GPS系統(tǒng)在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

劉新強(qiáng)

(新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處)

1 GPS系統(tǒng)的構(gòu)成與技術(shù)特征

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

從GPS系統(tǒng)的整體看其主要由三個(gè)部位組成，一個(gè)是衛(wèi)星、地面監(jiān)控站、用戶接受分析設(shè)備。其中衛(wèi)星系統(tǒng)就是指由衛(wèi)星組成的一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)有24顆衛(wèi)星組成，分布在不同的六個(gè)軌道面上，其傾斜的角度為55°，衛(wèi)星在太空中的環(huán)繞地球運(yùn)行，其時(shí)間周期為固定。在環(huán)繞飛行中衛(wèi)星用固定波段向地面的用戶進(jìn)行連續(xù)不斷的發(fā)射載波信號(hào)，用于導(dǎo)航與定位，導(dǎo)航定位信號(hào)保護(hù)的是衛(wèi)星自身的位置數(shù)據(jù)，使得每一個(gè)衛(wèi)星成為一個(gè)參考點(diǎn)。這樣的衛(wèi)星網(wǎng)可以讓地球上的任何一點(diǎn)、時(shí)刻在高度15°上都可觀測(cè)到衛(wèi)星，并利用其定位。

地面監(jiān)控系統(tǒng)是分布在地面上的主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站構(gòu)成，主控站是對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)站所采集的衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)衛(wèi)星的軌道參數(shù)與時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)據(jù)編譯成為導(dǎo)航電文，傳輸至注入站，并經(jīng)由注入站傳輸至相應(yīng)的衛(wèi)星存儲(chǔ)裝置中備用。

用戶端設(shè)備，主要是利用GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理芯片、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，主要的功能是按照衛(wèi)星的高度與截止角選擇待測(cè)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡與之進(jìn)行信號(hào)的交換，放大并進(jìn)行處理，利用軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出接收機(jī)所在位置的三維坐標(biāo)。

1.2 GPS計(jì)算測(cè)量的特點(diǎn)

測(cè)量的精度高，瑪利亞GPS完成觀測(cè)其精度明顯高于常規(guī)計(jì)算，在小于50 km的基準(zhǔn)線上，其定位的精度可以高達(dá)1×10-6，這樣的精度是普通測(cè)量方法所不能達(dá)到的;同時(shí)可以不需要通視環(huán)境即可完成測(cè)量，在利用GPS進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，不需要觀測(cè)站之間保持通視，可以根據(jù)實(shí)際的測(cè)點(diǎn)需要進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，選點(diǎn)方式更加的靈活，適應(yīng)性強(qiáng);觀測(cè)效率高，隨著GPS技術(shù)在電子技術(shù)的幫助下日趨完善，其觀測(cè)的速度也不斷提高，加之軟件技術(shù)的幫助，利用GPS進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，靜態(tài)環(huán)境下定位每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要的時(shí)間很短，動(dòng)態(tài)環(huán)境下僅需要幾秒鐘就可完成定位，效率之高有目共睹;設(shè)備相對(duì)簡單容易操控，電子芯片的發(fā)展使得GPS接收設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，實(shí)現(xiàn)了智能化，使用人員只需對(duì)正、調(diào)整、獲得天線高度開機(jī)后設(shè)定參數(shù)就可完成自動(dòng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)記錄;可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，以往的觀測(cè)需要受天氣的影響，而GPS衛(wèi)星數(shù)量多且分布均勻可以保證其在任何時(shí)間、地點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)持續(xù)觀測(cè)，通常不會(huì)受到氣候因素的影響;所提供的數(shù)據(jù)為三維虛坐標(biāo)，在GPS測(cè)量中除了精度高以外，其優(yōu)勢(shì)是可以同三維坐標(biāo)，其井底則可以滿四等水平。

2 GPS技術(shù)的在公路工程中應(yīng)用的基本要點(diǎn)

2.1 測(cè)點(diǎn)選擇要點(diǎn)

在利用GPS進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候不需要進(jìn)行測(cè)點(diǎn)之間的通視，圖形結(jié)構(gòu)比較靈活而容易構(gòu)建，測(cè)點(diǎn)的選擇則應(yīng)考慮到GPS測(cè)量的特殊性質(zhì)，兼顧其后續(xù)的測(cè)量，選擇電點(diǎn)位的時(shí)候最好可以與某一個(gè)點(diǎn)通視，這樣可以利用結(jié)果方便后續(xù)測(cè)量;測(cè)點(diǎn)的周圍的15°范圍內(nèi)不應(yīng)有障礙而導(dǎo)致信號(hào)受到影響或者吸收;測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無線發(fā)射裝置、高壓線等，避免信號(hào)受到電磁干擾而失真;測(cè)點(diǎn)應(yīng)保證事業(yè)開闊，交通方便且利于擴(kuò)展，方便保存，這樣可以方便觀測(cè)與日后的應(yīng)用;測(cè)點(diǎn)觀測(cè)后應(yīng)利用石標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記，并填寫記錄。

2.2 觀測(cè)要點(diǎn)

