【正文】 GPS在公路工程控制測(cè)量中的應(yīng)用 【摘要】 GPS（ Global Positioning System)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。本文將以開(kāi)封市的省公路路網(wǎng)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)（ Global Positioning System)在公路 工程測(cè)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(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)。 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。 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 60o，軌道和地球赤道的 傾角 為 55o，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 4到 11顆 GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)。 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。 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+lppm RTK測(cè)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(cè)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(huì)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(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(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： WGS84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)： 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。 GPS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(kāi)闊，以使接收 GPS衛(wèi)星 信號(hào)不受干擾。 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) 12106，而在 100～ 500公里的基線上可達(dá) 106～ 107。 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 30～ 40min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 RT K法可在 5s以內(nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。 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 。 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(kāi)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。 全天候作業(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。開(kāi)封市的省路網(wǎng)改造項(xiàng)目應(yīng)用 GPS測(cè)量是于 2020年開(kāi)始的， 2020年在省道豫 04線和尉氏 通許段 48公里的中線測(cè)量和國(guó)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(kāi)封市公路工程勘察設(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。 國(guó)道 310線鄭汴高速連接線控制測(cè)量 國(guó)道 310線鄭汴高速連接線北連鄭汴高速，向南穿越正在開(kāi)發(fā)的開(kāi)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(cè)區(qū)內(nèi)原有 BJ54坐標(biāo)系的 E級(jí)控制點(diǎn)二個(gè) (已知起算點(diǎn) )，其中 a1 （X=， Y=， H=）位于醫(yī)藥商廈門(mén)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(shū)店、雕塑、檢察院附近加密控制點(diǎn)，以便于測(cè)設(shè)，我們?nèi)鐖D 1建立控制網(wǎng)。 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 310線鄭汴高速連接線控制網(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)處理并進(jìn)行平差計(jì)算其結(jié)果見(jiàn)表 1。 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) (a2,c1,c2,c3)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)見(jiàn)表 2。 大地測(cè)量法與 GPS測(cè)量法結(jié)果比較 見(jiàn)表 3。 由表 3可知：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 177。10mm，因此可以滿足國(guó)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(dòng)態(tài)測(cè)量（ RTK）在東京大道新建工程的應(yīng)用 東京大道新建工程周?chē)貏?shì)起伏較大，在北城墻外 JD4～ JD5區(qū)間 穿越五十公頃面積的國(guó)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(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)。開(kāi)封市公路局勘察設(shè)計(jì)院于 2020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。 2020年在工程開(kāi)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。見(jiàn)圖示： 以已知控制點(diǎn) JD 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) HZ ZD ZD ZD ZD ZH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。表 4測(cè)量基線邊長(zhǎng)比較表。 為驗(yàn)證市勘察設(shè)計(jì)院 2020年的對(duì)東京大道新建工程在控制測(cè)量的精度，我們分別以 JD4和 JD5為基準(zhǔn)站對(duì)國(guó)家森林公園周?chē)用艿目刂泣c(diǎn)（見(jiàn)圖 3） A、 B、 C、 D、 E也進(jìn)行了 RTK測(cè)量，進(jìn)行了坐標(biāo)比較，見(jiàn)表 5。 由表 表 5可知：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(jiàn)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)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。 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(jiǎn)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(kù)，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(kù) 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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)的方法將測(cè)量定位技術(shù)擴(kuò)展到海洋和外層空間，同時(shí)從定點(diǎn)擴(kuò)展到區(qū)域，從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，精度達(dá)到毫米級(jí)，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(yùn)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(wú)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(shí)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(shí)各個(gè)領(lǐng)域都需要掌握對(duì)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(lái)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(dòng)式工作衛(wèi)星： 26顆衛(wèi)星分布 6個(gè)橢圓軌道上，長(zhǎng)半軸 26600km，高度 20200km，時(shí)間基準(zhǔn) 1012?/FONT1013秒 ? 控制部分：軌道預(yù)報(bào)（監(jiān)測(cè)和控制衛(wèi)星系統(tǒng)），確定系統(tǒng)時(shí)間，預(yù)報(bào)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(jī)（由帶前置放大器的天線、信號(hào)識(shí)別和處理的射頻倉(cāng)、微處理器、精密振蕩器、電源、顯示屏、內(nèi)存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成）。 觀測(cè)原理和信號(hào)結(jié)構(gòu)： ? 基本觀測(cè)量：衛(wèi)星發(fā)射天線和接收機(jī)天線間信號(hào)傳播時(shí)間 ? 偽距測(cè)量由時(shí)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(guó)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(shí)鐘加抖動(dòng)或使時(shí)間系統(tǒng)不穩(wěn)定。） 導(dǎo)航精度： 10?/FONT15米 動(dòng)態(tài)測(cè)量精度：亞米級(jí) 靜態(tài)測(cè)量精度：毫米級(jí) GPS系統(tǒng)的應(yīng)用 ? 在科學(xué)研究方面，利用 GPS的觀測(cè)精度（毫米級(jí)）和時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)地球的動(dòng)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(shí)利用衛(wèi)星軌道的測(cè)定和影響參數(shù)的分析可對(duì)地球引力系數(shù)，自轉(zhuǎn)、