基于GPS技术公路控制测量研究

何文才

（四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610000）

1 GPS技术

GPS 技术全称为全球定位系统，是一个能够在全天候和全世界范围内应用的卫星导航定位系统，其是由卫星设备、地面控制设备和用户接收信号设备3 个部分构成的。卫星设备均匀分布在轨道上，在全世界任何一个时刻和地点都能实现卫星观测，且能实现连续性的实时定位导航。地面控制设备则均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上，由监测站、主控站和注入站组成，实现对卫星系统的监测控制，并向卫星注入更新好的导航电文。用户接收设备由主机、电源和天线构成，主机核心利用了维脑电技术和适应症到期等，可完成对卫星选择、数据采集和分析加工、传承和存储等功能，同时还能实现对设备系统的检查更新、报警和故障排除等，实现对整个接收系统的自动化管理。GPS 的观测方式包括伪距法、干涉法以及微波相位法等，随着观测技术和处理方式的不断发展，GPS 设备的体积越来越小，但是精确度越来越高，操作也越来越简单，功能越来越强大。在这几种观测方法中，微波相位法利用了载波波长的优势，可获得精确度更高的数据，因此得到更多的应用，适应性较强。

2 GPS技术在控制测量领域的工作原理

在应用GPS 技术进行控制测量时，其具体应用原理和应用流程如下。1）通过GPS 定位分析后，证明GPS 绝对定位的定位精确度较低，所以在控制测量时一般采用相对定位技术，选择精确度较高的静态相对定位方式后，在控制网内选定已知坐标、精确度满足要求的地面控制点和GPS 控制点，注意是每隔一段固定的距离设置一个GPS 观测点，要求选择在稳定平坦地地方进行观测点布设，且须远离大功率无线电发射源和高压输电线。在选点后应在坐标系图上标定位置并标记绘制点，然后再在观测站点上安装GPS 接收机观测卫星信号，接收信号并进行数据分析处理，确定基线两侧在坐标系中的相对位置。为了减少观测点布设和相位测量引起的误差，可利用载波波长精确度较高的优势进行相位观测，其应用原理是2 个及其以上测站点，在同一时间段内可实现对相同卫星信号的同步观测量，大大降低了观测的误差。

3 GPS技术应用特点和应用优势分析

3.1 定位精确度高

利用GPS 技术进行公路工程控制测量，可以在基线上设置多个观测点进行相对定位，测量的精确度很高，且符合公路工程线路长的特点。根据实验证明，在800 km 以上的测量精确度可达10-8，在100 km～500 km 的精确度可达 10-6～10-7，在50 km 范围内的测量精确度可达（1-2）×10-6。

3.2 测站之间无需通视

在使用GPS 技术进行控制测量时，一般在测站之间不用保持通视，将测站点设置稳定平坦的地方就行，这样也是为了方便测量，避免产生不必要的经济损失。同时因为无需通视，因此点位位置和相互之间的距离只需根据实际情况设置便可，选择的距离和点位都比较灵活，且节约了大量计算和选点的工作，在降低工作难度同时还可以保证测量结果的精确性。

3.3 GPS数据处理结果能够提供三维坐标

利用GPS 技术不仅可以获得精确度较高的数据，而且还能获得坐标、高程等详细信息，并完成数据的分析处理，对处理后的数据可通过显示设备呈现出来，平面坐标与高程坐标可分开计算，得到的数据能通过前后的对比，获得精确的测站点平面位置，同时获得高程点位的三维坐标[1]。

3.4 GPS能够实现全天候作业

采用GPS 技术除了精确度高、无需通视、能获得三维坐标等优势外，该技术的适应性和灵活性也很强，可适宜在任何地点、任何时刻进行测量计算，具有全天候工作的优势。即使在环境恶劣的条件下都能利用GPS 技术得到精确度较高的数据，能在全球任意时间和地点完成连续性观测。

3.5 GPS接收机轻便小巧，操作方便

随着科学技术的不断进步，GPS 相关设备正朝着体积小、便于操作及功能完善等方向发展。因此利用GPS 进行野外公路工程的测量时，可减少操作人员的工作、减轻工作人员的劳动强度。因为操作简单，所以测量人员不用进行太过复杂的流程，只要按照要求布设控制点并在测站点上安装接收机就能获取、跟踪和记录分析卫星信号等信息数据，且随着GPS的数字化程度的提升，可自动化完成上述工作，降低了对操作人员的要求，也为整个工程测量节省了人工成本[2]。

