淺談GPS技術在公路施工中的應用及存在問題

袁皓琛

【摘 要】本文介紹了在二級公路施工控制網及工程施工現場如何應用GPS測量技術，筆者還結合工程實踐經驗，簡單總結了GPS測量技術在實際工程施工應用中存在的問題以及應注意的事項。

【關鍵詞】GPS測量技術；工程施工；應用

1 GPS系統簡介

1.1 GPS系統概況

GPS系統的全稱是衛星測時導航/全球定位系統（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System），它是美國國防部于1973年12月批準研制的以衛星為基礎的無線電導航定位系統，整個系統由三大部分組成——空間GPS衛星星座、地面監控系統以及用戶設備GPS接收機。該系統具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續性、實時性的導航、定位和定時的功能，它可以向數目不限的全球用戶連續地提供三維坐標、速度及時間信息。

全球導航衛星系統（GLONASS）與美國的GPS相似，該系統也開設民用窗口。GLONASS技術，可為全球海陸空以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。GLONASS在定位、測速及定時精度上則優于施加選擇可用性（SA）之后的GPS。

筆者所在項目部購入并使用的是美國拓普康公司最新研制的TOPCOM Hipver V GPS系統，由一個基站和兩個流動站及手簿組成，該套系統除了能夠接收美國GPS衛星系統的信號外，還能夠接收俄羅斯格洛納斯GLONASS衛星系統所發射的信號進行定位，進一步提高了觀測的精度。

1）定位精度高。實踐證明，用載波相位觀測量進行靜態相對定位在小于50km的基線上可達1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（1h以上觀測）；實時動態定位（RTK）可達厘米級的精度。

2）觀測時間短。目前，20km以內靜態相對定位的時間僅需45-60min，快速靜態定位只需2min左右，實時動態定位每站觀測1～2s就可完成。測站間無需通視。這是GPS技術區別于常規測量的最大優點，尤其是布設導線點，可省去大量的傳算點、過渡點的測量，大大減少測量作業時間和費用，同時也使選點布網變得非常靈活。

3）操作簡便。GPS接收機自動化程度非常高，進行工程測量時，測量員安置儀器的工作簡化為安置儀器、連接線纜（一體化機則不需要）、量取天線高、開關機及監視儀器工作狀態，假設基站時間遠遠低于全站儀架站時間，并且無需額外觀測后視，提高了有效測量工作時間，在信號能夠接收的范圍內無需像全站儀一樣進行轉站。

4）全球全天候測量。目前GPS及GLONASS衛星數已達30顆以上，正常情況下隨時都可以進行測量定位。除雷電、臺風、強電磁干擾情況下不宜觀測外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不影響，這一點也是使用全站儀進行測量放樣工作所無法比擬的。

2 GPS技術在公路工程施工中的實際應用

GPS定位的基本原理是根據幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛星及其與地面點間距離來交會出地面點位置，從測量的角度來說，它與測距后方交會法相似。為了減少衛星本身及信號傳播過程產生的各種誤差，人們經過多年研究和實踐，總結出多種不同用途、不同精度的定位技術和方法，在現階段工程施工中應用較多的主要是經典靜態相對定位（載波相位靜態相對定位）和實時動態相對定位（RTK）兩種。筆者所在公路項目，在日常的測量放樣工作中更多的使用實時動態定位技術（即RTK測量）進行路基、橋涵的放樣工作。而經典靜態相對定位則應用于本項目年初（2014年）進行導線復測工作，下面即對這兩種不同的相對定位在工程實際應用的介紹。

2.1 經典靜態相對定位（靜態模式）

筆者所在張恭項目部在購入TOPCOM GPS系統時即已考慮到導線測量的需要，購入的機型即為“1+2”形式（一基站兩流動站），已滿足GPS測量對導線測量的最低構建三角形基線的需要，故在2014年2月21日進場后即使用GPS系統對張恭二級公路進行了復測。僅用了四天即完成了全線24.465Km的導線復測工作，極大的提高了工作效率并節省了人力物力，現簡要介紹一下具體工作。

