GPS技術(shù)在高速公路測量工程中的應(yīng)用分析
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論文導(dǎo)讀：GPS接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)測地定位的必備條件，有單頻與雙頻兩個(gè)頻段：雙頻機(jī)適宜于大于20km中、長基線測量，具有快速靜態(tài)測量的功能，可升級(jí)為RTK功能。RTK系統(tǒng)由GPS接收設(shè)備、無線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備組成，其具有便攜性、操作簡便性、觀測時(shí)間短、實(shí)時(shí)可靠性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足公路工程測量的要求，在高速公路測量中蘊(yùn)含著巨大的技術(shù)潛力。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)，另一類是與地球相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)，以便于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測成果，在高速公路測量工程中得到了廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：GPS，RTK，高速公路測量，精度評(píng)價(jià)
1 GPS測量概況
GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸�？杖娐�(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，經(jīng)過20余年的研究實(shí)驗(yàn)，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。
GPS接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)測地定位的必備條件，有單頻與雙頻兩個(gè)頻段：雙頻機(jī)適宜于大于20km中、長基線測量，具有快速靜態(tài)測量的功能，可升級(jí)為RTK功能；單頻機(jī)適宜于小于20km的短基線測量，適用于一般工程測量。RTK系統(tǒng)由GPS接收設(shè)備、無線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備組成，其具有便攜性、操作簡便性、觀測時(shí)間短、實(shí)時(shí)可靠性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足公路工程測量的要求，在高速公路測量中蘊(yùn)含著巨大的技術(shù)潛力。
2 GPS測量原理
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)。在需要的位置點(diǎn)P架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻t同時(shí)接收了三顆（A、B、C）以上GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列的數(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，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的三維坐標(biāo)。從而用距離交會(huì)的方法求得P點(diǎn)維坐標(biāo)（Xp,Yp,Zp），其數(shù)學(xué)公式為：
SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]
SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]
SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)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t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)，另一類是與地球相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)，以便于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理GPS觀測成果，在高速公路測量工程中得到了廣泛應(yīng)用。
3 GPS技術(shù)在高速公路測量中的應(yīng)用
3.1勘測階段
高速公路勘測階段，首先要進(jìn)行控制測量，其主要任務(wù)是根據(jù)路線的基本走向布設(shè)控制點(diǎn)，進(jìn)行平面控制測量和高程控制測量，作為測繪路線地形圖、定線測設(shè)和施工放樣的重要基礎(chǔ)。利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線法進(jìn)行路線控制測量，具有布網(wǎng)靈活、外業(yè)觀測速度快、全天候作業(yè)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)內(nèi)業(yè)處理可在統(tǒng)一坐標(biāo)系下提供控制點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。發(fā)表論文。
3.2 RTK技術(shù)
RTK技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分測量技術(shù)，是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破，在高速公路測量工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。RTK定位技術(shù)需要在兩臺(tái)GPS接收機(jī)間增設(shè)一套無線數(shù)字通訊系統(tǒng)，將兩個(gè)相對獨(dú)立的GPS信號(hào)接收系統(tǒng)聯(lián)成有機(jī)整體�；鶞�(zhǔn)站通過電臺(tái)將觀測信息和測站數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站將基準(zhǔn)站觀測信號(hào)進(jìn)行差分處理，解出兩站間的基線值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到測點(diǎn)坐標(biāo)，因此，RTK技術(shù)還有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力（圖1）。
圖1 GPS-RTK系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖
