GPS定位技术在道路勘测中的应用

摘 要：随着科学技术的飞速发展、公路工程水平的不断提高,GPS定位系统和全站仪在公路工程建设中得到了迅速推广,大大提高了测量的精度,降低了劳动强度,提高了准确性,节省了作业时间.本文介绍了GPS定位技术基本原理、GPS测量实施技术,并概述了GPS定位技术在道路勘测中的几种应用.

关 键 词：GP；道路勘测；应用

一、GPS定位技术基本原理

GPS是指利用GPS定位卫星,在全球范围内实时进行定位、导航的系统,称为全球卫星定位系统,它是采用距离交会法以三角测量的定位原理来进行.GPS所采用的是多星高轨测距体制,并且将GPS卫星和接收机的距离量作为基本观测量.只有在地面GPS接收机接受的卫星信号同时在3颗以上之后,才可以利用位距测量或者是载波相位测量,来进行测算,然后得出卫星信号到接收机所花费的的距离以及时间,最后再根据各卫星所处的位置信息,把卫星到用户的多个等距离球面相交后,就能够获得用户的三维（经度、纬度、高度）数据坐标、速度以及时间等相关参数.GPS的测量中最常通常使用的两类坐标系统是在空间固定的坐标系统和与地球体相固联的坐标系统,又被称作地固坐标系统.在实际应用过程中坐标系统的变换需要根据坐标系统间的转换参数进行,一次来进行坐标系统坐标的推算.这么一来便使得表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果更加容易,因此作为新一代的卫星导航与定位系统——全球定位系统,以其自身的全球性、全天候、高精度、高效益的优点,被广泛地应用于道路勘测中.

二、GPS测量实施技术

(一)GPS测量的外业实施

1.外业选点与埋石

由于GPS测量观测站之间不要求相互通视,网的图形结构也比较灵活,故选点工作比常规控制测量的选点要简便.在选点工作开始前,应先了解测区的地理情况和原有控制点的分布及标石完好情况,再决定其适宜的点位.除此之外,选点工作还应遵守以下原则：

（1）点位应选设在交通方便、视野开阔的地点,视场周围15°以上不应有障碍物,地面基础稳定,易于点的保存.

（2）点位应远离大功率无线电发射源,其距离不小于200m.离高压线的距离不得小于50m,以避免电磁场对GPS信号的干扰.

（3）点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路径效应的影响.

（4）利用旧点时,应对旧点的稳定性、完好性进行检查,符合要求方可利用.GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石,以精确标志点位,点的标石和标志必须稳定、坚固,以利长久保存和使用.标石埋设结束后,应填写点之记并提交选点网图、选点与埋石的工作技术总结.

2.外业观测工作

根据GPS作业调度表安排进行观测,采取静态相对定位,卫星高度角15°,时段长度45min,采样间隔10s.在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向）,量取天线高,测量气象数据,开机观察,当各项指标达到要求时,按接收机的提示输入相关的观测数据,则接收机自动记录,观测者填写测量手簿.然后根据所得的外业数据及时进行处理,解算出基线向量,并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算,从而得出网中各点的坐标成果.在测量的过程中,为避免出现测量误差,应严格限制高频及对讲机等无线电波的使用,避免环境对信号的干扰,从而提高GPS本身的定位精度.

(二)GPS测量的内业计算

GPS测量的内业计算分基线解算和网平差两个阶段.

基线解算的过程：数据传输,按顺序输入点名和天线高.基线解算出来后,还须检查Ratio值,必须≥3；检查基线闭合差,差值必须在规范规定的范围内.

在各项质量检核符合要求后,即可进行网平差.下面以bj-54坐标系为例,简述网平差的过程：首先定义椭球元素,然后选择坐标系统,定义高斯投影,修改置信度,固定已知坐标,最后进行平差,得到待定点的bj-54坐标和基线边长,以及待定点和基线边长的精度评定.

三、GPS定位技术在道路勘测中的应用

高等级公路选线多是在大比例尺（1∶1000或1∶2000）带状地形图上进行.用传统方法测图,先要建立控制点,然后进行碎部测量,绘制成大比例尺地形图.这种方法工作量大,速度慢,花费时间长.用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点,只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟,即可获得每点的坐标、高程.结合输入的点特征编码及属性信息,构成带状所有碎部点的数据,在室内即可用绘图软件成图.由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息,而且采集速度快,因此大大降低了测图难度,既省时又省力,非常实用.

纵横断面放样时,先把需要放样的数据输入到电子手簿中,生成一个施工预放样点的文件,并储存起来,随时可以到现场测量所用；横断面放样时,先确定横断面作业形式（挖、填、半挖半填）,然后把横断面设计有关数据输入电子手簿中（边坡坡度、路肩宽度、设计高）也生成一个施工预放样文件,储存起来,并随时到现场测量放样.还可利用软件自动与地面线衔接进行所谓的“载帽”工作,并利用“断面法”进行填挖土方量的计算.用绘图软件还可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图.因为所采用的数据都是测绘地形图时采集的,不需要到现场进行纵、横断面测量,大大减少了外业工作.而且必要时,可用动态GPS到现场检验复合,这与传统方法相比,既经济又易实现.

(三)道路中线放样

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后,需将公路中线在地面标定出来.采用实时GPS测量时,只需将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中,系统软件就会自动定出放样点的点位.由于每个点测量都是独立完成的,不会产生累计误差,各点放样精度基本相等.高等级公路的路线主要由直线、缓和曲线、圆曲线构成.放样时,只要先输入各主控点桩号,然后输入起终点的方位角、直线段与缓和曲线的距离、圆曲线的半径,这样就可很轻松地进行放样,而且一切工作均由GPS电子手簿完成.另外,如果需要在直线段和曲线段加桩,只需输入加桩号就行,其余的工作由GPS完成.

(四)GPS测量用于高程控制测量的应用

高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统.大地高程系统是以椭球面为基准的高程系统.正高系统是以大地水准面为基准的高程系统.由于正高实际上是无法严格确定的,为实用上的方便,通常采用根据前苏联大地测量学者莫洛金斯基的理论建立的正常高系统.计算正常高的精度,主要取决于大地高差和高程异常的精度,而其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关.表1GPS测量资料与水准测量资料相结合,来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法.这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当,分布比较均匀.利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差,并根据建立的适当大地水准面数学模型,内插出计算点的高程异常或异常差,从而得出特定点的正常高.

从表1中可看出,误差呈现出偶然性,最大偏差+0.060m,最小偏差—0.006m.误差的平均值为-0.043m.把精密水准当作误差很小看待,则GPS高程的中误差为±0.039m.由成果可知,只要点位分布均匀,密度适中,将精密水准资料与GPS测量资料相结合,能够得到高精度的高程测量结果.