GPS在高速公路控制網(wǎng)中的應(yīng)用與探討

GPS在高速公路控制網(wǎng)中的應(yīng)用與探討

Summary：著重介紹了用GPS網(wǎng)作為高速公路路線首級(jí)控制測(cè)量的方法，并對(duì)GPS網(wǎng)的選點(diǎn)與布設(shè)、觀測(cè)與聯(lián)測(cè)、誤差來源及精度標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)平差與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等進(jìn)行了分析。同時(shí)還就如何消除測(cè)量中的誤差，提高其測(cè)量精度提出了相應(yīng)的方法。Keys：GPS；控制網(wǎng)；高速公路；測(cè)量引言勘測(cè)設(shè)計(jì)作為公路建設(shè)前期工作一個(gè)重要而必須的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和精度越來越引起了廣大公路建設(shè)者的高度重視。當(dāng)前，隨著高等級(jí)公路尤其是高速公路建設(shè)的發(fā)展，原來傳統(tǒng)的測(cè)量方法已不能適應(yīng)長距離、高質(zhì)量、高精度的建設(shè)需要。全球定位系統(tǒng)（GPS）的問世和發(fā)展，給高速公路測(cè)繪帶來了一場深刻的技術(shù)革命，并且GPS以其觀測(cè)簡便、定位精度高、速度快、可全天候作業(yè)、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，迅速在高速公路測(cè)設(shè)首級(jí)控制中，被廣泛地應(yīng)用。1控制資料的分析與投影面與投影帶的選擇首先到當(dāng)?shù)販y(cè)繪資料部門查尋公路沿線的國家二、三等控制點(diǎn)資料，對(duì)其進(jìn)行分析、歸納，并實(shí)地踏勘，以確定可利用點(diǎn)。而后視測(cè)區(qū)起終點(diǎn)是否在同一帶內(nèi)，確定是否進(jìn)行換帶計(jì)算。我國《國家三角測(cè)量和精密導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：所有大地測(cè)量觀測(cè)成果，都須化算到參考橢球面上。所有國家大地點(diǎn)均按高斯正形投影計(jì)算其在六度帶內(nèi)的平面直角坐標(biāo)。在1:10000和更大比例尺測(cè)圖的地區(qū)，還應(yīng)加算其在3度帶內(nèi)的平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。地面真實(shí)長度歸化到國家統(tǒng)一的橢球面上然后在投影至高斯平面所加改正稱為長度綜合變形。按國家規(guī)定的3度帶投影，若每公里的變形大于2.5cm，應(yīng)取測(cè)區(qū)起終點(diǎn)經(jīng)度的平均精度線為中央經(jīng)線進(jìn)行投影變換，取以測(cè)區(qū)平均高程面為投影面進(jìn)行投影變換。2GPS網(wǎng)的布設(shè)由于公路測(cè)區(qū)多為典型窄長帶狀地形，根據(jù)測(cè)區(qū)地形情況及工程需要，按照國家測(cè)繪局1992年頒布的《GPS測(cè)量規(guī)范》中GPS測(cè)量分級(jí)表相關(guān)規(guī)定，GPS網(wǎng)一般按:級(jí)標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)（橋梁GPS控制網(wǎng)按;級(jí)標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)）。布設(shè)GPS網(wǎng)時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)站聯(lián)測(cè)、衛(wèi)星接收信號(hào)、儀器精度、便于使用等因素，并盡可能使GPS點(diǎn)接近被控制線路。同時(shí)要求路線每隔一定距離有一隊(duì)控制點(diǎn)相通視。以某城市繞城高速公路南線的路線GPS測(cè)量控制為例，為滿足工程設(shè)計(jì)及施工需要。圖形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）GPS網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)視其目的、作業(yè)時(shí)衛(wèi)星狀況、預(yù)期達(dá)到的精度、可靠性及工作效率按優(yōu)化的原則進(jìn)行。（2）通過獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形。（3）網(wǎng)點(diǎn)不要求通視，但應(yīng)利于常規(guī)測(cè)量進(jìn)行加密點(diǎn)心的應(yīng)用。