3.6 观测时间较短

随着科学技术的不断发展，GPS 相关设备和硬、软件等都得到了更新和完善，利用该技术进行公路工程的测量，除了可保证测量可靠性外，观测的时间也大大缩短，一般在小范围内进行静态相对定位测量只要十几分钟甚至几分钟便能完成。

4 公路工程控制测量的特点

和其他工程测量相比，因为公路本身线路较长、测量区域较为狭窄其周边环境相对复杂、会受地形地势等环境因素的影响，所以在进行控制测量时，经纬跨度不大的公路工程容易因变形误差而影响测量的结果。对于线路总长达几十、几百公里的，必须要对引起控制网误差的原因进行分析并找出应对方法，使公路测量控制的各个点位精确度得到保障，满足公路控制测量和施工的要求。在进行公路测量时，具体包括对路线、桥梁、隧道和其他大型建筑物的控制测量，其中路线平面控制网是公路平面控制测量的主控网，沿线各种公路工程的平面控制网需要和主控网联系起来，主控网则应该全线贯通且统一平差。采用GPS 技术进行控制网测量，不用进行通视就能完成角度、欢唱和方位角的观测，且满足测量精确度要求，不存在传递引起的测量误差[3]。

5 GPS技术在公路平面控制测量中的具体应用

5.1 工程概况

某公路路线全长为1 011 km，东南至西北走向，沿线的东南地段地形相对平坦稳定，但是西北地段的地形复杂严峻，沿线大部分是山地丘陵，植被茂盛，测区通视困难，如果采用常规的测量控制方法，无法在紧张的工期内完成，期间还会遇到其他干扰因素的影响，最重要的是无法满足测量精确度的要求，所以应采用GPS 技术进行测量控制。

5.2 控制测量外业实施过程

5.2.1 布置控制网

布置测量控制网时必须根据甲方要求和测量规范要求进行设计，保证控制网是闭环状态。其次，必须有一定数量的点位重合，便于观测和计算。同时要求观测网点和水准点重合，实现在控制网中的均匀分布，从而可为观测数据分析提供可靠参考。另外，在布置控制网时要求观测点之间最好要有开阔的视野，虽然无须通视，但是良好的视觉效果避免了外在因素的干扰，提高观测的精确性。一般要求在观测点150°高度以上不能有障碍物出现，这样才可发挥出GPS测量的优势。为了满足甲方以及对公路测量结果精确度的要求，从而为后期工程建设或改建、修改等提供可靠依据。在进行控制网精确度指标设置时还要结合工程实际和所用测量工具的特点、技术条件等，根据测量的规范来确定最终相邻点位之间的距离标准差指标。

5.2.2 GPS测量外业实施

在GPS 测量外业工作中，根据测量设计要求在测量区域内布设GPS 观测点，导线点等。为了避免电磁场等对信号产生影响，要求选择的点位尽量远离大功率无线电发射源与高压电线，选择交通便利和视野开阔的地方。最后在选点结束后根据现场实际浇筑的混凝土桩进行标记和记录。在具体测量时，为获得精确的数据并进行对比，先在已知GPS 观测点上利用三角支架进行观测，平面观测时要满足测量规范要求，然后使用相同方式对其他布置的观测站点进行测量，取3 个差值不超过2 cm 的平面观测结果作为该点观测站点的平面坐标观测结果，数据见表1。

表1 施工控制点平面坐标成果表

利用GPS 测量完成后，使用全站仪对施工控制点A1、A2、A3 进行角度、边长检核，检核结果，见表2。

由表2 可知，角度较差为8″（限差为±20″），最弱边相对中误差为1/27767（限差为1/7000），精度良好，满足“规范”要求。

在施测结束后，需要利用相关的数据处理软件完成基线解算和网平差等数据处理，然后获得GPS控制点的三维坐标，并保证同步观测精度、异步环观测精度和复测基线观测精度等精度指标要符合设计要求。

表2 施工控制点平面坐标成果表

6 结语

综上所述，GPS 技术在公路控制测量中的应用，具有布置控制网简单、工作效率高、工作量少、安全可靠性高等优点，尤其在山区等地形复杂的区域进行公路控制测量，还能避免外在不利因素对测量结果的干扰，同时实现对周围生态环境的保护。在具体测量控制时，为避免影响GPS 测量控制的精确度，要合理选择观测的时间，同时也要注意2 个控制点之间的距离要合适，不能一个设置在山脊另一个设置在山沟或者2 个点之间的距离过大。由于GPS 技术在测量速度、精确度、效率以及操作等方面等都具有常规性控制测量无法具有的优势，因此其在公路控制测量中的应用越来越普遍且得到了很好的测量效果。