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1、+GPS公路测量应用施工工法完成单位：中建五局土木工程有限公司主要完成人：邓贵奇 刘陶然刘锦博 张红卫关键词：公路工程 测量 GPS RTK1 前言随着我国近几年基础事业大规模发展，国家对公路市场大力投资，要求我国公路施工单位具有高科技管理手段，高效率保质保工期完成施工任务。而对于公路施工行业，从进场交桩到竣工验收复测施工全过程，均需要测量控制。测量成果质量好坏直接影响到工程的质量、进度、成本。如何高效优质完成公路测量控制是大多数施工单位面临问题，特别是对于路线长，地形复杂，植被茂密，通视条件差，山高沟深，悬崖绝壁，条件艰险的山区测量环境，更为测量工作带来了极大困难，传统的测量方法是采用全站仪
2、进行测量，对测量人员劳务强度大效率低，而且受天气、人为、仪器等因素干扰测量成果误差大。随着时代的发展，测量方法必将迎来新的变革，GPS即时动态定位(Real Time Kinematic,RTK)具有施测迅速，移动快速，且不需后处理的内业计算工作并提供高精度的即时定位效能，采用RTK测量可以降低测量人员劳务强度，提高测量成果质量。故RTK在公路测量的早日普及，对于提高公路测量水平提高具有极其深远作用。2 工法特点2.1 作业效率高。 在一般的地形地势下，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省
3、了外业费用，提高了劳动效率。2.2 定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件(有效卫星5颗以上，卫星高度角20度以上，PDOP值5)，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。2.3 降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。2.4 RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内
4、装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。2.5 操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。在基准站架设、移动站操作、手簿软件的使用方面都比较简单易学。现市场主流南方RTK1+2价格近约十余万，低廉价格对于在公路测量大面积推广具有很大的市场前景。3 适用范围适用于线路长度长,地形起伏大，地表遮挡物多，通视条件差。工期紧张的道路测量。4 测量原理GPS（global positioni
5、ng system）是美国耗时20年、投资300亿美元建立的一项继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题。GPS定位系统由三部分组成：1、空间卫星站部分，2、由若干地面站组成的控制部分，3、以接收机为主体的广大用户部分。空间卫星站部分由共计24颗卫星组成，它们均匀分布在倾角为55的6个轨道上，每轨分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星彼此叉开40，以保证全球任意时刻的均匀覆盖，利用GPS进行定位的基本原理就是把卫星视为飞行的控制点，在已知卫星在其固定轨道上的瞬间坐标的条件下，以GPS卫星和RTK接收机之间的距离作为测量量，进行空间距离后方交会，从未
6、确定地面接收机的位置。单基站CORS，就是只有一个连续运行参考站。类似于一加一或一加N的RTK，只不过基准站由一个连续运行的基准站代替。由如下几个单元组成：GPS基站、网络服务器、电源系统、用户系统，如下图所示整个系统的原理图如下：图4-1 单基站CORS系统的原理图5 工法流程及操作要点5.1工艺流程RTK在公路测量中的使用步骤，具体可分为三个环节：建站求参数（校点）放样。5.2操作要点5.2.1 建站 RTK接收机定位的关键在于使用了GPS的载波相位观测量，并将接收机分为参考站与移动站两部分，参考站用于参考定位，移动站用于实时测量，利用参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式
7、除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度( RTK标称精度：水平为1cm+1ppmD；高程为2cm+1ppmD的定位）而参考站与移动站差分信号传播分两种模式，即CORS（利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）和电台模式，在有移动电话信号的区域优先使用CORS模式，此模式优点是无需架设基站和校点，能够不受基站与移动站距离限制，移动站开机后与CORS基站连接后可进行测量，大幅提高测量效率，测量精度高于电台模式。缺点是测量区域仅为移动信号覆盖范围内；另一种为电台模式，在无移动电
