【正文】 GPS在公路工程控制測量中的應(yīng)用 【摘要】 GPS（ Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是美國研制并在 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)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。在測量領(lǐng)域， GPS系統(tǒng)已廣泛用于大地測量、 工程測量 、航空攝影測量以及地形測量等各個方面。本文將以開封市的省公路路網(wǎng)項目為例，概略敘述 GPS系統(tǒng)在公路 工程控制測量中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： GPS定位系統(tǒng) 公路工程 控制測量 應(yīng)用 一、概述 GPS全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System)在公路 工程測量 中的應(yīng)用，在最近的兩年得到了迅速推廣，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 測量領(lǐng)域的應(yīng)用特點。 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，測量用戶當(dāng)然還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。 空間衛(wèi)星群 GPS的空間衛(wèi)星群由 24顆高約 20萬公里的 GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在 6個軌道面上，各平面之間交角為 60o，軌道和地球赤道的 傾角 為 55o，衛(wèi)星的軌道運行周期為 11小時 58分，這樣可以保證在任 何時間和任何地點地平線以上可以接收 4到 11顆 GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。 GPS的地面控制系統(tǒng) GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對 GPS的觀測數(shù)據(jù)計算衛(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)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時還對衛(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，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計算的數(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、太平洋和美國本土。 GPS的用戶部分由 GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進(jìn)行導(dǎo)航定位等。在測量領(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 工程測量 帶來了極大的方便。例如：我們在控制測量中使用的天寶（ Trimble） 4800GPS測地型接收機其技術(shù)指標(biāo)為： 雙頻 主機、天線， RTK電臺一體化； 獨特的電池設(shè)計、無需接線，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)存儲卡 。 測量精度： 靜態(tài)測量 5mm+lppm RTK測量 10mm十 1ppm（平面） 20mm十 1ppm(高程 ） 這些技術(shù)指標(biāo)充分的滿足了控制測量的精度要求。 GPS的工作原理 GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。如圖 l示：在需要的位置 P點架設(shè) GPS接收機，在某一時刻 ti同時接收了 3顆 (A、 B、 C)以上的 GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻 GPS接收機至 GPS衛(wèi)星的距離 SAP、 SBP、 SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置 (三維坐標(biāo) )。從 而用距離交會的方法求得 P點的維坐標(biāo) (Xp,Yp， Zp)，其數(shù)學(xué)式為： SAP2=[( XpXA)2+(YpYA) 2+(Zp+ZA) 2] SBP2=[( XpXB)2+(YpYB) 2+(Zp+ZB) 2] SCP2=[( XpXC)2+(YpYC) 2+(Zp+ZC) 2] 式中 (XA， YA， ZA), (XB， YB， ZB), (XC， YC， ZC)分別為衛(wèi)星 A， B， C 在時刻 ti的空間直角坐標(biāo)。在 GPS測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)，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)。（如： WGS84世界大地坐標(biāo)系和 1980年西安大地坐標(biāo)系。）在實際使用中需要根據(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)地面控制點的位置和處理 GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應(yīng)用。 二 GPS測量的技術(shù)特點 相對于常規(guī)的測量方法來講， GPS測量有以下特點： 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。 定位精度高。