量系統(tǒng)(雙頻在10k m以內的短邊上,正常接收45顆衛(wèi)星5m in左右,即可獲取5

4、10mm+1ppm的基線精度,與12h甚至更長時間靜態(tài)定位的結果不相上下。近幾年,特別是1993年Leica公司開發(fā)了AROF(AmbiguityResulati onontheFly定位技術,首先實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境下整周未知數(shù)初始化這個實時GPS 測量關鍵技術的商品化。各個GPS測量廠商看好這個大趨勢,紛紛推出各自的GPS測量新產品。有的把這種新型產品稱之為GPS全站儀,有的稱之為RTK(實時動態(tài)測量,有的稱之為RTGPS。總之,GPS測量理論與設備的不斷發(fā)展,使得GPS測量技術日趨成熟,GPS測量功能更加完善, GPS測量應用面更廣,并且GPS測量設備價格變得低廉,操作更加簡便,使GPS測量更

5、加實用化和自動化。1.2GPS測量的特點相對于經典測量學來說,GPS測量主要有以下特點:(1測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點,使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊,以便接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。(2定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm,而紅外儀標稱精度為5mm+ 5ppm,GPS測量精度與紅外儀相當,但隨著距離的增長,GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明,在小于50k m的基線上,其相對定位精度可達1210-6,而在100500km的基線上可達10-610-7。(3觀測時間短。在小于20km的短基線上,快69北方交通2008速相

6、對定位一般只需5m in觀測時間即可。(4提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,可以精確測定觀測站的大地高程。(5操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài),而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲,跟蹤觀測等均由儀器自動完成。(6全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點,任何時間連續(xù)地進行,一般不受天氣狀況的影響。2GP S測量在公路測量中的應用實例公路路線一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線形式,這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造物如大橋、特大橋、長大隧道等,也有布設成三角網、線形鎖等

7、形式。2.1常規(guī)測量方法的缺陷(1規(guī)范對附合導線長、閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規(guī)定,一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求。這樣,導線附合或閉合長度最長不得超過10k m,結點導線結點間距不能超過附合導線長度的0.7倍。這種要求一般在實際作業(yè)中難以達到,往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。(2搜集到的用于路線測量控制的起算點間一般很難保證為同一測量系統(tǒng),往往國測、軍測、城市控制點混雜一起,這就存在系統(tǒng)間的兼容性問題,如果用不兼容的起算點,勢必影響測量質量。(3國家大地點破壞嚴重影響測量作業(yè)。由于國家基礎控制點,大多為50、60年代完成,經過30多年,有些點由于經濟建設的需要被破壞,有些點則由于人們缺

8、乏知識遭人為破壞。在這些地區(qū)進行路線測量作業(yè),往往在50k m以上均找不到導線的聯(lián)測點。這樣路線控制測量的質量得不到保證。(4地面通視困難往往影響常規(guī)測量的實施。一般路線的控制點要求布設在距路線的300m范圍內。由于通視的原因,這一條件難以滿足,甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區(qū),根本無法實施常規(guī)控制測量。(5對于長大隧道,特大橋用常規(guī)測量有下列局限:長大隧道、特大橋等構造物一般要求測量等級在4等以上。用常規(guī)測量方法,往往采用增加測回數(shù),延長觀測時間等費時、費工的方法來設法提高精度。長大隧道、特大橋多為地形復雜困難地帶,進行常規(guī)控制測量,為通視和網形,往往砍伐工作量相當大,這樣測設費用很大,作

9、業(yè)艱苦。長大隧道及特大橋的控制網高精度及與路線網的低精度銜接,雖說用平差方法可以得到克服,但由于地形條件困難,其聯(lián)結的測量工作量很大,且不太方便。實際工作中,構造物的控制測量與路線的控制測量經常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。利用GPS測量能克服上述列舉的缺陷,并提高作業(yè)的效率,減輕勞動強度,保證了高等級公路測設質量。2.2GPS測量用于導線控制測量京深高速公路河北境高邑至邢臺段地處華北平原,地勢平坦,最大相對高差約20m,平均海拔約50m,境內村莊較多。植被多為小麥及田間行樹。公路及機耕道密集。采用三臺W ild200GPS接收機進行導線測量,作業(yè)方式采用點連接方式,三臺接收機同時作業(yè)。在GPS觀測之前,已作

