全球卫星定位系统在公路测量中的应用

摘 要：随着我国经济的不断增长,高速公路建设也得到了快速的发展,同时GPS　定位测量技术在高速公路测量中发挥了巨大的作用,并充分发挥了它们的优势.GPS　技术应用于公路测量是公路外业勘测的一项重大技术革命,其应用及开发前景十分广阔,尤其是实时动态（RTK）定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力.本文主要介绍了GPS　中的RTK　技术在公路测量中的应用及其对公路勘测的巨大推进作用.

关 键 词：公路测量全球卫星定位系统GPS静态定位动态定位

1.　概述

全球卫星定位系统（global　positioning　system,GPS）诞生于上世纪七十年代的美国,它是一种采用距离交会法的、能够向全球用户全天候提供高精度的、连续实时三维导航、定位能力的无线电导航系统,具有良好的保密性和抗干扰性.随着GPS　工作卫星的不断入轨和GPS　接收机性能的不断提高,GPS　测量技术已广泛用于大地测量、地形测量和工程测量等诸多方面,而在公路勘测中的应用尤为常见.

GPS　由空间卫星群（　由24　颗高约20　万公里,均匀分布于六个轨道面上的卫星组成）、地面控制系统（包括一个主控站、三个注入站和五个监测站）、用户接收系统（主要由无线电传感和计算机技术支撑的GPS　接收机、GPS　数据处理软件等组成）三大部分构成.其应用模式有GPS　静态测量和GPS　动态观测（快速静态方法）两种.

GPS　技术在公路测量中的应用前景随着我国国民经济的快速增长,我省的高等级公路建设迎来前所未有的发展机遇,这就对勘测设计提出了更高的要求.随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展,公路设计已实现CAD　化,有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持,建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链,减少数据转抄、输入等中间环节,是公路勘测设计“内外业一体化”的要求,也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在.目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备,但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制,作业强度大且效率低,大大延长了设计周期.勘测技术的进步在于设备引进和技术改造,在目前的技术条件下引入GPS　技术应当是首选.当前,用GPS　静态或快速静态方法建立沿线总体控制测理,为勘测阶段测绘带状地形图,路线平面、纵面测量提供依据.在施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网,这仅仅是GPS　在公路测量中应用的初级阶段,其实,公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）　技术的应用之中,RTK　技术在公路工程中的应用有着非常广阔的前景.下面就RTK　技术在公路勘测中的应用做简单地介绍.

2.　GPS系统在公路施工测量中的应用[1]

公路工程的施工测量主要应用了GPS　的静态定位功能和动态测放功能两大功能.静态功能是通过GPS　接收机接收到的卫星信息,重复观测确定地面某点的三维坐标；　动态功能是通过卫星系统,建立基站与流动站通过输入控制参数把已知的三维坐标点位,实地放样在地面上.动态功能主要以实时动态（RTK）　技术为主要测量手段.

2.1　静态GPS　测量技术在公路施工测量中的应用

静态GPS　测量技术主要用于公路设计阶段建立公路首级控制网,在施工测量中静态GPS　测量技术应用的还不是太广泛,GPS　静态测量在施工测量中主要用于进场前对设计提供的控制网中的导线点进行复核及加密工作,通过在设时布设的GPS　点上重新架设GPS　接收机,观测确定设计提供的该点的坐标以校对其精度,如果采集的坐标与设计提供的不满足规范应进行平差,其次利用GPS　静态对设计提供不满足施工需要的导线点进行加密.这样可大大加快全线的施工测量速度.

2.2　实时动态（　RTK）　技术在公路施工测量中的应用

实时动态（　Real　Time　Kinematic―RTK）　定位技术,是GPS　测量技术与数据传输技术相结合的产物,是GPS　测量技术发展中的一个新突破,动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,可以布设各等级的路线带状平面控制网、路线中线、构造物等测放工作.在公路施工过程中,动态测量可以进行施工放样,通过设立基站和流动站,全程只作业一次可完成整个作业范围内的中线及结构物放样,还可以在驻地设立永久基站,这样就可以随时进行施工放样,大大地节约了时间,比全站仪省去一部分辅助测量工作,从而节约了施工成本.

