GPS 测量技术在公路建设中的应用特点探讨

李贵兵

（贵州省有色地质勘查局二总队，贵州 六盘水 553004）

1 GPS系统的组成及工作原理分析

1.1 GPS系统的组成

1.1.1 GPS系统的组成。GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。GPS的空间卫星群由24颗高约20万km的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11h58min，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4～11颗GPS卫星发送出的信号。

1.1.2 GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。

1.1.3 GPS的接收的技术指标。GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。

1.2 GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗(A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置 (三维坐标)。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。

2 GPS测量在公路建设中应用的技术特点

相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：

2.1 测站之间无需通视

测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

2.2 定位精度高

一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6～10-7。

2.3 观测时间短

观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。

2.4 提供三维坐标

GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

2.5 操作简便

GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

2.6 全天候作业

GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

3 GPS在公路测量中的应用

GPS测量方法相对于经典测量学说，GPS定位技术具有观测点之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便以及全天候作业等主要特点。使其可以更好应用于下列实际工作中：

3.1 绘制大比例尺地形图

公路选线多是在大比例尺(1∶1000 或1∶2000)带状地形图上进行。用传统方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点，只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟，即可获得每点的坐标、高程。结合输入的点特征编码及属性信息，构成带状所有碎部点的数据，在室内即可用绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，因此大大降低了测图难度。

3.2 公路中线放样

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路中线在地面上标定出来。采用实时GPS测量，只需将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的，不会产生累计误差，各点放样精度趋于一致。公路路线主要是由直线、缓和曲线、圆曲线构成。放样时，只要先输入各主点桩号(ZH、HY、QZ、YH、HZ)，然后输入起终点的方位角a1a，直线段距离D1、D2，缓和曲线长度LS1、LS2，圆曲线半径R，即可进行放样操作。这种方法简单实用，比起传统的弦线拨角法要快速得多。另外，如果需要在各直线段和曲线段间加桩，只需输入加桩点的桩号就能自动计算放样元素。

3.3 公路的横、纵断面放样和土石方数量计算

3.3.1 纵断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中(如：各变坡点桩号、直线正负坡度值、竖曲线半径)，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。

3.3.2 横断面放样时，先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖)，然后把横断面设计数据输入到电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高)，生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以自动与地面线衔接进行“戴帽“工作，并利用“断面法”进行土石方数量计算。通过绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。因为所用数据都是测绘地形图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。必要时可用动态GPS到现场检测复合，这与传统方法相比，既经济又实用，前景又广阔。

3.4 桥梁结构放样。对于在江河上修建的大跨径桥梁，采用传统光学仪器和全站仪来定位是比较困难的，因为江面过宽、雾气较大，易造成仪器读数误差。另外，天气情况变化多端、观测浮标位置飘浮不定，影响定位精度。但GPS采用的是空间三点后方距离交会法原理来定位，不受江面外界情况干扰，点与点之间不要求通视，大大提高了作业效率。它的平面坐标定位精度在5mm ±1ppm左右，基线长度有几米到几十公里，符合桥梁控制网的精度要求。

4 GPS在公路测量中的应用展望

从上面的论述中，可以看到在高等级公路中，GPS测量正发挥着越来越大的功能，而且还有着很大的发展前景。GPS测量作业精度高。它的作业不受距离限制，非常适合于国家大地点破坏严重地区，地形条件困难地区，局部重点工程地区等。

4.1 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术，计算机技术控制，自动纪录，自动数据预处理，自动平差计算。

4.2 GPS-RTK 技术将彻底改变公路测量模式。RTK 能实时地得出所在位置的空间三位坐标。这种技术非常适合路线，桥梁，隧道勘察。它可以直接进行实地实时放样，中线边桩测量，点位测量等。

4.3 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

4.4 在当前高等级公路逐渐向山岭丘陵区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量非常困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。

5 结束语

GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem)是美军发展建设的具有全球性、多用途、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。目前，全球定位系统已广泛应用于工程建设和军事等众多领域中，在我国公路工程测量中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，GPS技术应用研究的逐步深入，GPS在现代公路建设中必将发挥更大的作用。

[1]肖远平.GPS高程拟合及其在公路勘察中的应用研究[J].中南大学，2009-05-28.