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1、GPS在公路测量中的应用摘 要 GPS（Global Positioning System)全球定位系统是随着现代科学的发展而兴起的先进导航、定位技术。由于GPS测量有传统测量不可取代的优点，GPS测量在工程测量中的地位日益重要，相关的技术知识也发展很快。这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。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。GPS技术、RTK技术等数字测绘技术正广泛地应用于工程测量中，并发挥主导作用。本文简要介绍了GPS的三个组成部分：空间、控制、用户; GPS测量技术的原理，发展状态以及GPS
2、测量的特点和方法。本文通过NGS-200 GPS在盘石头水库永久公路测量中的应用，结合生产实践和对成果分析，介绍外业实际操作和内业平差计算中的一些体会。关键词： GPS定位系统 RTK 控制测量 目录摘 要- 1 -前 言- 3 -1概述- 4 -1.1 全球定位系统（GPS）的构成- 4 -1.1.1 GPS系统的组成- 4 -1.1.2 空间卫星群- 4 -1.1.3 GPS的地面控制系统- 4 -1.1.4 GPS的用户部分- 4 -1.2 全球定位系统（GPS）定位原理- 5 -1.3 GPS测量的技术特点- 6 -1.4RTK 技术- 6 -1.4.1 RTK 技术简介- 6 -1.
3、4.2 RTK 技术的基本原理- 7 -1.4.3 RTK 系统的组成- 7 -1.4.4 RTK 技术的特点- 8 -1.5 GPS测量的优点- 8 -2GPS在公路测量中的应用- 9 -2.1 GPS网的布设- 9 -2.2 GPS网外业观测- 9 -2.2.1 仪器装备- 9 -2.2.2 观测采用技术指标- 9 -2.2.3 观测时段选择- 10 -2.2.4 外业观测措施- 10 -2.3 外业数据处理及检核- 10 -2.3.1 GPS基线成果可靠性指标检测与方法- 10 -2.3.2 同步环检验- 11 -2.3.3 独立异步环检验- 11 -2.3.4 复测基线对比- 11 -
4、2.4 网平差和成果评价- 12 -2.5 几点体会- 12 -3小结- 13 -参考文献- 14 -前 言 在科学技术就是生产力的新时代，时间就是生产力，效率就是效益。如何在激烈的竞争中得以生存，改变工作手段，充分利用先进的设备，掌握先进的技术，是时代的呼唤，是实在必行的。在公路行业，作为先锋军的测量专业，社会的发展已经打破了传统的作业方式（即耗时耗力的常规测量，比如用经纬仪、半站仪、全站仪进行边角测量），代表测绘发展方向RTK测量的问世，几年间就为测绘、土地、交通、水利、电力等行业的发展，开辟了一个极其广阔的天地。GPS测量在公路中的实践表明，这种测量方式，尤其是RTK测量，不仅能更好的保
5、证精度，而且大大的降低了野外作业的劳动强度，大大的提高了野外的作业速度，减少了野外的作业人员，节约了工程成本。GPS在公路测量中的应用1概述GPS全球定位系统（Global Positioning System）在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。1.1 全球定位系统（GPS）的构成 1.1.1 GPS系统的组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
6、1.1.2 空间卫星群GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60o，轨道和地球赤道的倾角为55o，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。1.1.3 GPS的地面控制系统GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作
7、用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。1.1.4 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPS测地型接收机其技术指标为：双频主机、天线，RTK电台一体化；独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星“超跟踪”技术；新型于薄
8、式控制器，4M或10M的PCMCIA数据存储卡；测量精度：静态测量5mm+lppmRTK测量10mm十1ppm（平面）20mm十1ppm（高程）这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。1.2 全球定位系统（GPS）定位原理 GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图l示：在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标（，），其数学