（4）與地面成原有控制網(wǎng)點(diǎn)連接，聯(lián)接處的重合點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)，且分布均勻。（5）應(yīng)利用已有的等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)高程。C—E級(jí)可采用等外水準(zhǔn)或精度相當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行。3觀測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)GPS測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)通常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的距離中誤差表示，公式為：。式中：,s距離中誤差；,a固定誤差；b—比例系數(shù)誤差；D—相鄰點(diǎn)的距離。4野外選點(diǎn)與標(biāo)石埋設(shè)一般情況下GPS點(diǎn)間不要求通視，但考慮多功能的利用，GPS點(diǎn)宜選在高處，視野開闊，且點(diǎn)不易被損壞的地方。另外GPS點(diǎn)不應(yīng)選在具有強(qiáng)反射環(huán)境地方，如山谷、山坡上；避開電磁波強(qiáng)反射源；點(diǎn)位宜選在交通便利的地方。此外應(yīng)考慮其它測(cè)量手段的聯(lián)測(cè)與擴(kuò)展。如果必須將點(diǎn)選在上述不適宜的地方，可以采取削弱反射方法：（1）適當(dāng)變換天線的高度，避開強(qiáng)反射點(diǎn)或者每一時(shí)段采用一種天線高度。（2）根據(jù)線相距的數(shù)值，采用大偏心觀測(cè)方法避開反射波。（3）給天線增設(shè)適當(dāng)大小的微波吸收屏或抑經(jīng)圈。選點(diǎn)人員在實(shí)地選定點(diǎn)位打一木樁，同時(shí)豎立測(cè)旗，按規(guī)范規(guī)定的格式，實(shí)地繪制點(diǎn)位，點(diǎn)位周圍有高于10度的障礙物時(shí)，應(yīng)繪環(huán)視圖。5GPS外業(yè)觀測(cè)具體觀測(cè)GPS外業(yè)觀測(cè)工作包括天線設(shè)置、觀測(cè)作業(yè)、外業(yè)成果記錄和野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢查等。（1）天線設(shè)置：天線設(shè)置是實(shí)現(xiàn)精度定位的前提之一，天線設(shè)置一般應(yīng)符合下列要求：一般應(yīng)將三角架安置在標(biāo)志中心的垂線方向上，直接對(duì)中，特殊情況下，才可進(jìn)行偏心觀測(cè)；需在站標(biāo)的基板上安置天線時(shí)，為防止對(duì)信號(hào)的干擾，應(yīng)將站標(biāo)頂司光臺(tái)拆除，并將標(biāo)志中心投到基板上，依投影點(diǎn)安置天線；當(dāng)點(diǎn)上建有尋常標(biāo)，但測(cè)站間的距離不超過100m，可在站標(biāo)下安置天線，但應(yīng)適當(dāng)延長時(shí)間；天線指北定向誤差不應(yīng)大于GPS；天線底板的圓水準(zhǔn)氣泡必須居中；雷雨天安置天線時(shí)，應(yīng)注意將底盤接地。（2）觀測(cè)作業(yè)：觀測(cè)作業(yè)的主要任務(wù)是捕獲衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行跟蹤接收和處理，以獲取所需的定位和觀測(cè)數(shù)據(jù)。接收機(jī)的自動(dòng)化程度很高，其具體操作方法和步驟因接收機(jī)的類型和作業(yè)模式不同而異。作業(yè)時(shí)觀測(cè)人員只需按操作手冊(cè)執(zhí)行即可。5.1數(shù)據(jù)質(zhì)量(1）逐項(xiàng)檢查，對(duì)比核實(shí)：根據(jù)各個(gè)測(cè)站每個(gè)時(shí)段的信息文件，依次檢查下列各項(xiàng)：站名及時(shí)段號(hào)輸入是否正確，開關(guān)機(jī)時(shí)刻是否同步，天線高度是否現(xiàn)場輸入，待測(cè)衛(wèi)星數(shù)是否齊全，各測(cè)站的數(shù)據(jù)資料是否接近，所測(cè)點(diǎn)位是否準(zhǔn)確。（2）計(jì)算環(huán)路閉合精度，恰當(dāng)評(píng)定GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量：環(huán)路閉合精度是GPS測(cè)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以下公式計(jì)算：環(huán)路閉合精度/坐標(biāo)分量的均方值推算路線的總長度。環(huán)路閉合精度是實(shí)時(shí)、實(shí)地評(píng)定GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)劣的重要手段之一。