GPS在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

1、GPSft公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用(內(nèi)蒙古交通建設(shè)監(jiān)理咨詢公司內(nèi)蒙古海拉爾021008)作者：郭世杰蘇和【摘要】GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系統(tǒng)是美國(guó)研制并在1994年投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。其應(yīng)用技術(shù)已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在測(cè)量領(lǐng)域，GPS系統(tǒng)已廣泛用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及地形測(cè)量等各個(gè)方面。本文將以呼倫貝爾市的國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路項(xiàng)目為例，概略敘述GPS系統(tǒng)在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：GPS定位系統(tǒng)公路工程控制測(cè)量應(yīng)用一、概述GPS全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)在公路工程測(cè)量

2、中的應(yīng)用，在最近的幾年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息等技術(shù)參數(shù)。我們先了解一下GPS系統(tǒng)的組成，工作原理以及在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)。1.1 GPS系統(tǒng)的組成GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測(cè)量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。1.1.1 空間衛(wèi)星群GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬(wàn)公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60°,軌道和地球赤道的傾角為55°,衛(wèi)星的軌道運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線以上可以接收

3、4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。1.1.2 GPS的地面控制系統(tǒng)GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國(guó)本土。1.1.3 GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航

4、定位等。在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。例如：我們?cè)诳刂茰y(cè)量中使用的天寶(Trimble)4800GPS測(cè)地型接收機(jī)其技術(shù)指標(biāo)為：雙頻主機(jī)、天線，RTK電臺(tái)一體化；獨(dú)特的電池設(shè)計(jì)、無(wú)需接線，使用4h以上；5次/秒的快速位置更新，可靠的衛(wèi)星"超跟蹤"技術(shù)；新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡；測(cè)量精度：靜態(tài)測(cè)量5mm+lppmRTK測(cè)量10mm十1ppm(平面)20mm十ippm(高程)這些技術(shù)指標(biāo)充分的滿足了控制測(cè)量的精度要求。1.2 GPS的工作原理GPS系統(tǒng)是一種

5、采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了3顆(A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP,同樣通過(guò)接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置(三維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)的方法求得P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xp,Yp,Zp),其數(shù)學(xué)式為：SAP2=(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2SBP2=(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2SCP2=(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2式中(XA,YA,ZA),(XB,YB,Z

6、B),(XC,YC,ZC)分別為衛(wèi)星A,B,C在時(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。在GPS測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠饭こ炭刂茰y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。(如：WGS-84世界大地坐標(biāo)系和1980年西安大地坐標(biāo)系。)在實(shí)際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，來(lái)求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測(cè)成果，因此在測(cè)量中被得到了廣泛的應(yīng)用。二GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來(lái)講，GPS測(cè)量有以下特點(diǎn)：2.1 測(cè)站之間無(wú)需通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GP

7、S這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5Ppm,GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50公里的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12X10-6,而在100500公里的基線上可達(dá)10-610-7。2.3 觀測(cè)時(shí)間短。觀測(cè)時(shí)間短采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在3040min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。例如使用Timble4800GPS接收機(jī)的RTK法可在5s以內(nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。2.

8、4 提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。2.5 操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。2.6 全天候彳業(yè)。GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。三、GPS系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量工作中的應(yīng)用，公路工程的測(cè)量主要應(yīng)用了GPS的兩大功能：靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過(guò)接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)；動(dòng)態(tài)功能

9、是通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上。呼倫貝爾市的國(guó)道301線應(yīng)用GPS測(cè)量是于2002年開始的，2003年在牙克石至海拉爾一級(jí)公路項(xiàng)目80.32公里的中線測(cè)量和2004年在海拉爾至滿洲里一級(jí)公路189.98公里的控制測(cè)量中推廣使用了靜態(tài)功能這一技術(shù)。據(jù)呼倫貝爾市公路勘察設(shè)計(jì)院有關(guān)專家介紹，經(jīng)過(guò)多次的復(fù)測(cè)驗(yàn)證，GPS技術(shù)定線測(cè)量的精度可以完全滿足公路勘察設(shè)計(jì)和公路建設(shè)的精度要求。3.1 國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路第三標(biāo)段控制測(cè)量3.1.1 建立布網(wǎng)方案國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市境內(nèi)，起迄樁號(hào)為K316+731.38K397+051.56

10、,全長(zhǎng)80.32公里，路基寬24m,路面寬2X7.5m。沿線地形山低坡緩，丘陵起伏平緩，丘頂平坦而寬闊的微丘區(qū)。第三標(biāo)段測(cè)區(qū)內(nèi)原有BJ54坐標(biāo)系的控制點(diǎn)二個(gè)(已知起算點(diǎn))，其中a1(X=519101.952,Y=5447355.019,H=636.014),b1(X=503316.051,Y=5450610.312,H=617.695),根據(jù)工程需要在各公里整樁號(hào)附近加密控制點(diǎn)，以便于測(cè)設(shè)，建立控制網(wǎng)。3.1.2 大地測(cè)量法主要采用大地測(cè)量?jī)x器如經(jīng)緯儀、全站儀、測(cè)距儀等。國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路控制網(wǎng)采用測(cè)邊網(wǎng)，高程采用測(cè)距三角高程，按照觀測(cè)技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并

