1 GPS 測量簡介

　　GPS 是英文Global Positioning System（定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。在機械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specifications)-簡稱GPS。

　　實時GPS系統(tǒng)由以下3部分組成.

　　(1) GPS信號接收系統(tǒng). 從理論上講,雙頻接收機與單頻接收機均可用于實時GPS測量. 但是,單頻機進(jìn)行整周未知數(shù)的初始化需要較長的時間,此乃實時動態(tài)測量所不允許的;加之單頻機在實際作業(yè)時容易夫鎖,夫鎖后的重新初始化要占去許多時間.

　　(2)數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng). 為把基準(zhǔn)站的信息及觀測數(shù)據(jù)一起實時傳輸?shù)搅鲃诱?并與流動站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理,必須配置高質(zhì)量的無線通訊設(shè)備(包括無線信號調(diào)制解調(diào)器). 由于數(shù)據(jù)信息量大,必須采用較高的傳輸速度,波特率通常要在9600以上觀測中出現(xiàn)的問題十分有利.

　　(3)數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng). 基準(zhǔn)站將自身信息與觀測數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至流動站,流動站將從基準(zhǔn)站接收到的信息與自身采集的觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值.因此,必須具備功能很強的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng). 目前該系統(tǒng)已發(fā)展成為多功能的完整系統(tǒng),所以能成功地用于實際作業(yè)中.

　　2 GPS測量的特點

　　相對于經(jīng)典測量學(xué)來說, GPS測量主要有以下特點：

　　(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題, GPS這一特點, 使得選點更加靈活方便,但測站上空必須開闊, 以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。

　　(2)定位高。一般雙頻GPS接收機基線解為5mm+1ppm, 隨著距離的增長, GPS測量優(yōu)越性愈加突出。

　　(3)觀測時間短。采用GPS布設(shè)一般等級的控制網(wǎng)時, 在每個測站上的觀測時間一般在1-2小時左右, 采用快速靜態(tài)定位的方法, 觀測時間更短。

　　(4)提供三維坐標(biāo)。GPS測量在測定觀測站平面位置的同時, 可以測定觀測站的大地高程。

　　(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高, 在觀測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài), 而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲, 跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

　　(6)全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點, 任何時間連續(xù)地進(jìn)行, 一般不受天氣狀況的影響。

　　3 GPS在公路測量中的應(yīng)用

　　3.1 靜態(tài)GPS 測量技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

　　GPS在道路工程中的應(yīng)用，目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，因此，用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高的要求。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2厘米左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的，同時也大大提前了工期。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強的網(wǎng)形，提高點位，同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。GPS技術(shù)在隧道測量中也具有廣泛的應(yīng)用前景，GPS測量無需通視，減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié)，因此，速度快、高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

　　靜態(tài)GPS 測量技術(shù)主要用于建立公路首級控制網(wǎng),之后再利用其它測量方法進(jìn)行加密的附合導(dǎo)線測量。控制網(wǎng)的建立過程如下:

　　步:路線、GPS 點選址的初步勘察

　　接到外業(yè)測量任務(wù)后,組織人員對路線的走向進(jìn)行初步勘察,查看沿線可選作GPS 點的位置情況。調(diào)察路線附近高等級GPS 點以便進(jìn)行聯(lián)測。

　　第二步: GPS 點控制網(wǎng)的設(shè)計

　　GPS 控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級、沿線地形地物、作業(yè)時衛(wèi)星狀況、要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計。因為GPS 控制網(wǎng)作為公路首級控制網(wǎng)時,需采用其他測量方法進(jìn)行加密。故沿路線兩側(cè)每隔5-10km 布設(shè)一對相互通視的GPS 點?？紤]到公路測量本身的特點采用4 臺GPS 儀同時觀測4 個GPS 點,這樣可大大加快全線的測量速度。

　　第三步: GPS 選點、埋石

　　選點應(yīng)按技術(shù)設(shè)計要求有利于采用其他測量方法擴展和聯(lián)測。

　　第四步:架設(shè)GPS 儀觀測

　　4 個GPS 點觀測的共同時間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)等應(yīng)滿足規(guī)范要求。

　　第五步: GPS 觀測數(shù)據(jù)的處理

　　外業(yè)觀測結(jié)束后將GPS 中的數(shù)據(jù)傳入計算機中,采用南方公司的軟件(包括采集器與計算機通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件),及時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。

　　第六步: GPS 控制網(wǎng)進(jìn)行加密。

　　利用全站儀測量附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行首級GPS 控制網(wǎng)的加密作業(yè)。

　　第七步:導(dǎo)線點座標(biāo)及平差計算

　　將每段附合導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進(jìn)行角度、距離平差得到結(jié)果。

　　3.2 RTK技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

　　RTK技術(shù)是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級的高。 通過RTK技術(shù)能夠在野外實時得到厘米級定位的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

　　實時動態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS (RTDGPS)技術(shù),它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破,在公路工程中有廣闊的應(yīng)用前景. GPS靜態(tài)定位、準(zhǔn)動態(tài)定位等定位模式,由于數(shù)據(jù)處理滯后,所以無法實時解算出定位結(jié)果,同時無法及時對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核,這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量, 在實際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果. 解決這一問題可通過延長觀測時間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性,但這樣一來則降低了GPS測量的工作效率.

