GPS在公路工程控制測量中的應用探析

李滿慧

摘 要：GPS 全球定位系統是美國研制并在 1994 年投入使用的衛星導航與定位系統， 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。本文概略敘述 GPS 系統在公路工程控制測量中的應用。

關鍵詞：GPS；公路；工程；控制；測量

GPS 全球定位系統在公路工程測量中的應用，在最近的兩年得到了迅速推廣， 這主要依靠于 GPS系統可以向全球任何用戶全天候地連續提供高精度的三維坐標、 三維速度和時間信息等技術參數。

一、GPS 系統的組成

GPS 全球定位系統由空間衛星群和地面監控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛星接收設備。

1.1 空間衛星群

GPS的空間衛星群由 24 顆高約 20 萬公里的 GPS 衛星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為 60 度，軌道和地球赤道的傾角為 55 度，衛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GPS衛星發送出的信號。

1.2 GPS 的地面控制系統

GPS的地面控制系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站，主控站的作用是根據各監控站對 GPS 的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等并將這些數據通過注入站注入到衛星中去； 同時還對衛星進行控制， 向衛星發布指令， 調度備用衛星等。監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態。注入站的作用是將主控站計算的數據注入到衛星中去。GPS 地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

1.3 GPS的用戶部分由

GPS 接收機、數據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衛星發出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發展，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。

二、GPS 的工作原理

GPS 系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置 P 點架設 GPS 接收機，在某一時刻同時接收了3 顆（A、B、C） 以上的 GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻 GPS 接收機至 GPS 衛星的距離SAP、SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置 （三維坐標）。從而用距離交會的方法求得 P 點的維坐標，在 GPS 測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統。在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換， 來求出所使用的坐標系統的坐標。 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。

三、GPS 測量的技術特點

3.1測站之間無需通視

測站間相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。

3.2 測量精度高

GPS觀測的精度明 顯高于一般常規測量，在小于50 km 的基線上，其相對定位精度可達1×10-6，而在大于1000 k m的基線上可達1×10-8。

3.3 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般在30 mi n～40min 左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。

3.4 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。

3.5 操作方便

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機械化，觀測人員只需將天線對中、正平，量取天線高度，打開電源即可進行自動觀測，利用數據處 理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。

3.6 全天候作業

GPS觀測可在任何地點、任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況影響。

四、GPS 系統在公路工程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：靜態功能和動態功能靜態功能是通過接收到的衛星信息，確定地面某點的三維坐標；動態功能是通過衛星系統，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上控制測量中推廣使用了靜態功能這一技術，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。

4.1 高速連接線控制測量

1）建立布網方案高速連接線地物地貌較為復雜，部分區域和方向有遮擋，該測區內原有BJ54 坐標系的 E級控制點二個（已知起算點），根據工程需要在附近沿線加密控制點，以便于測設。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連接線控制網采用測邊網，高程采用測距三角高程，按照觀測技術要求進行施測。3）GPS靜態測量法。GPS 靜態測量法就是根據制定的觀測方案，將三臺天寶4800GPS 接收機安置在待定點（a2，c1，c2，c3）上同時接收衛星信號，直至將所有環路觀測完畢。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 ，因此可以滿足高速連接線加密施工控制網的精度要求。

4.2 GPS的動態測量（RTK）在新建工程的應用

對周圍地勢起伏較大的新建道路工程，規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定，這種要求一般在實際作業中難以達到，往往出現超規范作業。通常用全站儀和測距儀通過導線形式對此種路段進行控制測量。

五、結語

可以看出GPS 在公路工程的控制測量上具有很大的發展前景：它的作業不受環境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區局部重點工程地區等。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。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。GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率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。

參考文獻

[1] 徐貴南.GPS在公路工程控制測量中的應用[J].鐵道勘測與設計，2010.1

[2] 徐文財，吳清華.GPS在公路工程控制測量中的應用[J].黑龍江科技信息，1996.3

[3] 張相群.GPS在公路工程控制測量中的應用[J].智能交通，2009.8