GPS在公路勘测中的应用

龚长兵,李 寅

(黑龙江省航务勘察设计院)

GPS即全球定位系统,是利用GPS接收机接收卫星信号实现导航定位的一种高新技术,其空间部分由 24颗工作卫星和 3颗备用卫星组成,卫星轨道高度 20200km,这些卫星的空间布局可以保证在地球的任一点和任一时刻均可利用GPS信号接收机接收 4颗以上卫星的信号。在公路工程中,运用GPS将使传统的公路测量方法发生根本的变革,对提高公路勘测设计的自动化水平具有重要意义。

1 GPS在公路初测控制测量中的应用

公路初测的主要任务是根据路线的基本走向布设控制点进行平面控制测量和高程控制测量,作为测绘路线地形图、定线测设和施工放样的重要基础。利用GPS可以代替传统的导线法进行路线控制测量,并具有布网灵活、外业观测速度快、定位精度高等优点,经内业处理可在统一坐标系下提供控制点的三维数据信息。在测绘领域,应用GPS进行控制测量已经取得了成功,以下就公路工程勘测的特点论述应用GPS进行路线初测控制测量的方法及应注意的重要问题。

1.1 GPS路线控制测量等级的确定与CPS接收机的选择

利用GPS进行路线测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级,公路 GPS控制测量分为一级、二级、三级、四级共 4个等级。对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级,三级可作为高速公路路线的首级控制网,四级控制网可作为高速公路的施工控制网,控制点间的平均距离以 500m较为适宜。在具体的布设中可以分级布设,也可以越级布设或布设同级的全面网。各等级控制网相邻点间的弦长精度用下式表示Q=(a2+bd)1/2。式中:Q为GPS基线向量的弦长中误差;a为GPS接收机标称精度的固定误差;b为GPS接收机标称精度的比例误差。

应用GPS进行路线控制测量,GPS接收机是完成任务的关键设备,使用时必须对其性能与可靠性进行检验,检验内容包括一般性检验、通电检验和实测检验。近几年国内引进了许多种GPS接收机,就频率而言,大致可分为单频和双频两类。其中,双频接收机的优点是点间距离不受限制,边长大于 20km时可基本上消除电离误差对点位坐标的影响。此外,在快速静态和动态测量中,能快速地解算整周模糊值,从而使观测时间比单频机少,但价格较高,用于精密相对定位时双频机精度可达5mm+1ppmD(D为基线长度km),单频机的精度在一定距离内精度一般可达 10mm+ 2ppmD,因此一般在基线较长和应用快速定位模式测量时可采用双频接收机,其他对一般公路控制测量可采用单频机。

1.2 GPS路线控制测量的作业模式

近几年来,随着GPS定位后处理软件的发展,为确定两点间的基线向量,有多种测量模式可供选择,采用哪种 GPS作业模式与要求达到的精度、地形及拥有的设备情况有关。

(1)静态定位作业模式。

采用两台或两台以上的GPS接收机,分别安置在不同控制点上设站构成基线,对 4颗以上卫星进行一个时段的同步观测。每个时段长约45min至1.5h,以正确确定再波相位的整周未知数 No,所有已观测基线应组成一系列的闭合图形,以利于外业检核提高成果的可靠度。这种模式基线的相对定位精度可达5mm+1ppmD。此模式精度高完全可以满足各级路线控制测量的要求。

(2)快速静态定位作业模式。

在测区中选择一基准站并安置一台接受机连续跟踪所有可见卫星,另一台接收机依次在各待定点上设站。由于采用了一种快速解算整周未知数的算法,每点只观测数分钟,使作业效率大为提高,但应注意待定点与基准点间距离不应超过 20km,观测时段内应保证有 5颗以上的卫星可供观测,由于两台接收机工作时构不成闭合图形,不能进行闭合差检验,可靠性较差,不宜用于对测量精度有特殊要求的桥梁、隧道等特殊构造物的测量控制网。此作业模式特别适用于短基线的测量及工程控制点的加密定位,且采用双频接收机效果更佳。

