GPS在公路勘測中的應用

龔長兵,李 寅

(黑龍江省航務勘察設計院)

GPS即全球定位系統,是利用GPS接收機接收衛星信號實現導航定位的一種高新技術,其空間部分由 24顆工作衛星和 3顆備用衛星組成,衛星軌道高度 20200km,這些衛星的空間布局可以保證在地球的任一點和任一時刻均可利用GPS信號接收機接收 4顆以上衛星的信號。在公路工程中,運用GPS將使傳統的公路測量方法發生根本的變革,對提高公路勘測設計的自動化水平具有重要意義。

1 GPS在公路初測控制測量中的應用

公路初測的主要任務是根據路線的基本走向布設控制點進行平面控制測量和高程控制測量,作為測繪路線地形圖、定線測設和施工放樣的重要基礎。利用GPS可以代替傳統的導線法進行路線控制測量,并具有布網靈活、外業觀測速度快、定位精度高等優點,經內業處理可在統一坐標系下提供控制點的三維數據信息。在測繪領域,應用GPS進行控制測量已經取得了成功,以下就公路工程勘測的特點論述應用GPS進行路線初測控制測量的方法及應注意的重要問題。

1.1 GPS路線控制測量等級的確定與CPS接收機的選擇

利用GPS進行路線測量首先應根據工程需要確定GPS控制網的等級,公路 GPS控制測量分為一級、二級、三級、四級共 4個等級。對大型橋梁和隧道工程的控制網應采用一、二級精度等級,三級可作為高速公路路線的首級控制網,四級控制網可作為高速公路的施工控制網,控制點間的平均距離以 500m較為適宜。在具體的布設中可以分級布設,也可以越級布設或布設同級的全面網。各等級控制網相鄰點間的弦長精度用下式表示Q=(a2+bd)1/2。式中:Q為GPS基線向量的弦長中誤差;a為GPS接收機標稱精度的固定誤差;b為GPS接收機標稱精度的比例誤差。

應用GPS進行路線控制測量,GPS接收機是完成任務的關鍵設備,使用時必須對其性能與可靠性進行檢驗,檢驗內容包括一般性檢驗、通電檢驗和實測檢驗。近幾年國內引進了許多種GPS接收機,就頻率而言,大致可分為單頻和雙頻兩類。其中,雙頻接收機的優點是點間距離不受限制,邊長大于 20km時可基本上消除電離誤差對點位坐標的影響。此外,在快速靜態和動態測量中,能快速地解算整周模糊值,從而使觀測時間比單頻機少,但價格較高,用于精密相對定位時雙頻機精度可達5mm+1ppmD(D為基線長度km),單頻機的精度在一定距離內精度一般可達 10mm+ 2ppmD,因此一般在基線較長和應用快速定位模式測量時可采用雙頻接收機,其他對一般公路控制測量可采用單頻機。

1.2 GPS路線控制測量的作業模式

近幾年來,隨著GPS定位后處理軟件的發展,為確定兩點間的基線向量,有多種測量模式可供選擇,采用哪種 GPS作業模式與要求達到的精度、地形及擁有的設備情況有關。

(1)靜態定位作業模式。

采用兩臺或兩臺以上的GPS接收機,分別安置在不同控制點上設站構成基線,對 4顆以上衛星進行一個時段的同步觀測。每個時段長約45min至1.5h,以正確確定再波相位的整周未知數 No,所有已觀測基線應組成一系列的閉合圖形,以利于外業檢核提高成果的可靠度。這種模式基線的相對定位精度可達5mm+1ppmD。此模式精度高完全可以滿足各級路線控制測量的要求。

(2)快速靜態定位作業模式。

在測區中選擇一基準站并安置一臺接受機連續跟蹤所有可見衛星,另一臺接收機依次在各待定點上設站。由于采用了一種快速解算整周未知數的算法,每點只觀測數分鐘,使作業效率大為提高,但應注意待定點與基準點間距離不應超過 20km,觀測時段內應保證有 5顆以上的衛星可供觀測,由于兩臺接收機工作時構不成閉合圖形,不能進行閉合差檢驗,可靠性較差,不宜用于對測量精度有特殊要求的橋梁、隧道等特殊構造物的測量控制網。此作業模式特別適用于短基線的測量及工程控制點的加密定位,且采用雙頻接收機效果更佳。