應(yīng)注意，在計(jì)算同步環(huán)路的閉合精度時(shí)，應(yīng)選包括兩對(duì)角線在內(nèi)的推算環(huán)路，而不要選用環(huán)行路線。環(huán)路的閉合精度不得大于2PPM的限差。5.2聯(lián)測(cè)由于GPS高程點(diǎn)擬合需要.34個(gè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)，控制網(wǎng)中僅有五個(gè)國家控制點(diǎn)提供高程，所以需要聯(lián)測(cè)一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。聯(lián)測(cè)在點(diǎn)（國家控制點(diǎn)）與.GPS點(diǎn)間進(jìn)行，布設(shè)四等水準(zhǔn)路線，采用S3水準(zhǔn)儀，測(cè)得點(diǎn)的高程值。5.3數(shù)據(jù)處理GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理分為觀測(cè)值的粗加工、預(yù)處理、基線向量解算和GPS基線向量網(wǎng)與地面網(wǎng)數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理等基本步驟。粗加工包括數(shù)據(jù)傳輸和分流、數(shù)據(jù)解碼。預(yù)處理包括GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化，時(shí)鐘多項(xiàng)式的擬合和標(biāo)準(zhǔn)化，觀測(cè)值文件的標(biāo)準(zhǔn)化，觀測(cè)文件值的標(biāo)準(zhǔn)化。GPS外業(yè)數(shù)據(jù)處理可由專門的計(jì)算機(jī)軟件來完成。（1）GPS基線成果可靠性指標(biāo)檢測(cè)與方法：將外業(yè)當(dāng)天采集的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，對(duì)當(dāng)天的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線向量處理，以保證外業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)也是對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗(yàn)。根據(jù)自動(dòng)處理輸出的基線質(zhì)量指標(biāo)，檢查基線方差比、周跳數(shù)據(jù)和測(cè)站數(shù)刪除率等。（2）同步環(huán)檢驗(yàn)：根據(jù)自行處理后輸出的基線向量結(jié)果，對(duì)各時(shí)段同步環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)組成GPS網(wǎng)的基線向量所在的同步環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。（3）網(wǎng)平差：網(wǎng)平差利用專用軟件，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行平差，最后提供基準(zhǔn)北京54坐標(biāo)。網(wǎng)平差時(shí)根據(jù)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)使用已有國家控制點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維約束平差。5.4路線勘測(cè)線路在勘測(cè)階段的測(cè)量工作稱為線路測(cè)量，是繼GPS網(wǎng)布設(shè)及導(dǎo)線測(cè)設(shè)后的為設(shè)計(jì)收集一切必要的地形資料的工作，為編制施工圖收集資料。它包括路線布設(shè)、中線測(cè)設(shè)、基平和中平測(cè)量、地形圖測(cè)量、橫面測(cè)量、大中橋位測(cè)量及沿線經(jīng)濟(jì)和環(huán)境、筑路材料、地質(zhì)、水文、氣修和整地拆遷、地上（地下）管線等情況調(diào)查和測(cè)量。6結(jié)論ＧＰＳ技術(shù)以其精度高、速度快、全天候、多功能的優(yōu)勢(shì)迅速滲透到我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究等相關(guān)領(lǐng)域，尤其是在布設(shè)各種精密工程控制網(wǎng)中，ＧＰＳ定位技術(shù)幾乎完全取代了常規(guī)測(cè)量方法。ＧＰＳ在高速公路建設(shè)中也發(fā)揮了重要作用，用于建立各階段工程控制網(wǎng)、施工放樣等。由于公路線路長，已知點(diǎn)少，工期要求等特點(diǎn)，使得采用常規(guī)測(cè)量