8、话信号的区域可采用电台模式，用电台信号替代移动信号，通过移动站校核两个以上已知点，求得正确参数转换当前坐标系，才能进行测量。其优点为能够在地形恶劣、遮挡物多情况下测量，缺点为测量前需架基站和校点降低测量效率，测量距离受限，移动站只能在参考站4KM半径内测量。两种模式各有优缺点，实际使用过程中相互搭配能够达到最好效果。以下是两种模式的基站实物照片和工作原理图。 图5-1 电台模式实物照片 图5-2 电台模式工作原理图 图5-3 CORS基站实物照片 图5-4 CORS基站工作原理图5.2.1.1 单基站CORS的建站流程1 基准站结构图5-5 观测墩结构2 基准站由仪器室和观测墩两部分组成：1)
9、 观测墩：用于支撑GPS观测天线。观测墩建立于基岩上的称为基岩站，建立于屋顶上的称为屋顶站。观测墩柱体内预埋PVC管道，用于敷设天线电缆。仪器墩外部进行保温和防风处理，顶部安装强制对中装置，并用透波材料的天线罩覆盖，以避免自然环境如强风、雨雪、日照、盐蚀等对天线的损坏。天线墩结构图见图5-6，建成后的天线墩见图图5-7。图5-6天线墩 图5-7 观测墩实景（左：外观；右：天线平面）2) 仪器室：用于安置基准站设备。要求距离观测墩距离不超过天线电缆的许可长度，并可提供可靠的电力供应和网络接入，此外需根据条件安装防盗设施并注意通风散热。基准站设备以模块化方式集成在仪器室的机柜内，由GPS接收机、工
10、业计算机、网络设备、UPS电源系统、防护系统、机柜等组成。机柜内设备安置见图5-8所示。图5-8 基准站机柜 图5-9 CORS主机5.2.2 求参数公路测量可以建立单CORS基站，就是只有一个连续运行参考站。类似于一加一或一加N的RTK，只不过基准站由一个连续运行的基准站代替。基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态、存储和发送相关数据，同时有一个服务器提供网络差分服务和用户管理。基站建设设在公路中点，建站成功后，根据设计院提供的已知高等级控制点，在各个控制点摆放静态GPS接收机采集卫星数据，经过对GPS接收机和CROS基站的数据后处理，详见图5.2-1 静态GPS摆站点与ORS基站网图显示
11、及数据后处理。推算出CROS基站的空间坐标，并求得一个对公路进行控制测量的七参数，通过该参数，使公路测量与图纸所提供的坐标系相匹配，如上文所述，CROS基站是一台连续运行的参考站，所以各移动站在正确输入七参数后，开机与CROS相连接后就可进行测量放样。图5-10静态GPS摆站点与ORS基站网图显示及数据后处理单基站系统总体数据流程如下：图5-11 数据流程 1）基站数据采集和传输软件Base BaseTrans软件是SOUTH-BASE接收机的内置主控程序，它能够实现接收机的参数配置，卫星状况的监控，GPS静态数据的采集和传输，端口的设置等功能。既管理SOUTH-BASE的运行状况，又可以为静
12、态事后差分定位提供静态数据。 2）单基站服务器及管理软件Eagle Eagle是单基站CORS的信息发布平台，为TCP/IP、GPRS、CDMA访问提供网络服务；同时又是整个系统的“中央处理中心”，对参考站采集的数据进行统一地管理和处理，既可以为RTK实时定位提供多种格式实时差分数据（RTCM、RTCM 2.X、RTCM3.0、CMR），软件可监测数据质量，实时查看当前用户固定解情况。可以管理流动站用户，根据需要可设定用户登录密码、用户可使用时间；监控移动站的工作情况，加入地图，随时可以看到登录移动站所在位置，而且 Eagle软件可以连接不同的TCP/IP 地址，系统管理员或用户可通过互联网查
13、看各台站的运行情况，以确保系统连续运行的可靠性。5.2.3 放样RTK用于实时测量放样，主要是通过移动站和与移动站由蓝牙进行连接的手簿实行的，移动站采集到测量数据后，手簿以界面化、图形化的方式进行显示，并且拥有测量中常用的碎部测量、点放样、线放样等多种功能。图5-12移动站手薄 图5-13 手薄操作界面RTK应用于公路测量拥有比常规测量方式更为快捷的特点，主要是通过道路设计的功能来实行，“道路设计”功能是道路图形设计的简单工具，即根据线路设计所需要的设计要素按照软件菜单提示录入后，软件按要求计算出线路点坐标和图形。道路设计菜单包括两种道路设计模式：元素模式和交点模式，详见图5-14。图5-14
14、道路设计模式“元素模式”是道路设计里面惯用的一种模式，它是将道路线路拆分为各种道路基本元素（点、直线、缓曲线、圆曲线等），并按照一定规则把这些基本元素逐一添加组合成线路，从而达到设计整段道路的目的。道路元素分为：点、直线、缓曲线、圆曲线。各种元素的组合要遵循道路设计规则。要根据界面提示添加相应的数据信息，如：点要素就只需要输入X 坐标和Y 坐标，直线元素只需要输入方位角和长度，详见图5-15。图5-15道路设计元素模式输入界面“交点模式”是目前普遍使用的道路设计方式。用户只需输入线路曲线交点的坐标以及相应路线的缓曲长、半径、里程等信息，就可以得到要素点、加桩点、线路点的坐标，以及直观的图形显示
