GPS在高速公路工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

楊劉虎

（中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 715600）

0 引言

GPS 系統(tǒng)中的接收機(jī)性能與數(shù)據(jù)處理技術(shù)表現(xiàn)較強(qiáng)，所以它能夠被應(yīng)用于高速公路工程測(cè)量中，體現(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。近年來，基于GPS系統(tǒng)所構(gòu)建的全球高速公路高精度、快速度、三維坐標(biāo)以及時(shí)間信息測(cè)量機(jī)制愈發(fā)成熟，它對(duì)于高速公路工程整體建設(shè)具有良好促進(jìn)作用。本文研究GPS 技術(shù)在高速公路測(cè)量中的實(shí)踐應(yīng)用，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 GPS系統(tǒng)的基本理論分析

1.1 GPS系統(tǒng)的基本構(gòu)成

GPS系統(tǒng)中的組成部分較多，它不但涵蓋了多顆空間衛(wèi)星，還包括了地面監(jiān)控站以及用戶設(shè)備，共同組建形成多點(diǎn)分支結(jié)構(gòu)體系。這些衛(wèi)星都在軌道上運(yùn)行確保軌道平面滿載衛(wèi)星，且軌道平面傾斜角度最大達(dá)到65°以上。而GPS系統(tǒng)與地面上的信號(hào)銜接則主要為波段無線電載波，結(jié)合GPS系統(tǒng)建立相互關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。它主要通過一個(gè)動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)來觀測(cè)地面信息數(shù)據(jù)，同時(shí)也會(huì)對(duì)衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算獲得數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到衛(wèi)星存儲(chǔ)器之中。

在地面上，GPS系統(tǒng)接收機(jī)發(fā)揮了巨大作用，它配置有數(shù)據(jù)處理軟件以及終端設(shè)備，可隨時(shí)隨地捕捉、跟蹤衛(wèi)星運(yùn)行信號(hào)，滿足信號(hào)相互交換與放大處理等若干技術(shù)要求，在解算自由網(wǎng)絡(luò)平差和過程中也發(fā)揮了價(jià)值，保證接收機(jī)中心能夠精確測(cè)量各種三維坐標(biāo)。

1.2 GPS系統(tǒng)的工作機(jī)理

在GPS系統(tǒng)中設(shè)置了接收機(jī)，它主要采用距離交會(huì)法建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保科學(xué)合理架設(shè)GPS接收機(jī)內(nèi)容，提高接收機(jī)整體架設(shè)質(zhì)量。在該過程中，GPS系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，即在某一時(shí)刻接收多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算求得GPS衛(wèi)星之間距離，獲得衛(wèi)星三維坐標(biāo)位置，形成一點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)的三維坐標(biāo)數(shù)字式（AP、BP、CP）。例如AP的三維坐標(biāo)數(shù)字式應(yīng)為：

1.3 GPS系統(tǒng)的測(cè)量特征

GPS系統(tǒng)所表現(xiàn)出的測(cè)量技術(shù)特征明確且突出，首先它具有極高的定位精度，在配合高精度雙拼GPS建立接收機(jī)測(cè)量基線精度，確保其最大達(dá)到5mm+2ppm左右。同時(shí)將紅外儀精度控制在5mm+5pm左右。在結(jié)合GPS測(cè)量精度距離增加這一過程中，GPS系統(tǒng)的測(cè)量?jī)?yōu)越性能會(huì)逐漸表現(xiàn)出來。而通過大量實(shí)踐結(jié)果也表明，如果基線小于50km 則其測(cè)量精度也會(huì)進(jìn)一步提升，大約在500km范圍內(nèi)基線精度可以達(dá)到一個(gè)較高水平，測(cè)量工作十分到位。

在GPS系統(tǒng)中，需要把握測(cè)站之間的相互通視距離，結(jié)合測(cè)量過程檢測(cè)距離。在某些測(cè)量復(fù)雜地形地區(qū)，需要結(jié)合測(cè)量技術(shù)過程來選取通視點(diǎn)，但存在一定難度。當(dāng)然，利用系統(tǒng)所開展的測(cè)量工作更加靈活便捷，始終保證測(cè)站點(diǎn)寬闊，提高信號(hào)接收效率。