11、進(jìn)行平差計(jì)算。3.1.3 GPS靜態(tài)測(cè)量法GPS靜態(tài)測(cè)量法就是根據(jù)制定的觀測(cè)方案，將三臺(tái)天寶4800GPS接收機(jī)安置在待定點(diǎn)上同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，直至將所有環(huán)路觀測(cè)完畢。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)平差計(jì)算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)。3.1.4 大地測(cè)量法與gps測(cè)量法結(jié)果比較。由于兩種測(cè)量方法本身的測(cè)量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計(jì)算中觀測(cè)量權(quán)配置等因素引起兩種測(cè)量方法的結(jié)果存在一定的差值，由于其三維坐標(biāo)差值均小于±0mm,因此可以滿足國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路加密施工控制網(wǎng)的精度要求。3.2 GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)在國(guó)道301線牙克石至海拉爾一級(jí)公路工程的應(yīng)用大范圍的密林、房屋地屋

12、段使通視較為困難，而規(guī)范對(duì)附合導(dǎo)線長(zhǎng)、閉合導(dǎo)線長(zhǎng)及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長(zhǎng)度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對(duì)于高等級(jí)公路均要求達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線附合或閉合長(zhǎng)度和結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)間距等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定，這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。內(nèi)蒙古交通監(jiān)理公司于2003年用10人花費(fèi)20天時(shí)間，用全站儀和測(cè)距儀通過(guò)導(dǎo)線形式完成了該路段進(jìn)行了控制測(cè)量。在工程開工前對(duì)該路段實(shí)施GPS的RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)中線進(jìn)行恢復(fù)和校核。以已知控制點(diǎn)JD4、JD5為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在基準(zhǔn)點(diǎn)JD4上架設(shè)GPS基準(zhǔn)臺(tái)，用GPS1H和GPS2兩臺(tái)天寶（Trimble）4800GPS接收機(jī)分別安置在控制點(diǎn)上，測(cè)出點(diǎn)HZ4、ZD7、

13、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三維坐標(biāo)，每點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為5s。根據(jù)所測(cè)坐標(biāo)計(jì)算出相應(yīng)邊長(zhǎng)值。為驗(yàn)證工程在控制測(cè)量的精度，我們分別以JD4和JD5為基準(zhǔn)站對(duì)原加密的控制點(diǎn)A、B、C、D、E也進(jìn)行了RTK測(cè)量，進(jìn)行了坐標(biāo)比較。運(yùn)用GPS測(cè)量的基線有14條，邊長(zhǎng)差值最大為16mm?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)數(shù)7點(diǎn)，除E點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有人為的破壞痕跡外，三維坐標(biāo)能夠比較的元素有27個(gè)，差值小于施工測(cè)量規(guī)范規(guī)定的要求，從以上比較可知，RTK測(cè)量可以用于工程的控制測(cè)量是非常有效的新技術(shù)。原來(lái)10人20天的外業(yè)任務(wù)，使用GPS測(cè)量?jī)H用5人6小時(shí)時(shí)間，可見利用GPS測(cè)量能大大提高作業(yè)的效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了高等級(jí)公路測(cè)

14、設(shè)質(zhì)量。四、小結(jié)通過(guò)以上對(duì)GPS測(cè)量的應(yīng)用事例的探討，可以看出GPS在公路工程的控制測(cè)量上具有很大的發(fā)展前景：第一GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。第二GPS測(cè)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(gè)作業(yè)過(guò)程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。第三GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式。RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測(cè)量、點(diǎn)位測(cè)量等。第四GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少野外砍伐工作量，提高

15、作業(yè)效率。一般GPS測(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的3倍以上。第五GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣，是GPS測(cè)量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢(shì)下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量有困難，GPS高程測(cè)量無(wú)疑是一種有效的手段。相關(guān)文獻(xiàn)1公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)交通部公路科學(xué)研究所人民交通出版社2、公路全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范交通部公路科學(xué)研究所人民交通出版社3、公路勘測(cè)規(guī)范交通部公路科學(xué)研究所人民交通出版社4、公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范交通部公路科學(xué)研究所人民交通出版社（郭世杰男助理工程師內(nèi)蒙古交通監(jiān)理公司蘇和男助理工程師內(nèi)蒙古交通監(jiān)理公司研究方向

16、路橋及工程監(jiān)理）出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮思純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之日能”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事,悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也u-r臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。