一般雙頻 GPS接收機基線解精度為 5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為 5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長， GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達(dá) 12106，而在 100～ 500公里的基線上可達(dá) 106～ 107。 觀測時間短。 觀測時間短 采用 GPS布設(shè)控制網(wǎng)時每個測站上的觀測時間一般在 30～ 40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時間更短。例如使用 Timble4800GPS接收機的 RT K法可在 5s以內(nèi)求得測點坐標(biāo)。 提供三維坐標(biāo)。 GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地 高程 。 操作簡便。 GPS測量的自動化程度很高。目前 GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測點三維坐標(biāo)。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。 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。 三、 GPS系統(tǒng)在實際測量工作中的應(yīng)用， 公路工程的測量主要應(yīng)用了 GPS的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點的三維坐標(biāo)；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點位，實地放樣地面上。開封市的省路網(wǎng)改造項目應(yīng)用 GPS測量是于 2020年開始的， 2020年在省道豫 04線和尉氏 通許段 48公里的中線測量和國道 310線鄭汴高速連接線 用了靜態(tài)功能這一技術(shù)。 據(jù)開封市公路工程勘察設(shè)計院有關(guān)專家介紹，經(jīng)過多次的復(fù)測驗證， GPS技術(shù)定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設(shè)計和公路建設(shè)的精度要求。 國道 310線鄭汴高速連接線控制測量 國道 310線鄭汴高速連接線北連鄭汴高速，向南穿越正在開發(fā)的開封經(jīng)濟(jì)技術(shù)園區(qū)，地物地貌較為復(fù)雜，部分區(qū)域和方向有遮擋，該測區(qū)內(nèi)原有 BJ54坐標(biāo)系的 E級控制點二個 (已知起算點 )，其中 a1 （X=， Y=， H=）位于醫(yī)藥商廈門前， b1 （ X=，Y=， H=）位于大學(xué)西邊的路口處，根據(jù)工程需要在市委、水利局、書店、雕塑、檢察院附近加密控制點，以便于測設(shè)，我們?nèi)鐖D 1建立控制網(wǎng)。 大地測量法 主要采用大地測量儀器如經(jīng) 緯儀、全站儀、測距儀等。國道 310線鄭汴高速連接線控制網(wǎng)采用 測邊網(wǎng)， 高程 采用測距三角高程， 按照觀測技術(shù)要 求進(jìn)行施測。外 業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行平差計算其結(jié)果見表 1。 GPS靜態(tài)測量 法 GPS靜態(tài)測量 法就是根據(jù)制定的觀測方案，將三臺天寶 4800GPS接收機安置在待定點 (a2,c1,c2,c3)上 同時接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差計算得到54北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)見表 2。 大地測量法與 GPS測量法結(jié)果比較 見表 3。 由表 3可知：由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計算中觀測量權(quán)配置等因素引起兩種測量方法的結(jié)果存在一定的差值，由于其三維坐標(biāo)差值均小于 177。10mm，因此可以滿足國道 310線鄭汴高速連接線加密施工控制網(wǎng)的精度要求。 GPS的動態(tài)測量（ RTK）在東京大道新建工程的應(yīng)用 東京大道新建工程周圍地勢起伏較大，在北城墻外 JD4～ JD5區(qū)間 穿越五十公頃面積的國家森林公園，大范圍的密林、密灌地使通視較為困難，而規(guī)范對附合導(dǎo)線長、閉合導(dǎo)線長及 結(jié)點 導(dǎo)線間長度等有嚴(yán)格規(guī)定，一般對于高等級公路均要求達(dá)到一級導(dǎo)線要求。這樣，導(dǎo)線附合或閉合長度和 結(jié)點 導(dǎo)線 結(jié)點 間距 等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定，這種要求一般在實際作業(yè)中難以達(dá)到，往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。開封市公路局勘察設(shè)計院于 2020年用 10人花費 20天時間，用全站儀和測距儀通過導(dǎo)線形式完成了該路段進(jìn)行了控制測量。 2020年在工程開工前對 該路段 實施 GPS的 RTK動態(tài)測量，對中線進(jìn)行恢復(fù)和校核。見圖示： 以已知控制點 JD JD5為基準(zhǔn)點，然后在基準(zhǔn)點 JD4上架設(shè) GPS基準(zhǔn)臺，用 GPS1H和 GPS2兩臺天寶（ Trimble） 4800GPS接收機分別安置在控制點上，測出點 HZ ZD ZD ZD ZD ZH的三維坐標(biāo)，每點測量時間為 5s。根據(jù)所測坐標(biāo)計算出相應(yīng)邊長值。