其原理是，在精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過發(fā)射臺(tái)實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)觀測站。在流動(dòng)觀測站上，GPS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)通過接收電臺(tái)接收基準(zhǔn)站傳送的數(shù)據(jù)，然后利用電子手簿根據(jù)相對定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測量精度。發(fā)表論文。RTK的動(dòng)態(tài)定位與靜態(tài)定位兩種模式相結(jié)合，在公路路線勘測設(shè)計(jì)中應(yīng)用于地形圖測繪、公路中線測量、縱橫斷面測量等，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪圖。
3.3 RTK技術(shù)在高速公路測量工程中的應(yīng)用
3.3.1進(jìn)行線路勘察設(shè)計(jì)
在高速公路選線的過程中，如何準(zhǔn)確地選擇路線使其盡量避開地勢崎嶇的地帶及居民點(diǎn)和農(nóng)田是一個(gè)重要問題，這就可以使用RTK技術(shù)，用車載GPS-RTK接收機(jī)做流動(dòng)站，按原路中線一定方向間隔采集數(shù)據(jù)，選擇另一個(gè)已知點(diǎn)為參考站，遇到重要地物準(zhǔn)確定位，完畢后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用軟件可以方便地在計(jì)算機(jī)上選線。公路設(shè)計(jì)人員在大比例尺地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來。采用實(shí)時(shí)GPS測量，只需將中樁點(diǎn)坐標(biāo)或坐標(biāo)文件輸入到電子手簿中，軟件可以自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的點(diǎn)位。發(fā)表論文。
3.3.2繪制大比例尺地形圖
高速公路選線大多是在1:1000或1:2000大比例尺帶狀地形圖上進(jìn)行的。應(yīng)用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測量技術(shù)，只需在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上停留幾分鐘，即可獲得每點(diǎn)的坐標(biāo)及高程。結(jié)合點(diǎn)特征編碼及屬性信息，將點(diǎn)的組合數(shù)據(jù)導(dǎo)入的計(jì)算機(jī)，即可用南方CASS等繪圖軟件成圖，降低了測圖難度，大大提高了工作效率。
3.3.3應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行公路中線測量
應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行公路中線測量，可同時(shí)完成傳統(tǒng)測量方法中的放線測量、中樁測量、中平測量等工作,基本作業(yè)方法是：在路線控制點(diǎn)上架設(shè)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，流動(dòng)站測設(shè)路線點(diǎn)位并進(jìn)行打樁作業(yè)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的路線參數(shù)，利用路線計(jì)算程序和GPS配套的電子手簿計(jì)算路線中樁的設(shè)計(jì)坐標(biāo)。在流動(dòng)站的測設(shè)操作下，只要輸入要測設(shè)的參考點(diǎn)號(hào)，然后按解算鍵，顯示屏可及時(shí)顯示當(dāng)前桿位和到設(shè)計(jì)樁位的方向與距離，移動(dòng)桿位，當(dāng)屏幕顯示桿位與設(shè)計(jì)點(diǎn)位重合時(shí)，在桿位處打樁寫號(hào)即可。這樣逐樁進(jìn)行，可快速在地面上測設(shè)中樁并測得中樁高程。并且每個(gè)點(diǎn)的測設(shè)都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。
3.3 RTK技術(shù)在庫庫高速測量中的應(yīng)用
RTK放樣結(jié)果的精度，除受基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度影響外，還受模糊度解算誤差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差等影響，我們在庫庫（庫車—庫爾勒）高速公路測量工程項(xiàng)目的實(shí)際放樣工作中，流動(dòng)站在放樣施測的同時(shí)，對沿線的已知GPS控制點(diǎn)進(jìn)行了比對（如下表1、表2所示）。
表1 全站儀與RTK同樁號(hào)坐標(biāo)較差比較
樁號(hào) 坐標(biāo)較差ΔX(m) 坐標(biāo)較差ΔY(m) 坐標(biāo)較差ΔZ(m) RTK定位所需時(shí)間
K0 +1200.0210.0250.0124
K0 +5500.0150.0190.0253
K1+5400.0010.0050.0113
K2+3400.0020.1100.0135
K4+180 0.0130.0210.0182
K6+2200.0200.0150.02515
K7+5000.0040.0060.0114
K9+380 0.0070.0020.0098
K10+0000.0170.0240.07428
表2 10km坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)表
點(diǎn)位合成方向較差分級(jí)C C≤0.02m 0.02m<C≤0.05m 0.05 m <C≤0.07m 0.07m<C≤0.10m
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
點(diǎn)位數(shù)百分比494182
從表2統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出， RTK測量的點(diǎn)位精度可達(dá)厘米級(jí)，與傳統(tǒng)測量方法相比不存在誤差累積，能夠很好地滿足高速公路放樣測量的精度要求。
4 結(jié)束語
將GPS技術(shù)應(yīng)用于高速公路測量能夠極大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高工作效率及成果質(zhì)量，非常適合于地形復(fù)雜的高速公路測量，這是傳統(tǒng)的公路測量作業(yè)方式無法比擬的。其中，GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用于道路地形測繪、公路中線測量等工作，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸處理，在公路勘察設(shè)計(jì)單位和公路施工單位均有重要廣闊的應(yīng)用前景�？傊诠方ㄔO(shè)領(lǐng)域我們應(yīng)加強(qiáng)GPS衛(wèi)星定位技術(shù)特別是RTK技術(shù)的應(yīng)用，以促國家高速公路建設(shè)的發(fā)展。
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