按照GPS作業(yè)的調(diào)度表對(duì)觀測(cè)進(jìn)行安排，應(yīng)采用靜態(tài)定位的方式，衛(wèi)星高度角為14°，觀測(cè)時(shí)間持續(xù)45 min，采用頻率為10″間隔。在三個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安放接收設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，量取天線的高度，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)開機(jī)進(jìn)行觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到參數(shù)要求時(shí)，按照操作手冊(cè)輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，此時(shí)接收機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄，觀測(cè)人員需要填寫觀測(cè)手薄。

3 GPS系統(tǒng)在公路工程測(cè)量的實(shí)例分析

公路測(cè)量中主要應(yīng)用的是GPS的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量功能。靜態(tài)功能通過接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信息進(jìn)行接收與處理，獲得地面測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而動(dòng)態(tài)功能則是通過衛(wèi)星系統(tǒng)將已知三維測(cè)點(diǎn)的定位點(diǎn)放樣到實(shí)際的地面上，確定其位置。在實(shí)際的應(yīng)用中經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，GPS技術(shù)在公路工程的勘測(cè)中可以突出其優(yōu)勢(shì)并獲得較好的測(cè)量成果。下面就以某工程為例進(jìn)行介紹。

3.1 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

某段國家公路施工路段，為連接某區(qū)域的高速公路，其公路穿越的地區(qū)地物地貌較為復(fù)雜，部分區(qū)域不能完成通視的測(cè)量需要，為了提高測(cè)量的精度，在公路有地物遮擋的位置進(jìn)行加密控點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以此滿足測(cè)量的需求。

3.2 GPS的靜態(tài)功能實(shí)現(xiàn)

測(cè)量中首先是利用GPS的靜態(tài)測(cè)量方法，按照制定的測(cè)量方案，將三臺(tái)GPS接收裝置放置在對(duì)應(yīng)的三個(gè)測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，直至將整個(gè)環(huán)路上的測(cè)點(diǎn)測(cè)量完畢，觀測(cè)的數(shù)據(jù)井平差計(jì)算，所得到的就是相應(yīng)的坐標(biāo)系坐標(biāo)，并進(jìn)行記錄。

3.3 測(cè)量驗(yàn)證

在GPS測(cè)量完成后應(yīng)利用大地測(cè)量的方式對(duì)其觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，兩種測(cè)量方式本身測(cè)量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型誤差，以及在平差計(jì)算過程中測(cè)量的配置等都會(huì)引起兩種測(cè)量的結(jié)果存在一定的差異，經(jīng)過比較其差值都在測(cè)量要求的范圍內(nèi)，因此GPS所測(cè)量的結(jié)果精度已經(jīng)滿足了測(cè)量的需求。

3.4 GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量

因?yàn)闇y(cè)量的區(qū)域內(nèi)存在起伏較大的地形，尤其是在區(qū)域內(nèi)還存在一個(gè)大型達(dá)的森林所以在利用GPS進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候除了利用靜態(tài)測(cè)量外還利用了動(dòng)態(tài)測(cè)量的方式，即利用GPS的RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)其中線進(jìn)行恢復(fù)與校驗(yàn)，保證其準(zhǔn)確性。利用已知的控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在某個(gè)點(diǎn)上架設(shè)GPS季準(zhǔn)臺(tái)，利用兩臺(tái)GPS接收機(jī)分別安置在相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)量一些列的三維坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)保持測(cè)量5″。然后根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算出實(shí)際的邊長，應(yīng)用在工程測(cè)量中。

4 結(jié)束語

在實(shí)際的應(yīng)用中GPS所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)是不可比擬的，尤其是在公路工程的測(cè)量中優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:作用的精度較高，其測(cè)量不受環(huán)境與距離的限制，適應(yīng)在較為復(fù)雜的地形或者條件受限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，且精度較高;利用GPS測(cè)量可以提高測(cè)量工程的質(zhì)量，因?yàn)槠渲饕且揽啃l(wèi)星作用數(shù)據(jù)測(cè)量的參考物，同時(shí)衛(wèi)星信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)作業(yè)過程也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，利用計(jì)算機(jī)可以很快的完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理與平差計(jì)算;動(dòng)態(tài)GPS同樣也成為了公路測(cè)量的主要技術(shù)，其應(yīng)用將側(cè)地改變測(cè)量的模式，此技術(shù)非常適應(yīng)對(duì)路線、橋梁、隧道的勘測(cè)，可以直接進(jìn)行實(shí)地放樣，中樁測(cè)量、點(diǎn)位確定等工作;GPS的全自動(dòng)化操作大幅度的降低了技術(shù)人員的外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，減少了一些砍伐工作，效率也隨之提高，GPS技術(shù)比常規(guī)的測(cè)量方法的效率提高了幾倍。

[1]徐貴南.GPS在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用[J］.鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2010，(1).

[2]王建民.GPS技術(shù)在公路工程測(cè)量項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[J］.科技資訊，2010，(1).

[3]余金巧.GPS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用[J］.山西建筑，2011，(26).

[4]王小喆，韓東.GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用[J］.智能建筑電氣技術(shù)，2009，(4).

[5]劉貴洲.基于公路工程測(cè)量中GPS的應(yīng)用研究[J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(16).