10、高精度紅外導線測量(EDM和水準測量。下面列出同時施測GPS和常規(guī)測量的10. 88k m的比較結果。GPS測量觀測時段7.5m in,30歷元。邊長比較結果如表1。表1邊長比較表(m將GPS測量結果與紅外儀導線平差結果比較,得到角差中誤差mx=0.057m,m y=0.049m,點位中誤差為0.075m。將GPS測量結果與精密水準測量結果比較,得到高程中誤差為0.049m。通過實際測量可看出:(1GPS觀測時間為7.5m in,與常規(guī)紅外儀測量相比,時間縮短了約20m in,效率為4倍;與全站儀測量相比,時間縮短約8m in,效率為2倍。(2GPS導線測量可靠性好,平面精度和高程精度均能滿足

11、高速公路測設的要求。2.3GPSRTK用于實時放樣RTK是指載波相位實時動態(tài)差分定位(Real-79第3期魯純等:全球定位系統(tǒng)(GPS在高速公路測量中的應用Ti m eKine matic ,它是GPS 發(fā)展的最新形式。靜態(tài)GPS 測量采用相位差分可以達到厘米甚至毫米級精度,但缺點是經過事后處理才知道結果。而RTK 通過實時處理即能達到厘米級精度。RTK 要求一臺基準站和至少一臺流動站及相配套的數(shù)據通訊鏈。基準站實時地把測站信息和所有觀測值通過數(shù)據鏈傳遞給流動站,流動站用先進的處理技術來瞬時求出流動站的三維坐標。具有下述優(yōu)點:(1直接以厘米級精度實時測定位置;(2工作人員少;(3與全站儀相比無

12、須通視、無須轉站。但是RTK 技術無法克服上空有遮擋的影響,在這種地區(qū),RTK 不能使用。同時RTK 對通訊電源、電臺亦有嚴格要求,對于山體阻擋,如何考慮數(shù)據通訊顯得尤為重要。2.4GPS 測量用于高程控制測量的嘗試高程測量中通常應用的高程系統(tǒng)主要有大地高程系統(tǒng)、正常高系統(tǒng)和正高系統(tǒng)。大地高程系統(tǒng)是以橢球面為基準的高程系統(tǒng)。正高系統(tǒng)是以大地水準面為基準的高程系統(tǒng)。由于正高實際上是無法嚴格確定的,為使用上的方便,通常采用根據前蘇聯(lián)大地測量學者莫洛金斯基的理論建立的正常高系統(tǒng)。計算正常高的精度,主要取決于大地高差和高程異常的精度,而其中高程異常差的精度與其計算方法及其所利用的資料密切相關。GPS

13、測量資料與水準測量資料相結合,來確定區(qū)域性大地水準面的高程是一種有效的方法。這種方法要求GPS 觀測點具有水準測量資料且密度適當,分布比較均勻。利用高精度GPS 定位技術精密確定觀測點的大地高程差,并根據建立的適當大地水準面數(shù)學模型,內插出計算點的高程異常或異常差,從而得出特定點的正常高。由成果可知,只要點位分布均勻,密度適中,將精密水準資料與GPS 測量資料相結合,能夠得到高精度的高程測量結果。3結論與展望(1GPS 作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受距離限制,非常適合于國家大地點破壞嚴重地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。(2GPS 測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影

14、響。整個作業(yè)過程全由微電子技術、計算機技術控制,自動記錄、自動數(shù)據預處理、自動平差計算。(3GPSRTK 技術將徹底改變公路測量模式。RTK 能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。(4GPS 測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率。一般GPS 測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。(5GPS 高精度高程測量同高精度的平面測量一樣,是GPS 測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下,往往由于這些地區(qū)地形條件的限制,實施常規(guī)的幾何水準測量有困難,GPS 高程測量

15、無凝是一種有效的手段。App licati on of Gl obel Positi oning System (GPS in Freeway MeasuringAb s trac t The paper shortly narrates devel op ing state of measuring technique for GPS,lists fealures of GPS in measure ment,e mphatically intr oduces the possessd secret of GPS in survey in large p lace of state,the tunnel survey