　　實時動態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動站組成,建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證,其原理是取點位較高的首級控制點作為基準(zhǔn)點,安置一臺接收機作為參考站,對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測,流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時,通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù),隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標(biāo)和測量. 這樣我們使用者就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況,根據(jù)待測點的指標(biāo),確定觀測時間,從而減少沉余觀測,提高工作效率.

　　動態(tài)定位在公路中的應(yīng)用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集. 測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)據(jù),實時確定采樣點的空間位置. 目前,其定位可以達(dá)到厘米級.

　　高的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。

　　在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時要求基準(zhǔn)站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機，數(shù)據(jù)量比較大，一般都要求9600的波特率，這在無線電上不難實現(xiàn)。

　　動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景,可以完成地形測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作. 整個測量過程在不需通視的條件下,測量1～3 s,就可以達(dá)到10～30mm,有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點. RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點:實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級的測量成果(包括高程) ;在中線放樣的同時完成中樁抄平工作;應(yīng)用范圍廣—可以函蓋公路測量(包括平、縱、橫) ,施工放樣,監(jiān)理,竣工測量, GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面;如輔助相應(yīng)的軟件, RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè),充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢.

　　對于我們工程單位來講, GPS靜態(tài)定位和動態(tài)技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高地完成公路平面控制測量. 生產(chǎn)過程中采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)流程可以極大的提高生產(chǎn)效率.

　　3.3 公路控制網(wǎng)的建立

　　根據(jù)規(guī)范,高速公路要求的控制等級為小三角或?qū)Ь€. 因此,做等級控制時必須使首級控制點交子這一等級,而首級控制必須做到四等以上. 為此,在搜集資料時必須把測區(qū)內(nèi)的國家三、四等控制點資料搜集齊全. 同時,在布設(shè)首級控制網(wǎng)時應(yīng)在5～10km內(nèi)布設(shè)一首級控制點,以便發(fā)展加密控制.

　　在確立布網(wǎng)等級和方案后,可按以下步驟建立公路控制網(wǎng). (1)選點. 以選線及控制人員為主,選擇便于工作及以后應(yīng)用的點位. (2)埋石. 按勘測規(guī)范要求,埋選標(biāo)石,并現(xiàn)場做好點記. (3)實測. 根據(jù)所使用的儀器標(biāo)稱和規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行實測. (4)進(jìn)行平差及評定. 根據(jù)實測結(jié)果進(jìn)行平差計算,并進(jìn)行評級.

　　這樣,就可建立起高速公路GPS控制網(wǎng).

　　3.4 GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用

　　建立公路GPS控制網(wǎng)后,共主要用途可體現(xiàn)在以下幾個方面:

　　(1) 公路航測成圖時要有相應(yīng)的控制依據(jù),可用GPS控制網(wǎng)控制航向和區(qū)域?qū)挾? (2)在用其他方法測圖時, GPS控制網(wǎng)可選用首級控制和圖根控制來應(yīng)用. (3)在公路勘測階段,可以GPS控制網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行放線及構(gòu)造物的施放,可大大提高測設(shè)及原始數(shù)據(jù)的提取. (4)在施工階段,根據(jù)設(shè)計要求可以GPS控制網(wǎng)進(jìn)行實地放線及構(gòu)造物的放樣. (5)在改造公路時,利用GPS控制網(wǎng)可以對公路進(jìn)行有效的改造.

　　3.5 公路中線測量

　　設(shè)計人員在大比例帶狀地形圖上定線后,需將公路中線在地面上標(biāo)定出來.

　　3.6 公路縱、橫斷面測量

　　公路中線確定后,利用中線樁的點坐標(biāo),通過繪圖軟件,可繪出沿線縱斷面和各樁點的橫斷面,所用數(shù)據(jù)都是測繪地形圖時采集來的,不需再到現(xiàn)場進(jìn)行縱、橫斷面測量,大大減少了外業(yè)工作.

　　3.7 施工測量

　　實時GPS系統(tǒng)既有良好的硬件,也有極為豐富的軟件可供選擇,施工中點、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷.

　　4 小結(jié)：

　　本文作者創(chuàng)新點是從GPS測量中,得出如下體會:

　　(1) GPS作業(yè)有著極高的. 它的作業(yè)不受距離限制,非常適合國家大地點破壞嚴(yán)重區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等. (2) GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量. 它不受人為因素的影響. 整個作業(yè)過程由徽電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制,自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算. (3) RTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式. RTK能實時地得出所在位置空間三維坐標(biāo). 這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧道勘察. 它可以直接進(jìn)行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等. ( 4) GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率. 一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上. (5) GPS高測量同高的平面測量一樣,是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域.