9、式为：式中（XA，YA，ZA）， （XB，YB，ZB）， （XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C在时刻的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。1.3 GPS测量的技术特点GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有
10、以下特点：1、 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。2、定位精度高。一般双频GPS接收机基线精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达1210-6，而在100500公里的基线上可达10-610-7。3、 观测时间短。 观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在3040min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐
11、标。4、 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。 5、 操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。6、 全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。1.4RTK 技术1.4.1 RTK 技术简介RTK 技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相
12、位测量为依据的实时差分GPS 测量技术。是一种将GPS 与数传技术相结合, 实时解算进行数据处理, 在12 秒的时间里得到高精度位置信息的技术, 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。1.4.2 RTK 技术的基本原理建立无线数据通讯是实时动态测量的保证, RTK 技术的原理是取点位精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的数据观测质量和基线解算
13、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。1.4.3 RTK 系统的组成RTK 系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它是利用2 台以上GPS 接收机同时接收卫星信号, 其中一台安置在已知坐标点上作为基准站,另一台用来测定未知点的坐标( 移动站) 。基准站根据该点的准确坐标求出其他卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站, 移动站根据这一改正数来改正其定位结果, 从而大大提高定位精度。它能够实时地提供测站点指定坐标系中的三维定位结果, 并达到厘米级精度。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位
14、修正值发送给移动站, 改正移动站的接收载波相位, 再求解坐标; 差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站, 进行求差解算坐标。 1.4.4 RTK 技术的特点RTK 技术具有如下优点4: a.工作效率高。在一般的地形地势下, 高质量的RTK 设站一次即可测量完4km 半径的测区, 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数, 移动站一人操作即可, 劳动强度底, 作业速度快, 提高了工作效率。b.定位精度高。只要满足RTK 的基本工作条件, 在一定的作业半径范围内( 一般为4km) , RTK 的平面精度和高程精度都能达到cm级。c. 全天候作业。RTK 测量不要求基准站、移动站
15、间光学通视, 只要求满足“电磁波”通视, 因此和传统测量相比,RTK 测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小, 在传统测量看来难于开展作业的地区, 只要能满足RTK 的基本工作条件, 它也能进行快速高精度定位, 使测量工作变得更容易更轻松。d. RTK 测量自动化、集成化程度高, 数据处理能力强。RTK 可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统, 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能, 减少了辅助测量工作和人为误差, 保证了作业精度。 1.5 GPS测量的优点1.5.1 工程控制测量。用GPS静态测量沿项目建立带型控制网，由于点与点之间不必要求通视，而且RTK动态测量