在某些技術(shù)體系中，利用GPS系統(tǒng)可有效測(cè)量距離，保證測(cè)量自動(dòng)化水平不斷提升。這里主要運(yùn)用到了大量創(chuàng)新技術(shù)內(nèi)容，保證建立小型化、智能化技術(shù)操作，保證配合天線進(jìn)行諸多技術(shù)性調(diào)整，滿足電源自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)要求，在配合大量數(shù)據(jù)處理軟件過程中建立測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，滿足衛(wèi)星設(shè)計(jì)距離與跟蹤觀測(cè)等諸多要求，確保技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)確到位，提高GPS系統(tǒng)的整體觀測(cè)應(yīng)用能力。就整體而言，這一做法是非常有效的。

一般來說，要合理把控GPS系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間，確保測(cè)量工作準(zhǔn)確到位，同時(shí)布設(shè)控制網(wǎng)，每次觀測(cè)時(shí)間大約控制在30～50min左右。其中所采用的是快速靜態(tài)定位方法，整體看來觀測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，且在觀測(cè)工作中可實(shí)現(xiàn)RTK短時(shí)間內(nèi)（5s內(nèi)）測(cè)量點(diǎn)局部三維坐標(biāo)。

在全天候作業(yè)過程中，GPS系統(tǒng)發(fā)揮了重大價(jià)值作用，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施測(cè)過程，盡量減少外界對(duì)于其整體環(huán)境因素影響。因此，GPS系統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，目前已被廣泛應(yīng)用于高速公路工程測(cè)量工作中。

1.4 GPS系統(tǒng)的測(cè)量缺陷

就GPS系統(tǒng)技術(shù)性表現(xiàn)而言，它的測(cè)量定位精度較高、布點(diǎn)更加靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)、操作更加便捷、且能夠繪制大比例尺地形圖，在這一點(diǎn)上能解決諸多不足問題。例如橫縱斷面放樣問題，結(jié)合GPS測(cè)量過程分析操作不足，解決操作問題。這里對(duì)GPS系統(tǒng)的4點(diǎn)測(cè)量缺陷問題進(jìn)行分析：

（1）這里應(yīng)該給出GPS系統(tǒng)的精確測(cè)量定位計(jì)算公式，主要計(jì)算衛(wèi)星與接收機(jī)之間的精確計(jì)算距離，保證固定模式背景下測(cè)算距離到位，其計(jì)算公式參考如下：

距離=速度×?xí)r間[1]

結(jié)合上述公式計(jì)算相關(guān)時(shí)間指標(biāo)，確保針對(duì)距離計(jì)算電磁波傳播速度，確保測(cè)量計(jì)算快速到位，同時(shí)分析電磁波在真空環(huán)境中的傳播速度加快這一現(xiàn)實(shí)問題。不過考慮到大氣層并非真空狀態(tài)，因此信號(hào)會(huì)受到電離層以及對(duì)流層的雙重影響，要利用GPS系統(tǒng)對(duì)這一影響問題進(jìn)行分析計(jì)算，但在某些區(qū)域計(jì)算過程中可能存在誤差問題。

（2）在利用GPS系統(tǒng)配合常規(guī)儀器進(jìn)行測(cè)量過程中應(yīng)該合理把握高程，調(diào)整測(cè)量過程，優(yōu)化測(cè)量點(diǎn)距，確保測(cè)量過程有效到位，建立多重基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的相互優(yōu)化距離，保證多個(gè)高等控制點(diǎn)展開聯(lián)測(cè)與復(fù)核過程。因此，基準(zhǔn)站方位觀測(cè)情況亟待優(yōu)化，必須提高測(cè)量精度。

（3）需要結(jié)合高速公路工程測(cè)量實(shí)踐滿足相關(guān)技術(shù)要求，保證測(cè)量整體精度有效提升，配合GPS控制市政工程測(cè)量控制點(diǎn)，提高測(cè)量水平，確保在高程精度條件下也能夠滿足工程建設(shè)需求。但實(shí)際上，GPS在進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)過程中還存在高程精度無法保證的缺陷問題，需要改進(jìn)。