1.3 GPS數據處理及高程問題

(1)GPS數據處理。

GPS接收機采集記錄的原始數據為載波、偽距和衛星星歷等,從原始觀測值得到滿足需要的定位。

(2)GPS高程問題。

GPS相對定位得到的基線向量,通過網平差后可求得各GPS點的WGS-84坐標系中的大地高H84,而公路勘測所用的地面點高程是相對于似大地水準面的正常高程Hr,兩者之間的差值稱高程異常,用公式可表示為

Hr=H84-ξ

由上式可知,在已知GPS點大地高 H84的情況下,只要求得高程異常值,即可求得公路勘測需要的正常高 Hr。為此,可通過聯測已知水準點進行數學曲面擬合的原理求解。

2 應用RTK技術進行公路定線測量

2.1 RTK技術的基本原理

RTK(RealTimeKinematic)是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術,是GPS測量技術發展中的一個新突破。其基本原理是在基準站上安置一臺 GPS接收機,對所有可見衛星進行連續觀測,并將其觀測數據通過發射臺實時地發送給流動觀測站。在流動觀測站上,GPS接收機在接收衛星信號的同時通過接收電臺接收基準站傳送的數據,然后利用電子手簿根據相對定位的原理,實時地求解出厘米級的流動站的動態位置(X,Y,H),這項技術可用于測圖和點位放樣等工作。在路線勘測中,應用 RTK技術進行公路定線測量,可同時一次完成傳統測量方法中的放線、中樁、中平 3項工作,且僅需要 1～2人操作,可大大提高作業效率。

2.2 RTK技術定線測量

傳統定線測量的方法需分組進行放線、中樁、中平等工作,測量效率低,手工記錄測量數據,難以實現與計算機內業設計的數據傳輸。把RTK技術應用于公路定測階段的定線測量可較好地解決這些問題。

應用RTK技術進行公路定線測量的基本作業方法如下。

(1)在路線控制點上架設GPS接收機作為基準站,流動站測設路線點位并打樁作業。

(2)根據所設計的路線參數(圓曲線半徑、緩和曲線要素、交點坐標、起始方位角等),利用路線計算程序計算路線中樁的設計坐標。也可將路線計算程序集成于GPS接收機所配套的電子手簿中,在現場輸入樁號,隨時計算坐標。

(3)將路線中樁的設計坐標從微機中傳輸到電子手簿(或手工輸入)。

(4)在流動站的測設操作下,只要輸入要測設的參考點號,然后按解計算鍵,顯示屏可及時顯示當前桿位和到設計樁位的方向與距離,待移動至設計點位時,顯示屏圖形顯示桿位與設計點位重合,在桿位處打樁寫號即可。這樣逐樁進行,可快速在地面上敷設中樁并獲取地面高程,因此可一次完成傳統測量方法中的放線中樁和中平等作業內容。

(5)在每個樁位按控制器的記錄鍵,將樁號、坐標、高程記錄于電子手簿的存儲器,實現無紙化記錄。內業傳輸至計算機,利用路線CAD軟件可方便地進行縱斷的設計,實現與路線CAD的集成利用。

3 結束語

將GPS應用于公路建設,給傳統的公路勘測作業方式帶來了巨大沖擊,使公路測設水平顯著提高。特別是 GPS實時動態定位技術(RTK)應用于道路地形測繪、定線測量、施工放樣測量等工作可達到厘米級的精度,可方便地進行數據的儲存傳輸,實現與路線CAD的集成。在公路勘察設計單位還是公路施工單位均具有重要的作用,而具備RTK功能的GPS接收機價格昂貴,所以在道路建設施工單位推廣應用目前有一定難度。但是,由于一個 RTK基準站可以與許多流動接收機配合使用,如果加高基準站天線和加大電臺功率,數據通信范圍可達幾十至上百公里,所以在高等級公路建設中,公路勘察設計部門和施工單位可共同設立RTK系統,實現資源共享,每個合同段的施工單位只需購置RTK流動設備即可,這樣不僅能節約投資,還能加快工程進度。