16、覆盖距离较远，故控制点选点只须地形开阔，不再受距中线距离限制。对于高等级公路要求达到一级导线要求。GPS静态控制的精度可以轻松使测量更简便易行。1.5.2 绘制大比例地形图。高等级公路选线多是在大比例尺（通常是1:2000或1:1000）带状地形图上进行，用传统方法测图，先要加密控制网，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。其工作量大、速度慢，花费时间长。在GPS静态建立的控制网基础上，用GPS动态测量采集碎部点的数据。其采集速度相当快，在室内把碎部点属性信息输入计算机，即可由绘图软件成图，大大降低了测图的难度，既省时又省力。1.5.3 公路中线测设。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需
17、将公路在地面标定出来。采用RTK动态GPS测量，只需将中线路线编辑好输入GPS接收机中，系统就会自动显示RTK所处位置桩号及坐标。使不规则加桩无须计算，根据地形任意加桩。而且RTK测站始终保持相对误差，不会产生累积误差，使各点放样精度趋于一致。 1.5.4 公路纵、横断面测量。公路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。1.5.5 施工测量。实时GP
18、S系统既有良好的硬件，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。1.5.6 GPS高精度高程测量GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。2GPS在公路测量中的应用公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。盘石头水库拟建坝址在鹤壁市大
19、河涧乡盘石头村，为满足水库施工和材料运输的需要，对大河涧至弓家庄原有公路必须拓宽、升级，向设计单位提供原有公路纵横断面图和带状地形图。由于该测区位于山区和丘陵区交接处，地势起伏，高差较大，原有公路劈山修筑，悬崖 陡壁较多，时逢隆冬季节，气候变化无常，雾天较多，而且高级控制点稀少给控制测量带来诸多不便，因此决定采用GPS网作为首级平面控制网NGS-200 GPS是南方测绘仪器公司生产的单频GPS接收机。结合这次工程，借鉴兄弟单位使用其他类型机的经验，作了一些有益的尝试，以便更好地把握该系统的外业实际操作和内业平差计算。2.1 GPS网的布设本测区为典型窄长带状地形，为了满足工程设计及施工需要，G
20、PS网点位按GPS E级网要求布设(如图1)；测区北端埋设一座标石，南端埋设两座标石，采用双点推进，复边连结方式构网，网的图形结构较强。观测未知点3个，联测已知点3个，点距平均为2.2 km，点位选择符合CH 2001-92测量规范之要求。该网联测的3个已知点为1995年施测的五等5级导线点，其高程精度均为四等水准(起闭点分别为国家二等三角点和三等水准点)。为该控制网的空间构网模拟转换提供了高精度依据。2.2 GPS网外业观测2.2.1 仪器装备使用3台国产NGS-200单频GPS接收机，仪器静态定位测量标称精度为(5 mm+2106D)。2.2.2 观测采用技术指标有效观测卫星数5；时段中任
21、一卫星有效观测时间20 min；时段长60 min；几何图形强度因子(PDOP)4；观测卫星高度角15；数据采样间隔为15 s；数据采样方式为L1采集；2.2.3 观测时段选择根据卫星分布情况，在作业期间，全天候测区内均可接收4颗到8颗健康卫星信号，且图形强度因子(PDOP)都小于4。故外业观测全部安排在白天进行，网的几何图形由空间四面体装配而成，全网重复设站率达到60%，数据采用率大于90%。2.2.4 外业观测措施外业数据采集时，天线用水准气泡整平，光学对点器对中，对中误差小于2 mm。天线量高统一从标石中心量至天线圆盘边缘上沿，从不同方向量取3次，量至0.001 m，取其中数，输入接收机
22、中。2.3 外业数据处理及检核外业数据处理使用TOSHIBA 440CDX便携机，处理软件为随机配置的NGS-200软件包。2.3.1 GPS基线成果可靠性指标检测与方法外业当天采集的数据传输到计算机中，对当天采集的数据进行基线向量处理，以确保外业数据的质量，同时也是对外业数据质量的检验。根据自动处理输出的基线质量指标，检查基线方差比(Ratio)、均方差(中误差)、周跳数和测站数据剔除率等。用DOS系统EDIT命令打开向量处理后输出文件(RESULT.SUM)，检查基线处理成果质量，如果基线向量均方差均小于0.010 m，方差比均大于3.0，则符合要求。否则，用EDIT命令编辑NGB.INI
23、文件，如在作业中00YG-00P6基线方差比为2.7，均方差符合要求为0.006，只保留P6YG3271.Res整组数据，将其他边组数据删除掉，通过改变以下主要参数，提高基线向量解算精度。(1) 改变历元间隔由于GPS机本身和外界干扰所产生整周跳变，如卫星信号被某些障碍物阻断或由于仪器线路的瞬间故障，使基准信号和卫星信号混频以产生差频信号。这时，改变历元间隔，可提高基线向量解算精度。改变历元间隔数值越大，需要的观测时间段就相对越长。(2) 增大高度截止角系统缺省预置的高度截止角为20，增大高度截止角对求解整周未知数与提高成果精度有益，因为所有相应的噪声随卫星的高度截止角增大而降低，但这时要有足