（4）在利用GPS實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)位差異測(cè)量過程中可能會(huì)影響到點(diǎn)位測(cè)量精度，為此需要在測(cè)量過程中接收衛(wèi)星并發(fā)射信號(hào)解決這一問題，滿足數(shù)據(jù)處理全過程技術(shù)要求，獲得點(diǎn)位、高程坐標(biāo)。這一過程中由于受到外部信號(hào)干擾可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)量誤差。就這一技術(shù)環(huán)節(jié)而言，可能是因?yàn)镚PS系統(tǒng)始終處于浮動(dòng)狀態(tài)中，往往會(huì)出現(xiàn)假固定或者無法固定情況，從而出現(xiàn)巨大數(shù)據(jù)誤差問題，整體來看，測(cè)量效率低下且精度偏低，無法正常體現(xiàn)測(cè)量精度優(yōu)越性[2]。

2 GPS技術(shù)在高速公路工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)

在目前的高速公路工程測(cè)量工作中已經(jīng)廣泛、深入地運(yùn)用到了GPS 技術(shù)。它主要利用GPS 技術(shù)的兩大功能，分別為靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量。在實(shí)際的高速公路工程項(xiàng)目測(cè)量工作中，還要結(jié)合GPS控制網(wǎng)等展開一系列技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用分析。

2.1 建立GPS控制網(wǎng)絡(luò)

在建立GPS控制網(wǎng)絡(luò)開展高速公路測(cè)量過程中，需要首先初步確定GPS 點(diǎn)位和線路，做好定位工作，確保GPS點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)到位。然后進(jìn)行GPS選點(diǎn)和埋石，架設(shè)GPS觀測(cè)儀開展正式觀測(cè)工作，需要結(jié)合具體問題進(jìn)行具體分析，建立控制網(wǎng)加密機(jī)制，計(jì)算導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)平差，保證計(jì)算到位。

在建立GPS定位操作機(jī)制過程中，分析相關(guān)路線并做好定位，積極開展外業(yè)測(cè)量任務(wù)，確保相關(guān)人員對(duì)高速公路進(jìn)行初步勘察與分析了解。建立高速公路針對(duì)GPS點(diǎn)位的勘測(cè)機(jī)制，保證提高測(cè)量等級(jí)，結(jié)合相關(guān)技術(shù)機(jī)制滿足聯(lián)測(cè)與復(fù)測(cè)要求[3]。

必須結(jié)合GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)整控制網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置過程，做好相應(yīng)技術(shù)劃分，保證充分展現(xiàn)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保布點(diǎn)實(shí)施公路有效優(yōu)化，滿足高速公路地形地貌建立檢測(cè)機(jī)制，配合GPS控制網(wǎng)布設(shè)相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，提高測(cè)量精度。在衛(wèi)星接收過程中深入了解GPS電網(wǎng)控制設(shè)計(jì)精度，綜合考量相關(guān)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化過程。就整體而言，還需要建立GPS首級(jí)控制網(wǎng)，結(jié)合高速公路沿線地貌環(huán)境分析技術(shù)操作過程，確保衛(wèi)星接收過程中GPS點(diǎn)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)精度有效提高，為此需要至少架設(shè)4個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)，確保點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量到位，最大限度加快測(cè)量速度，保證測(cè)量全線工作實(shí)施到位。

在建立GPS系統(tǒng)埋石機(jī)制過程中，需要保證技術(shù)規(guī)范，并優(yōu)化到位，滿足現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位置記錄有效，提高測(cè)量精度，提升測(cè)量水平[4]。

在架設(shè)GPS觀測(cè)儀開展觀測(cè)過程中需要保證測(cè)量共同時(shí)間，切實(shí)滿足高速公路工程建設(shè)規(guī)范技術(shù)要求。結(jié)合相關(guān)操作過程明確觀測(cè)時(shí)間，建立觀測(cè)等級(jí)機(jī)制。

充分利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)并加以處理，結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件建立高速公路基線結(jié)算與校核機(jī)制，保證GPS控制網(wǎng)平差距計(jì)算到位。在計(jì)算過程中需要考慮所生成數(shù)據(jù)格式不同，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，要結(jié)合多種格式建立數(shù)據(jù)結(jié)果精算比較機(jī)制，結(jié)合平差結(jié)果精度較高軟件建立測(cè)量機(jī)制，確保計(jì)算過程快捷到位，滿足計(jì)算過程建立平差報(bào)告機(jī)制。在這一過程中需要展開一系列的人性化調(diào)試機(jī)制，結(jié)合優(yōu)秀數(shù)據(jù)處理相關(guān)測(cè)量結(jié)果即可。