15、，从而可以方便的进行线路的放样等测量工作，详见图5-16。图5-16 道路设计交点模式输入界面通过建站初期正确求解的七参数、与根据设计图纸直曲表正确输入的线路交点元素，就可以方便快捷的进行放样，移动站连接上CORS基站后，在施工范围内，可以显示出移动站所处任意位置的里程，与到路线中线的偏距，并可以显示出该点的坐标与高程，详见图5-17。图5-17 道路放样界面6. 材料与设备 此工法涉及到普通1+nRTK在市场运用较普及，在此不再叙述。以下主要是对单基站CORS的系统构成进行介绍：6.1 基站主机SOUTH-BASESOUTH-BASE是南方测绘最新研制开发的GPS参考站接收机，它实现了工控机
16、硬件平台与最新型GPS主板的完美结合，可用于CORS系统的单基站、多参考站的GPS数据接收平台。带有多种通讯接口，可持续长时间稳定工作；内部安装Windows XP操作系统，使用操作简单方便；80G以上的硬盘可充分满足存储操作系统、应用软件和GPS接收数据；操作者可通过网络、串口、USB设备及鼠标/键盘对基准站进行管理和设置。GPS特性：28-54通道的接收机，包括：14通道GPS L1+2通道SBAS14通道GPS L2通道12通道GLONASS L1通道（支持）12通道GLONASS L2通道（支持）先进的多路径干扰抑制技术：采用PAC和Vision 相关技术，能够有效消除来自天线附近或强
17、多路径干扰环境下的多路径干扰信号，具有高精度、高可靠性和高数据采样率的特点支持GLONASS：通过升级即可以增加GLONASS功能，从而实现GPS+GLONASS双星系统定位。工控机系统配置：主板：Intel 945GCCPU:酷睿双核 1.6GGPS主板：Novatel OEM4 和OEMV全系列兼容系统内存：1GVGA：DB15VGA接口键盘/鼠标：PS/2键盘&鼠标 图6-1 CORS基站主机以太网：10M/100M接口串口：一个RS232接口USB：五个USB2.0接口电源电压：220V操作系统：Windows XP结构特点：构造：工控机箱颜色：黑安装：导轨安装 尺寸：432mm（长）
18、382mm（宽）88mm（高）优点：TCP/IP作为主要通信标准可确保使用简单，配置方便。参考站可以实现完全的远程操作, 实现无人值守，遥控操作。各种即插即用的接口使得参考站容易安装。数据记录和数据输出灵活稳定。耐恶劣环境的设计允许参考站在极端环境下持续运行。6.2 大地型扼流圈天线南方大地型扼流圈天线支持精确度为毫米，能够有效抑制多路径效应的影响，结合不妥协的稳定的相位中心（小于0.8MM）且可以抑制射频干扰。天线建于大地测绘研究标准的基础上，采用铝材质的扼流圈和一个Dome#Margolin 偶极元件，低噪音、低消耗，还拥有同步频率选择功能。技术指标：工作频率：1227MHZ10MHZ、1
19、575MHZ10MHZ阻抗：50驻波比：1.5：1增益：38dB3dB噪声：1.5 dB极化方式：右旋圆极化工作电压：312VDC工作电流：40mA 连接器：TNC重量：5.2kg工作温度：-45+65 储存温度：-55+85尺寸：直径38cm，低12cm，高10cm，底高3.5cm 天线高：L1=11.01，L2=12.94图6-2大地型扼流圈天线7. 质量控制此工法主要质量控制是用单基站CORS精度是否满足公路测量精度要求，经过用全站仪平差得到导线控制网放样，与单基站CORS基站用RTK放样成果，可以满足公路路基土石方、构造物基坑开挖的放样工作，但要求精度较高的桥梁基础、下部、上部及构造物
20、精确定位建议还是还用全站仪放样。用单基站CORS精度如下：表7 单基站CORS精度表项目内 容技 术 指 标系统精度实施方式水平精度高程精度RTK实时定位20KM以内10mm+1ppm20mm+1ppm20KM40KM20mm+1ppm30mm+1ppm40KM50KM50mm+1ppm80mm+1ppm50KM100KM亚米级亚米级静态事后差分定位5mm10mm变形观测35mm610mm导航5M10服务领域导航提供高精度导航定位的信息测量提供静态、后差分、RTK的数据服务兼容性导航RTCM-SC104V2.X差分RTCARTCM2.3RTCM3CMR格式以上所标精度均为仪器本身误差，即基线精
21、度，实际测试精度仪器误差参数误差点位误差。为提高CORS项目实际使用精度，建议使用高等级控制点分区域求取四参数，以减少参数误差和点位误差对实际精度造成的损失。七参数的应用范围较大（一般大于50平方公里），计算时用户需要知道三个已知点的地方坐标和WGS-84坐标，即WGS-84坐标转换到地方坐标的七个转换参数。注意：三个点组成的区域最好能覆盖整个测区，这样的效果较好。七参数的格式是，X平移，Y平移，Z平移，X轴旋转，Y轴旋转，Z轴旋转，缩放比例（尺度比）。使用四参数方法进行RTK的测量可在小范围（20-30平方公里）内使测量点的平面坐标及高程的精度与已知的控制网之间配合很好，只要采集两点或两点以
