浅析GPS测量技术在路桥建设中的应用

　　摘要：GPS全球定位系统作为新形式测量系统，已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。GPS全球定位系统（globalpositioningsystem）在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。
　　
　　关键词：GPS定位系统；公路工程；桥梁工程；工程测量
　　
　　1GPS系统的简要介绍
　　1．1含义及组成
　　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，测量用户还应有卫星接收设备。
　　（1）空间卫星群
　　GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的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度，轨道和地球赤道的倾角为55度，卫星的轨道运行周期为11小时58分，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到11颗GPS卫星发送出的信号。
　　（2）GPS的地面控制系统
　　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。
　　（3）GPS的用户部分
　　GPS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。
　　１．２GPS测量的技术特点
　　相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：
　　（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）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。量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×，而在100-500公里的基线上可达～。
　　（3）观测时间短
　　小于20公里的短基线上，快速相对定位一般只需5分钟观测时间即可
　　（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。
　　（5）操作简便
　　GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，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。
　　（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。
　　２GPS系统在公路工程测量中的应用
　　公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，也有布设成三角网、线形锁等形式。
　　２．１常规测量方法的缺陷
　　（1）规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度最长不得超过10公里，结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍。这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。
　　（2）搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统，往往国测、军测、城市控制点混杂一起，这就存在系统间的兼容性问题，如果用不兼容的起算点，势必影响测量质量。
　　（3）国家大地点破坏严重，影响测量作业。由于国家基础控制点，大多为五六十年代完成，经过30多年，有些点由于经济建设的需要被破坏，有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业，往往在50公里以上均找不到导线的联测点。这样路线控制测量的质量得不到保证。
　　（4）地面通视困难往往影响常规测量的实施。一般路线的控制点要求布设在距路线的300米范围内。由于通视的原因，这一条件难以满足，甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区，根本无法实施常规控制测量。利用GPS测量能克服上述列举的缺陷，并提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。
　　２．２GPS测量的实际应用
　　现以一实际施工为例，该市公路工程全线长约60km，所处地形为重丘区，路线设计为6车道。该段有11个各种系统的平面控制点，找到了7个，其中有4个被破坏，破坏中有2个是国家Ⅱ等点。在已找出的7个控制点中，国家测绘局系统Ⅰ等点1个，Ⅲ等点1个；城市测量系统点2个；总参军控点3个。这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。为提高该公路路段测设质量，决定在国家测绘系统基础进行控制点的加密。加密的控制点布设方案是：沿公路路线每10ｋｍ布设一对点，该对点相距约1ｋｍ，且应通视良好。这样，该段共设了6对GPS加密点，加密点的精度要达到四等控制网的要求。该四等网采用4台Trimblese400单频接收机作业。该机的标称精度10ｍｍ＋2ppm。四等网的观测时间为90min。数据采样间隔为15ｓ。通过平差处理，该四等网最弱点位中误差为4.11ｃｍ，平均点位中误差3.18ｃｍ，最弱边相对中误差１／27669，平均边长相对中误差１／453578。整个四等网作业仅花4ｄ时间。其效率较常规测量手段至少提高3倍。经过平差处理，网中最弱点点位中误差为4.13ｃｍ，最弱边相对中误差为1／12.5万。控制网的各项指标达到甚至超过国家四等网的技术要求。近600ｋｍ的GPS控制网，仅用两个外业组，10个作业员，7台GPS接收机，约20ｄ的作业时间。若采用常规测量方法在相同人手的情况下，至少需要三个月的时间才能完成。
　　３ＧＰＳ在公路工程的控制测量上的发展前景
　　公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景。
　　(1)GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。
　　(2)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，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。
　　(3)GPSRTK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维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。
　　(4)GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，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。
　　(5)GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，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有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。
　　
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