GPS在公路工程控制測量中的應用

1、GPS在公路工程控制測量中的應用(內蒙古交通建設監(jiān)理咨詢公司內蒙古 海拉爾 021008)作者：郭世杰 蘇和【摘摘要】GPS (Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是美國研制并在1994年投入使用的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。其應用技術已遍及國民經濟的各個領域。在測量領域，GPS系統(tǒng)已廣泛用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個方面。本文將以呼倫貝爾市的國道301線牙克石至海拉爾一級公路項目為例，概略敘述GPS系統(tǒng)在公路工程控制測量中的應用。關鍵詞：GPS定位系統(tǒng)公路工程控制測量應用、概述GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)

2、在公路工程測量中的應用,在最近的幾年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術參數(shù)。我們先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，工作原理以及在測量領域的應用特點。1.1GPS系統(tǒng)的組成GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛(wèi)星接收設備。1.1.1空間衛(wèi)星群 GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60，軌道和地球赤道的傾角為55，衛(wèi)星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆G

3、PS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。1.1.2 GPS的地面控制系統(tǒng) GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。1.1.3 GPS的用戶部分由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成,其作用是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進行導航定位等。

4、在測量領域，隨著現(xiàn)代的科學技術的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術指標為工程測量帶來了極大的方便。例如：我們在控制測量中使用的天寶(Trimble)4800GPS測地型接收機其技術指標為:雙頻主機、天線，RTK電臺一體化;獨特的電池設計、無需接線，使用4h以上;5次/秒的快速位置更新，可靠的衛(wèi)星超跟蹤技術;新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA數(shù)據(jù)存儲卡；測量精度：靜態(tài)測量Smm+lppmP點架設GPS接收機，在某一SAP 2=(Xp-XA)2+(Y p-YA)2+(Z p+ZA)2SBP 2=(Xp-XB)2+(Y p-YB)2+(Z p+ZB)2SCP 2=(

5、Xp -XC)2+(Y p-YC)2+(Z p+ZC)2式中（XA，YA，ZA）, （XB，YB，ZB）, （XC，YC，ZC）分別為衛(wèi)星 A，B，C在時刻ti的空間直角坐標。在GPS測量中通常采用兩類坐標系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標系統(tǒng),另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，稱地固坐標系統(tǒng)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統(tǒng)。（如:WGS-84世界大地坐標系和1980年西安大地坐標系。）在實際使用中需要根據(jù)坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù)進行坐標系統(tǒng)的變換，來求出所使用的坐標系統(tǒng)的坐標。這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應用。GPS測量的技術特點相對于常規(guī)

6、的測量方法來講，GPS測量有以下特點:2.1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，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。2.2定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為 5mm+1 ppm，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，在小于右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS 接收機的RTK法可在5s以可以精確測定觀測站的大地高程。RTK測量10mm十1ppm (平面)20mm 十 ippm(高程)這些技術指

7、標充分的滿足了控制測量的精度要求。1.2 GPS的工作原理GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。在需要的位置時刻ti同時接收了 3顆（A、B、C）以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標）。從而用距離交會的方法求得P點的三維坐標（Xp,Yp , Zp）,其數(shù)學式為:50公里的基線上，其相對定位精度可達12X10-6，而在100500公里的基線上可達 10-610-7。2.3觀測時間短。觀測時間短采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一

8、般在3040min左內求得測點坐標。2.4提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,2.5操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。 目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只 需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理即求得測點三維坐標。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。2.6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。三、GPS系統(tǒng)在實際測量工作中的應用,公路工程的測量主要應用了 GPS的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點的三維坐標

9、；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。呼倫貝爾市的國道 301線應用GPS測量是于2002年開始的,2003年在牙克石至海拉爾一級公路項目80.32公里的中線測量和 2004年在海拉爾至滿洲里一級公路189.98公里的控制測量中推廣使用了靜態(tài)功能這一技術。據(jù)呼倫貝爾市公路勘察設計院有關專家介紹,經過多次的復測驗證，GPS技術定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設計和公路建設的精度要求。3.1國道301線牙克石至海拉爾一級公路第三標段控制測量3.1.1建立布網方案國道301線牙克石至海拉爾一級公路位于內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市境內，起迄樁號為K316+731.38 K397+