22、上的地方坐标点就可以了，但是在大范围（比如几十几百平方公里）进行测量的时候，往往转换参数不能在部分范围起到提高平面和高程精度的作用，这时候就要使用七参数方法，具体方法在下面介绍。首先需要做控制测量和水准测量，在区域中的已知坐标的控制点上做静态控制，然后再进行网平差之前，在测区中选定一个控制点A做为静态网平差的WGS84参考站。使用一台静态仪器在该点固定进行24小时以上的单点定位测量（这一步在测区范围相对较小，精度要求相对低的情况下可以省略），然后再导入到软件里将该点单点定位坐标平均值记录下来，作为该点的WGS84坐标，由于做了长时间观测，其绝对精度应该在2米左右，然后对控制网进行三维平差，需要
23、将A点的WGS84坐标作为已知坐标，算出其他点位的三维坐标，但至少三组以上，输入完毕后计算出七参数。七参数的控制范围和精度虽然增加了，但七个转换参数都有参考限值，X、Y、Z轴旋转一般都必须是秒级的；X、Y、Z轴平移一般小于1000。若求出的七参数不在这个限值以内，一般是不能使用的。这一限制还是比较苛刻的，因此在具体使用七参数还是四参数时要根据具体的施工情况而定。8. 安全措施 此工法安全措施主要是仪器使用方面的，而对仪器伤害最大的是电涌，电涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的破坏。随着半导体器件的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体厚度的变薄，电子设备受到瞬态过电破坏
24、的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完全破坏，或者寿命大大缩短。 雷电是导致电涌最主要的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和 PLC的寿命。另外，大型电机设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发电涌。UPS 也可被电涌摧毁。建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免建筑物的燃烧和爆炸。UPS 不间断电源可处理电压的严重下降。二者非常有用，但都不能保护计算机免受电涌的破坏，而且UPS 本身集中很多微处理器，也可被电涌摧毁。由于基准站主要设备架
25、设于露天制高点，雷电和电涌防护可以分为电力线、通信线、射频线、露天设备防护等几方面，采用不同的避雷器件完成，有关器件的技术规格与设计施工。在SOUTH-CORS工程中，采取的具体措施如下。电力线进入UPS之前，加装电力线电涌防护设备，隔离UPS和电力线。设备选型为美国MCG公司的SF80电力线保护器（器件外型参见图8-1）。GPS天线进入主机前，加装电涌防护设备，设备选型为HUBER-SUHNER公司的产品。（器件外型参见图8-2。在户外设备，尤其是GPS天线附近架设建筑物雷电防护设备，设备选型为法国HeLite公司的HM1812避雷针（器件外型参见图8-3）。图8-1 电力线电涌防护设备 图
26、8-2 射频线避雷装置 图8-3 避雷针9.环保措施GPS公路测量应用，作为测量途径不会带来任何污染。10经济性分析该工法主要是提高了公路测量的效率，在人员、测量仪器配置上大大减少了测量成本。常规测量需要测站点壹人，跑棱镜壹人；先架仪器再后视进行放样，若不通视或受仪器距离所限，需要重新转站，效率较低。而RTK作业，是常规测量效率的35倍。可以减少由于人为、仪器、天气影响的误差，同时降低由于测量误差造成的工程返工的经济损失。11应用实例 云南省昆明市轿子山旅游专线公路第六合同段，起于禄劝县转龙镇（起点K117+100），于K120+100起路线向左偏离旧路沿河线布设，于K124+100清水河汇入
27、洗马河处偏离洗马河沿清水河两岸布设，在K126+900处与老路相接，并沿老路经延峰窝、下则老、上则老、炭山等村，止于雪山风景区四方井入口K151+921.121，全长34.748KM。公路等级为二级，平均每公里交点6.368个，地形起伏变化大，地表植物茂盛通视距离短。常规全站仪测量无法满足工程施工进度要求，同时配置的测量仪器和测量人员较多测量成本高效率低，且测量成果受地形和天气干扰较大。为此，项目采用采用了静态RTK作控制网，动态RTK做测量放样控制。动态RTK采用了电台和CORS两种模式相结合，其测量精度均达到了GB50026-2007工程测量规范要求，满足了施工进度对测量控制的要求。 1单CORS基站主机 2单CORS基站服务器 9-3测绘院基站 4工控机 5大地型扼流圈天线 6 电力线电涌防护设备 7射频线避雷装置 8避雷针