1.3 GPS数据处理及高程问题

(1)GPS数据处理。

GPS接收机采集记录的原始数据为载波、伪距和卫星星历等,从原始观测值得到满足需要的定位。

(2)GPS高程问题。

GPS相对定位得到的基线向量,通过网平差后可求得各GPS点的WGS-84坐标系中的大地高H84,而公路勘测所用的地面点高程是相对于似大地水准面的正常高程Hr,两者之间的差值称高程异常,用公式可表示为

Hr=H84-ξ

由上式可知,在已知GPS点大地高 H84的情况下,只要求得高程异常值,即可求得公路勘测需要的正常高 Hr。为此,可通过联测已知水准点进行数学曲面拟合的原理求解。

2 应用RTK技术进行公路定线测量

2.1 RTK技术的基本原理

RTK(RealTimeKinematic)是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术,是GPS测量技术发展中的一个新突破。其基本原理是在基准站上安置一台 GPS接收机,对所有可见卫星进行连续观测,并将其观测数据通过发射台实时地发送给流动观测站。在流动观测站上,GPS接收机在接收卫星信号的同时通过接收电台接收基准站传送的数据,然后利用电子手簿根据相对定位的原理,实时地求解出厘米级的流动站的动态位置(X,Y,H),这项技术可用于测图和点位放样等工作。在路线勘测中,应用 RTK技术进行公路定线测量,可同时一次完成传统测量方法中的放线、中桩、中平 3项工作,且仅需要 1～2人操作,可大大提高作业效率。

2.2 RTK技术定线测量

传统定线测量的方法需分组进行放线、中桩、中平等工作,测量效率低,手工记录测量数据,难以实现与计算机内业设计的数据传输。把RTK技术应用于公路定测阶段的定线测量可较好地解决这些问题。

应用RTK技术进行公路定线测量的基本作业方法如下。

(1)在路线控制点上架设GPS接收机作为基准站,流动站测设路线点位并打桩作业。

(2)根据所设计的路线参数(圆曲线半径、缓和曲线要素、交点坐标、起始方位角等),利用路线计算程序计算路线中桩的设计坐标。也可将路线计算程序集成于GPS接收机所配套的电子手簿中,在现场输入桩号,随时计算坐标。

(3)将路线中桩的设计坐标从微机中传输到电子手簿(或手工输入)。

(4)在流动站的测设操作下,只要输入要测设的参考点号,然后按解计算键,显示屏可及时显示当前杆位和到设计桩位的方向与距离,待移动至设计点位时,显示屏图形显示杆位与设计点位重合,在杆位处打桩写号即可。这样逐桩进行,可快速在地面上敷设中桩并获取地面高程,因此可一次完成传统测量方法中的放线中桩和中平等作业内容。

(5)在每个桩位按控制器的记录键,将桩号、坐标、高程记录于电子手簿的存储器,实现无纸化记录。内业传输至计算机,利用路线CAD软件可方便地进行纵断的设计,实现与路线CAD的集成利用。

3 结束语

将GPS应用于公路建设,给传统的公路勘测作业方式带来了巨大冲击,使公路测设水平显著提高。特别是 GPS实时动态定位技术(RTK)应用于道路地形测绘、定线测量、施工放样测量等工作可达到厘米级的精度,可方便地进行数据的储存传输,实现与路线CAD的集成。在公路勘察设计单位还是公路施工单位均具有重要的作用,而具备RTK功能的GPS接收机价格昂贵,所以在道路建设施工单位推广应用目前有一定难度。但是,由于一个 RTK基准站可以与许多流动接收机配合使用,如果加高基准站天线和加大电台功率,数据通信范围可达几十至上百公里,所以在高等级公路建设中,公路勘察设计部门和施工单位可共同设立RTK系统,实现资源共享,每个合同段的施工单位只需购置RTK流动设备即可,这样不仅能节约投资,还能加快工程进度。