2.2.1　实时动态（PTK）定位技术简介

实时动态（PTK）定位技术是以载波相位观测值为依据的实时差分GPS（PTDHPS）技术,它是GPS测量技术发展的一个新突破,在公路工程中有广阔的应用前景.众所周知,无论静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果,而且也无对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果.解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性,这样一来就降低了GPS　测量的工作效率.

实时动态（RTK）定位技术由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位静度较高的首级控制点作为基准点,安置一台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测.流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度.这样用户就可以实时监测待测点数据观测质量和基线解算结果的收敛情况,根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率.

2.2.2　应用

实时动态（RTK）定位技术有快速静态定位和动态定位两种测量模式,两种定位模式相结合,在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集.（1）快速静态定位模式要求GPS　接收机在每一流动站上静止地进行观测.在观测过程中,同时接受基准站和卫星的同步观测数据,实时解算整周末知数和用户站的三维坐标.如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测.一般应用在控制测量中,如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量）,受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难,而采用PTK　快速静态测量,可起到事半功倍的效果.单点定位只需要5―10mins（随着科技的不断发展,定位时间还会缩短）,不及静态测量所需时间的五分之一,在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作.

（2）动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需要2-10s）进行初始化工作,之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时确定采样点的空间位置.目前,其定位精度可以达到厘米级.动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景,可以完成地形图绘测、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作.测量2-4s,精度就可以达到1-3cm,且整个测量过程不需通视,有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点.

2.3　RTK　技术的优点

（1）实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）.

（2）彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS　作业效率.

（3）作业效率高,每个放样点只需停留1―2s,流动站小组作业,每小组3―4　人可完成中线测量5-10km.若用其进行地形测量,每小组每天可以完成0.8-1.5km2　的地形测绘,其精度和效率是常规测量所无法比拟的.

（4）在中线放样的同时完成中桩抄平工作.

（5）应用范围广,可以涵盖公路测量（包括平、纵、横）、施工放样、监理、竣工测量、养护测量、GIS前端数据采集诸多方面.

（6）　如辅助相应得软件,RTK　可与全站仪联合作业,充分发挥RTK　与全站仪各自的优势.

总之,GPS　静态定位技术和动态定位技术相结合可以高效、高精度地完成公路平面控制测量,生产过程中采用常规方法和GPS　技术相结合的生产流程可以极大提高生产效率.随着GPS　技术及RTK技术的发展,具有自主专利技术的仪器在工程实际建设中发挥着重要作用.

3.　结束语

我国国民经济的持续性快速发展,为公路建设尤其是高等级公路建设提供了难得的发展契机,相应地对勘测方法和水平也提出了新的更高要求.近些年来,实时动态定位技术（RTK）渐趋成熟,它所具有的精度高、速度快和可靠性强等特点,恰好符合新形势下对公路勘测提出的更高要求.RTK　是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS　技术,是GPS　测量技术取得的一个新突破.由基准站和流动站构成的RTK　系统能实时地得出所在位置的空间三维坐标,直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等,非常适合于路线、桥梁以及隧道勘察.采用RTK　进行控制测量,能够克服传统测量方法因转站过多而引起累积误差的缺点,有效控制了测量精度.同时能够实时知道定位精度和观测质量.这样,不仅大幅度降低了工作强度和勘测设计成本,还极大地提高了工作效率,测量一个控制点仅需几分钟甚至于几秒钟,加快了勘察设计进度.RTK　的应用模式也有静态定位和动态定位之分,将两种测量模式结合应用,在公路勘测设计中可以绘制大比例尺地图,进行道路中线、桥梁结构物以及道路的横、纵断放样和土石方量计算等.它将彻底改变公路测量模式,应用前景十分广阔.