要對(duì)GPS管理過程進(jìn)行分析，建立控制網(wǎng)絡(luò)并予以加密處理，結(jié)合計(jì)算過程分析相關(guān)操作內(nèi)容，建立人性化調(diào)試機(jī)制，保證結(jié)果數(shù)據(jù)處理正確到位。在高速公路高程測(cè)量過程中需要根據(jù)路線進(jìn)行分析，建立GPS點(diǎn)分布數(shù)據(jù)分析機(jī)制。結(jié)合每一段單獨(dú)附合導(dǎo)線開展測(cè)量工作，確保每一段附合導(dǎo)線都能起始于指定GPS點(diǎn)位置，輔助完成高速公路工程測(cè)量過程。

在建立平差機(jī)制過程中要進(jìn)行積極計(jì)算，確保結(jié)合導(dǎo)向傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算到位，滿足角度與距離平差分析技術(shù)要求[5]。

2.2 形成動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)機(jī)制

要發(fā)揮動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)水平，滿足測(cè)量機(jī)制應(yīng)用要求，建立動(dòng)態(tài)測(cè)量機(jī)制，其技術(shù)特點(diǎn)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，在高速公路測(cè)量應(yīng)用中配合動(dòng)態(tài)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波相位觀測(cè)過程，了解實(shí)時(shí)差分技術(shù)體系構(gòu)建過程，滿足技術(shù)突破要求。即要建立三維坐標(biāo)分析機(jī)制，確保優(yōu)化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容，形成不同動(dòng)態(tài)測(cè)量機(jī)制，分析相關(guān)管理工作機(jī)制，確保點(diǎn)位精度測(cè)量到位。這一點(diǎn)要結(jié)合無線電傳輸設(shè)備展開分析，確保流動(dòng)站測(cè)量計(jì)算到位，滿足三維坐標(biāo)測(cè)量要求，不斷提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊的連續(xù)觀測(cè)[6]。在流動(dòng)站方面應(yīng)該設(shè)置與衛(wèi)星信號(hào)相關(guān)聯(lián)的接收機(jī)，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，保證隨機(jī)計(jì)算相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)到位，滿足流動(dòng)站三維坐標(biāo)與測(cè)量精度要求。在對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中需要了解基線變化，分析其計(jì)算結(jié)果狀況。如上所述，充分利用GPS靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種定位技術(shù)可以高效率、高精度實(shí)現(xiàn)公路平面控制測(cè)量，最大限度減少作業(yè)強(qiáng)度并提高工作效率。而隨GPS技術(shù)的不斷優(yōu)化完善，其針對(duì)高速公路的測(cè)量初始化時(shí)間也在逐漸縮短，精度逐漸提高，這對(duì)高速公路工程單位的測(cè)量前期控制與施測(cè)過程安全性提升都有利。必須控制公路GPS控制網(wǎng)間隔點(diǎn)，有效控制間隔位置，如此劃分公路等級(jí)，確立布網(wǎng)方案，確保測(cè)量精度滿足等級(jí)要求，建立高速公路GPS控制網(wǎng)[7]。

3 結(jié)束語

總之，在高速公路工程測(cè)量中應(yīng)合理運(yùn)用GPS技術(shù)，確保其發(fā)揮實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)價(jià)值。在應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)過程中要保證測(cè)量成圖，并建立相關(guān)技術(shù)控制依據(jù)，圍繞控制網(wǎng)絡(luò)明確公路區(qū)域具體寬度。同時(shí)也要結(jié)合高速公路勘測(cè)階段配合GPS構(gòu)建基礎(chǔ)放樣機(jī)制，最大限度提高測(cè)量精度水平與原始數(shù)據(jù)提取精度。此外，要結(jié)合施工階段分析設(shè)計(jì)要求內(nèi)容，確保GPS控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)施原地放樣機(jī)制，明確構(gòu)造物放樣水平，提高高速公路改造效益[8]。