2.1.1 GPS導線測量的流程

1）GPS控制網復測前，筆者所在測量組首先進行了現場勘查，檢查標石的完好性，經過現場勘查，本標段范圍內現存GPS控制點8個；GPS控制網復測的作業方法、精度指標、使用儀器均按《全球定位系統（GPS）測量規程》中E級GPS網精度標準進行；

2）導線復測組員共六人并配備一臺車輛，兩人一組，每組使用一臺GPS；

3）復測時將各機架設在GPS點上，采用同步靜態觀測模式，以GPS對點作為聯結邊，采用邊聯式構網，GPS形成大地三角形組成的帶狀網；

4）三臺儀器同步（開機時間應精確至分鐘）開機觀測一小時后關機，位于小里程的一組測量員將儀器轉至下一個未測GPS點上整平對中，與前一個觀測時段結束后未移動的剩余兩臺GPS新構建三角網后同步開機進行測量，該過程循環進行并每次均保證下一個測量時段時三臺GPS中有兩臺GPS位于上個測量時段觀測的兩個GPS點上，一臺位于新測量的GPS點上；

5）觀測過程中按規定填寫觀測手簿，對觀測點點名、儀器高、儀器號、時間、日期、以及觀測者姓名均詳細記錄，待數據處理時使用。

2.1.2 GPS導線測量的數據處理

使用GPS靜態模式進行導線復測數據記錄后，即轉入測量數據后處理階段，此時使用topcom Pinnacle數據處理商用軟件對靜態測量數據按靜態相對定位模式進行雙差固定解求解，并使用該軟件基于GPS84坐標系進行無約束平差。經過數據整理后，本次GPS導線測量最弱環相對中誤差為1/215248，平差后最弱點的點位中誤差為3.3mm，本次GPS復測網的精度達到E級GPSGPS網精度，復測平面點位精度滿足《全球定位系統（GPS）測量規程》、《公路GPS測量規范》標準中的規定要求。

2.1.3 GPS導線測量的優勢及存在問題

經過筆者實踐使用，GPS測量在導線測量中相比全站儀測量導線，具有使用操作簡便、工作效率高、人為操作誤差降低、大大縮短全站儀導線測量時間等優點，就不一一贅述。但是同時，GPS進行導線測量也有短板不足之處，例如受天氣影響，若大氣中電磁干擾較強，儀器接收到的衛星數不能滿足最低星數的需要，則不能進行正常工作；受地形限制，在山大溝深，樹林茂密的環境下，也對儀器接收衛星信號存在較大干擾；其次，在電塔或移動電話網絡基站附近，也對儀器接收衛星信號存在較大干擾；同時，隧道內GPS受環境影響，不能在洞內進行導線測設，但是可在隧道洞口布設GPS導線控制點。以上幾點是筆者在日常使用中所發現的問題。

2.2 實時動態相對定位（RTK模式）

2.2.1 RTK技術簡介

1）RTK技術是載波相位差分技術，主要以GPS載波相位測量與數據傳輸技術相結合并對載波相位測量進行實施差分處理的測量技術；

2）RTK系統的組成。RTK系統主要由基準站GPS接收機、移動站GPS、GPS配套的電臺或移動通訊數據傳輸設備及鏈接并處理數據鏈的PC手簿組成；

3）RTK技術的基本原理。RTK技術的原理是安置一臺接收機基站接收衛星信號，流動站接收到基站發出的觀測數據后，在系統內進行數據處理，得出測量結果后顯示在PC機手簿上。筆者在日常的實地測量放樣中發現測量精度可達0.1cm。