24、够多的卫星参与运算且GDOP值良好。(3) 调整有效历元该参数常用来删除某些卫星的某段质量较差的数据，如删除6号卫星的所有有效历元，将有效历元的一行“ =-1,0,-1；”改为“ =-6,0,-1;”。通过反复改变以上参数修改NGB.INI文件，修改后的初始化文件尽量以另外的文件名存储，这样最终得到理想的和Ratio值。如通过以上方法，修改00YG-00P6基线方差比为13.5，均方差为0.007，而其他基线向量的方差比和均方差不变。2.3.2 同步环检验根据自行处理后输出的基线向量结果，对各时段同步环进行检验，并对组成GPS网的基线向量所在4个同步环进行统计(见表1)。表1同步环闭合差统计表
25、序号环号绝对闭合差环长相对闭合差W/mS/kmW/S/10-6D1YG-P6-T7-YG0-0.00010.00010.00012.1900.052YG-T7-T6-YG-0.00010.00010.00010.00021.0130.203T1-P1-T7-T1000012.13804T1-P1-T6-T1000012.30002.3.3 独立异步环检验为了检查统计异步环闭合差，以衡量外业观测成果和GPS网内部结构的质量，反映GPS测量总体精度，在异步环检验时，对独立多边形进行逐个检查，全网共检查异步环3个，其闭合差统计如表2。 表2总点数独立异步环数闭合差均值W/S/10-6630.0082
26、.3.4 复测基线对比重复观测基线有两条，都是在两个不同时段的重复观测，统计如表3所示。 表3基线名称基线长度/km较差/mm较差的限差/mm基GPS YG-T70.365016GPS P1-T15.817047注：NGS-200 GPS m基（5+210-6D），D以km为单位。2.4 网平差和成果评价网平差利用NGS-200软件包进行平差，最后提供基准北京54坐标。该网平差计算时根据网形结构使用溢右固、P1为起算依据，进行三维约束平差，利用P6的已知成果做为检核。GPS网中P6点平差后的成果与其已知成果比较，互差为：X=2 mm，Y=1 mm。说明该GPS网起算数据可靠，精度较好。表4边长
27、精度统计表精度区间120万150万120万150万1100万以上平均边长相对精度条数2182.2 km1403万百分率18%9%73%表5点位精度统计表精度区间23/mm34/mm45/mm平均点位精度点数3213.1 mm百分率50%33%17%根据表4、表5可以看出平差后的精度高于水电施工测量规范中有关规定，且点位精度比较均匀。同时，对GPS网高程的精度也作了测试。用四等和五等水准联测3个GPS点(均起闭三等水准点)，经平差后与GPS高程作了对比，如表6所示。表6点名GPS高程/m直接水准差值/cm高程/m等级T1288.494288.433五等6.1T6235.120235.132四等1
28、.2T7218.199218.208四等0.9从表6可以看出，两种方法测定的高程最大互差为6.1 cm。由于T1位于该GPS网北端，无已知点约束，若在网南北两端均有已知点约束，高程精度将会明显提高，完全满足五等水准的精度要求。2.5 几点体会通过使用NGS-200 GPS对该GPS网的精度分析，我认为：1. 该GPS网布设方案科学，数据采集充足可靠，平差精度优异，无论同步环，异步环，复测基线，三维约束平差的内符合精度都优于规范之规定，完全能满足技术设计要求。2. NGS-200 GPS接收机高程测量具有较高的精度，利用足够数量且分布合理的已知高程点进行高程拟合，可以满足五等水准精度要求。3.
29、NGS-200 GPS接收机采集数据软件、平差处理软件功能较强，仪器性能可靠，接收灵敏度高，能够达到标称精度，全天候作业能够收到较好效益。3小结GPS技术在公路测量中的应用，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，整个生产流程可以极大地提高生产效率；特别是RTK技术将彻底改变公路测量模式。是公路测量的一项革命性的技术革新，它将对传统的作业理念予以更新。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它还可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。因此GPS在公路市场有着广阔的应用前景。第一GPS作业有着极高的精度。它的作
30、业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。第二GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。第三GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。第四GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。第五GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。参考文献1林启东，胡天友。基于GPS的路线测量与拟合J。微计算机信息，2007，62何其畏，高利。GPS定位精度的提高及其应用J。微计算机信息，2006，53同济大学，武汉测绘科技大学合编，控制测量学M。北京：测绘出版社，1995，104中华人民共和国闪通部。公路全球定位系统（GPS）测量规范M。北京：人民交通出片社，1998- 14 -