10、051.56，全長80.32公里，路基寬24m,路面寬2X 7.5m。沿線地形山低坡緩，丘陵起伏平緩，丘頂平坦而寬闊的微丘區(qū)。第三標段測區(qū)內原有BJ54坐標系的控制點二個（已知起算點），其中a1 （X=519101.952 , Y=5447355.019 , H=636.014), b1 (X=503316.051 , Y=5450610.312 , H=617.695),根據(jù)工程需要在各公里整樁號附近加密控制點，以便于測設，建立控制網。3.1.2大地測量法主要采用大地測量儀器如經緯儀、全站儀、測距儀等。國道301線牙克石至海拉爾一級公路控制網采用測邊網，高程采用測距三角高程，按照觀測技術要求

11、進行施測。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)處理并進行平差計算。3.1.3 GPS靜態(tài)測量法GPS靜態(tài)測量法就是根據(jù)制定的觀測方案，將三臺天寶4800G PS接收機安置在待定點上同時接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。觀測數(shù)據(jù)經平差計算得到54北京坐標系的坐標。3.1.4大地測量法與GPS測量法結果比較。由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標轉換數(shù)學模型誤差以及在平差計算中觀測量權配置等因素引起兩種測量方法的結果存在一定的差值，由于其三維坐標差值均小于10mm，因此可以滿足國道 301線牙克石至海拉爾一級公路加密施工控制網的精度要求。3.2 GPS的動態(tài)測量（RTK ）在國道301線牙克石至海拉爾一級公路工程

12、的應用大范圍的密林、房屋地屋段使通視較為困難，而規(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和結點導線結點間距等指標都有嚴格規(guī)定，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)。內蒙古交通監(jiān)理公司于2003年用10人花費20天時間，用全站儀和測距儀通過導線形式完成了該路段進行了控制測量。在工程開工前對該路段實施GPS的RTK動態(tài)測量，對中線進行恢復和校核。以已知控制點JD4、JD5為基準點，然后在基準點 JD4上架設GPS基準臺，用GPS伯 和GPS2兩臺天寶（Trimble ） 4800GPS接收機分別安置

13、在控制點上，測出點HZ4、ZD7、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三維坐標，每點測量時間為5s。根據(jù)所測坐標計算出相應邊長值。為驗證工程在控制測量的精度，我們分別以JD4和JD5為基準站對原加密的控制點也進行了 RTK測量，進行了坐標比較。運用GPS測量的基線有14條，邊長差值最大為 16mm?？刂泣c坐標測量點數(shù) 7點，除E點發(fā)現(xiàn)有人為的破壞痕跡外，三維坐標能夠比較的元素有27個，差值小于施工測量規(guī)范規(guī)定的要求，從以上比較可知，RTK測量可以用于工程的控制測量是非常有效的新技術。原來10人20天的外業(yè)任務，使用 GPS測量僅用5人6小時時間，可見利用 GPS測量能大大提高作業(yè)的效率，減輕勞

14、動強度，保證了高等級公路測設質量。四、小結通過以上對 GPS測量的應用事例的探討，可以看出GPS在公路工程的控制測量上具有很大的發(fā)展前景:GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。第二GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。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(jù)預處理、自動平差計算。第三GPSRTK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。第四GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，

15、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。人民交通出版社第五GPS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高程測量無疑是一種有效的手段。相關文獻1公路工程技術標準交通部公路科學研究所人民交通出版社2、 公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范交通部公路科學研究所3、 公路勘測規(guī)范交通部公路科學研究所人民交通出版社4、 公路路線設計規(guī)范交通部公路科學研究所人民交通出版社（郭世杰男助理工程師 內蒙古交通監(jiān)理公司 方向路橋

16、及工程監(jiān)理）蘇和 男助理工程師內蒙古交通監(jiān)理公司研究能”，是以眾議舉寵為督：愚以為營中之事,兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內，忠志 之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜 妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下 平明之理；不宜偏私，使內外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚以為宮中之事, 事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。將軍向寵，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰 悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時，每與臣論此事, 未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之 隆，可計日而待也 UO臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草 廬之中，咨臣以當世之事，由是感激，遂許先帝以驅馳。后值傾覆，