2.2.2 RTK技術在公路工程的實際應用和優點以及存在問題

1）GPS RTK的實際應用。筆者在所在項目實地進行測量放樣工作中，使用最多的就是RTK模式，在取得直線、曲線及轉交表后，根據道路曲線要素，可以很方便的在GPS的pc機手簿內輸入曲線要素，GPS手簿實時顯示測點坐標、偏差及精度，GPS RTK模式下定位速度快，可快速、便捷的放樣出道路平面中、邊樁，結合GPS RTK實時測量高程數據可便捷的放樣填方坡腳、挖方開挖線。同時在對橋涵構造物進行放樣前，結合CAD繪圖軟件和道路之星、道路測設大師等輔助軟件，可以在電腦中對需要放樣的橋涵構造物進行繪圖，然后將構造物的結構尺寸控制點坐標輸入GPS的pc機手簿中，然后進行現場放樣，同時能夠通過手簿中軟件對放樣后的構造物尺寸進行校核計算。

2）GPS RTK模式的優勢。GPS RTK模式在公路工程實際測量放樣中，對復雜地形和低等級公路有很好的適應性，其中GPS RTK模式下對地形要求不高的特點，在筆者所在公路工程項目得到很好的體現。

張家川至恭門二級公路K11-K13公里，處于山大溝深，地形復雜的地理環境下，同時道路主線曲線半徑較小，彎道較多，壩式路基填方高度高，深挖路基最大高度達到49m，種種因素導致在2013年使用全站儀進行現場測量放樣工作中，工作效率低下，錯誤率高，有效測量放樣時間短，大量的時間浪費在全站儀轉站架站工作上，大大影響了工程施工的正常開展；2014年在K11-K13公里處使用GPS進行測量放樣后，僅需在導線點上架設GPS基站一次后，兩組測量員（每組1至2人）即可使用兩臺流動站和對應手簿，在GPS電臺有效范圍內，可方便快捷的進行施工測量放樣工作，中途無需再次轉站或更換基站位置。相比全站儀，大大提高了測量放樣的有效工作時間，也減少了放樣誤差，提高了準確率，對工程施工進度也帶來了正面的影響。

3）GPS RTK模式與全站儀、水準儀的對比。在放樣精度方面，筆者通過實地測量放樣并結合全站儀、水準儀對GPS RTK放樣點進行了校核，復核后發現道路平面放樣GPS誤差≤1cm，道路高程GPS誤差≤2cm，高程誤差主要由對中桿桿尖造成，在堅硬地面上與水準儀測量數據復核后誤差≤0.5cm。GPS測量放樣精度基本優于全站儀和水準儀。平面放樣中，GPS RTK測量放樣很好的避免了因溫度、棱鏡常數、人眼后視對中觀測的誤差等實用全站儀測量時容易發生的誤差錯誤。而在高程測量中，也避免了水準儀在讀取塔尺讀數時因塔尺傾斜造成的累計誤差。

4）GPS RTK模式的不足之處。但是GPS RTK雖然優點很多，但是仍有一些問題是現階段現場施工測量放樣工作中無法避免的，譬如受電磁干擾較大，無法在高壓線或移動電話通訊基站附近進行工作，信號強度受天線方向制約等。

3 結論

筆者通過實地測量放樣工作發現，GPS技術不論是在控制測量還是施工放樣中，都能大大提高測量的可靠性和作業效率，降低作業強度，適應現代工程施工“快節奏”的要求，也使測量員從以前簡單機械的架設儀器的工作中解放出來，將更多精力投入對。但是，GPS測量有別于常規測量，本文作者也受學術水平和工作經驗的制約，在平時的工作中對使用GPS測量仍然有很多不足和需要加深學習之處，還需要在工程實踐中認真去摸索和總結。

【參考文獻】

[1]徐紹銓，張華海，等.GPS測量原理及應用[M].武漢大學出版社.

[2]魏二虎，黃勁松.GPS測量操作與數據處理[M].武漢大學出版社.

[3]GB/T18314-2001全球定位系統GPS測量規范[S].

[4]JTJ/T 066-98公路全球定位系統GPS測量規范[S].

[責任編輯：田吉捷]