表 4測量基線邊長比較表。 為驗證市勘察設(shè)計院 2020年的對東京大道新建工程在控制測量的精度，我們分別以 JD4和 JD5為基準(zhǔn)站對國家森林公園周圍原加密的控制點（見圖 3） A、 B、 C、 D、 E也進(jìn)行了 RTK測量，進(jìn)行了坐標(biāo)比較，見表 5。 由表 表 5可知：運用 GPS測量的基線有 14條，邊長差值最大為 16mm?？刂泣c坐標(biāo)測量點數(shù) 7點，除 E點發(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，差值小于施工測量規(guī)范規(guī)定的要求，從以上比較可知， RTK測量可以用于工程的控制測量是非常有效的新技術(shù)。原來 10人 20天的外業(yè)任務(wù)，使用 GPS測量僅用 5人 6小時時間，可見利用 GPS測量能大大提高作業(yè)的效率，減輕勞動強度，保證了高等級公路測設(shè)質(zhì)量。 四、小結(jié) 通過以上對 GPS測量的應(yīng)用事例的探討 ，可以看出 GPS在公路工程的控制測量上具有很大的發(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)、局部重點工程地區(qū)等。 第二 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)過程全由微電子技術(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。 第三 GPSRTK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)行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。 第四 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。 第五 GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是 GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測量有困難， GPS高程測量無疑是一種有效的手段。 GPS在地理信息數(shù)據(jù)采集和更新方面的應(yīng)用 摘要： 本文簡要介紹了 GPS系統(tǒng)的功能和現(xiàn)狀、 GIS系統(tǒng)和安徽省地理信息數(shù)據(jù)庫，以及 GPS在地理信息數(shù)據(jù)的更新方 面的應(yīng)用成果和前景。 關(guān)鍵詞： GPS GIS 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫 引言： GPS系統(tǒng)這一全新的現(xiàn)代定位方法已全面取代常規(guī)光學(xué)和電子儀器，與現(xiàn)代通訊和計算機技術(shù)相結(jié)合，以同時測定三維坐標(biāo)的方法將測量定位技術(shù)擴(kuò)展到海洋和外層空間，同時從定點擴(kuò)展到區(qū)域，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，精度達(dá)到毫米級，從而大大拓寬了應(yīng)用范圍，在地球物理學(xué)、氣象、海洋、交通等領(lǐng)域獲得了廣泛運用。 GPS系統(tǒng)介紹和現(xiàn)狀 GPS全稱為全球定位系統(tǒng)（ Global Position System），硬件是由環(huán)球通訊衛(wèi)星和接收裝置組成，基于衛(wèi)星的無線 電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、導(dǎo)航與時間信息。隨著地球的數(shù)字化進(jìn)程，微電子技術(shù)和 GIS技術(shù)獲得重大進(jìn)展，衛(wèi)星導(dǎo)航、定位的理論已趨成熟，同時各個領(lǐng)域都需要掌握對空間資料的處理和利用的基本技術(shù)， GPS將作為通用設(shè)備越來越多地應(yīng)用于科研和民用領(lǐng)域。 GPS系統(tǒng)由 3部分組成： ? 空間部分：主動式工作衛(wèi)星： 26顆衛(wèi)星分布 6個橢圓軌道上，長半軸 26600km，高度 20200km，時間基準(zhǔn) 1012?/FONT1013秒 ? 控制部分：軌道預(yù)報（監(jiān)測和控制衛(wèi)星系統(tǒng)），確定系統(tǒng)時間，預(yù)報衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星 鐘狀態(tài)，更新衛(wèi)星導(dǎo)航電文。 ? 用戶部分：不同類型的接收機（由帶前置放大器的天線、信號識別和處理的射頻倉、微處理器、精密振蕩器、電源、顯示屏、內(nèi)存和數(shù)據(jù)存儲器組成）。 觀測原理和信號結(jié)構(gòu)： ? 基本觀測量：衛(wèi)星發(fā)射天線和接收機天線間信號傳播時間 ? 偽距測量由時間系統(tǒng)同步誤差參數(shù)決定 ? 軌道確定和描述保證衛(wèi)星精確定位 ? 系統(tǒng)精度：（美國政府出于軍事利益上的原因?qū)冗M(jìn)行了人為限制：（ 1）、 AS政策：加密P碼（ 2）、 SA政策：選擇利用性： a：在星歷數(shù)據(jù)中加干擾 b：衛(wèi)星時鐘加抖動或使時間系統(tǒng)不穩(wěn)定。） 導(dǎo)航精度： 10?/FONT15米 動態(tài)測量精度：亞米級 靜態(tài)測量精度：毫米級 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用 ? 在科學(xué)研究方面，利用 GPS的觀測精度（毫米級）和時空分辨率監(jiān)測地球的動態(tài)變化，從而剖析地球內(nèi)部和地殼、大氣層、海洋等的變化情況；同時利用衛(wèi)星軌道的測定和影響參數(shù)的分析可對地球引力系數(shù)，自轉(zhuǎn)、