GPS与高速公路

GPS与高速公路 据估计全世界每年由于高速公路 街道和交通系统堵塞延误造成的生产力损失高达几千亿美元 其他交通堵塞的负面影响包括财产损失 人身伤害 空气污染的增加以及低效的燃料消费 全球定位系统 GPS 的使用和精确性可以增加高速公路和街道上以及公共交通系统的车辆的安全和效率 由于GPS的帮助 许多商用车辆的分派和调度的问题明显地减少了 同样 公交系统 道路维修和急救车辆所面临的问题也大大地减轻 当今世界上广泛应用的自动车辆定位系统和车内导航装置都离不开GPS 将GPS的定位技术与能够显示地理信息的系统结合 或与自动将数据传送到显示器或计算机的系统结合 就出现了地面运输的崭新面貌 GPS可以提供车辆定位 防盗 反劫 行驶路线监控及呼叫指挥等功能 要实现以上所有功能必须具备GPS终端 传输网络和监控平台三个要素 GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文 然而 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 所以除了用户的三维坐标x y z外 还要引进一个 t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数 然后用4个方程将这4个未知数解出来 所以如果想知道接收机所处的位置 至少要能接收到4个卫星的信号 GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据 采用空间距离后方交会的方法 确定待测点的位置 如图所示 假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机 可以测定GPS信号到达接收机的时间 t 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式 GPS测量的特点 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 定位精度高 一般双频GPS接收机基线解精度为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12 10 6 而在100 500公里的基线上可达10 6 10 7 观测时间短 在小于20公里的短基线上 快速相对定位一般只需5分钟观测时间即可 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 操作简便 GPS测量的自动化程度很高 在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器 量取仪器高和监视仪器的工作状态 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 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 GPS测量在公路测量中的应用 公路路线一般处在一条带状走廊内 其平面控制测量往往采用导线形式 这包括附合导线 闭合导线 结点导线等导线网形式 对于重要构造物如大桥 特大桥 长大隧道等 也有布设成三角网 线形锁等形式 常规测量方法的缺陷 1 规范对附合导线长 闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定 一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求 这样 导线附合或闭合长度最长不得超过10公里 结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0 7倍 这种要求一般在实际作业中难以达到 往往出现超规范作业 2 搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统 往往国测 军测 城市控制点混杂一起 这就存在系统间的兼容性问题 如果用不兼容的起算点 势必影响测量质量 3 国家大地点破坏严重 影响测量作业 由于国家基础控制点 大多为五六十年代完成 经过30多年 有些点由于经济建设的需要被破坏 有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏 在这些地区进行路线测量作业 往往在50公里以上均找不到导线的联测点 这样路线控制测量的质量得不到保证 4 地面通视困难往往影响常规测量的实施 一般路线的控制点要求布设在距路线的300米范围内 由于通视的原因 这一条件难以满足 甚至在大范围密林 密灌及青纱帐地区 根本无法实施常规控制测量 对于长大隧道 特大桥用常规测量有下列局限 1 长大隧道 特大桥等构造物一般要求测量等级在四等以上 用常规测量方法 往往采用增加测回数 延长观测时间等费时 费工的方法来设法提高精度 2 长大隧道 特大桥多为地形复杂困难地带 进行常规控制测量 为通视和网形 往往砍伐工作量相当大 这样测设费用很大 作业艰苦 3 长大隧道及特大桥的控制网高精度及与路线网的低精度衔接 虽说用平差方法可以得到克服 但由于地形条件困难 其联结的测量工作量很大 且不太方便 实际工作中 构造物的控制测量与路线的控制测量经常出现脱节现象 利用GPS测量能克服上述列举的缺陷 并提高作业的效率 减轻劳动强度 保证了高等级公路测设质量 GPS测量用于加密国家控制点 京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段路线长约60公里 所处地形为重丘区 路线设计为6车道 该段有11个各种系统的平面控制点 经过实地寻找 找出了7个 有4个被破坏 破坏中有2个国家 等点 在已找出的的7个控制点中 国家测绘局系统 等点1个 等点1个 城市测量系统点2个 总参军控点3个 这些平面控制点分属不同测量系统 且等级不同 为提高京珠国道粤境高速公路汤塘至广州北二环段测设质量 决定在国家测绘系统基础进行控制点的加密 加密的控制点布设方案是 沿公路路线每10km布设一对点 该对点相距约1km 且应通视良好 这样 该段共设了6对GPS加密点 加密点的精度要达到四等控制网的要求 GPS四等网由18个点组成 该四等网采用4台TrimbleSE400单频接收机作业 该机的标称精度为10mm 2PPm 四等网的观测时间为90min 数据采样间隔为15s 基线预处理采用厂家提供的TrimvecPlus软件 平差计算采用武汉测绘科技大学编制的GPSADJVer2 0软件包 通过平差处理 该四等网最弱点位中误差为4 11cm 平均点位中误差3 18cm 最弱边相对中误差1 27669 平均边长相对中误差1 453578 整个四等网作业仅花4d时间 其效率较常规测量手段至少提高3倍 GPS测量用于隧道控制测量 在京珠国道主干线粤境高速公路翁城县境内有座靠椅山双洞直线型平行隧道 初测的左 右洞起讫桩号分别为ZK144 710 ZK147 730 YK144 730 YK147 740 其洞长分别为3020m和3010m 根据 公路隧道勘测规程 中对隧道类别划分标准 属公路特长隧道 洞外测量在贯通面上对贯通误差影响值限值为 55mm 靠椅山隧道地处亚热带地区 雨量充沛 荆剌丛生 沟深林密 野外作业条件十分艰苦 采用常规方法不仅费时费力 而且选点困难 砍伐工作量大 结合靠椅山地形特征 采用GPS测量 靠椅山隧道控制网由14个点组成 网中最短边长为100 842m 最大边长为3597 4m 平均边长为1104 848m 采用Wild200GPS接收机进行静态观测 观测时间为20 50min 采样率为10s 共观测了29条基线向量 经过平差处理 网中最弱边相对精度为1 60106 最高相对精度达1 137万 最弱点位中误差为 0 83cm 在贯通面上贯通误差左 右线分别为 0 707cm和 0 693cm 通过实施GPS测量可看出 GPS测量灵活 方便 能大大节省人力 物力 减少野外砍伐工作量 减少一些不必要的过渡点 具有极高的精度 它完全能达到 公路勘察规程 对隧道测量的要求 较红外仪导线测量 可提高效率4 5倍 GPS用于特大桥控制测量 鄂黄长江公路大桥是连结长江两岸黄冈市和鄂州市的公路特大桥 为便于大桥设计和施工 采用GPS对首选方案 桥位进行 等平面控制测量 垂直于江面的长边约为1200m 平行于江面的短边约为500m 双大地四边形与两个国家 等以上大地点联测 经过平差处理 控制网精度为 最弱点位中误差1 93cm 最弱边长相对中误差1 113000 满足了 等平面控制测量的精度要求 GPS测量用于导线控制测量京深高速公路河北境高邑至邢台段地处华北平原 地势平坦 最大相对高差约20m 平均海拔约50m 境内村庄较多 植被多为小麦及田间行树 公路及机耕道密集 采用三台Wild200GPS接收机进行导线测量 作业方式采用点连接方式 三台接收机同时作业 作业完后 向前滚动 分别表示观测的同步环 在GPS观测之前 已作高精度红外导线测量 EDM 和水准测量 通过实际测量可以看出 GPS观测时间为7 5min 与常规红外仪测量相比 时间缩短了约20min 效率为4倍 与全站仪测量相比 时间缩短约8min 效率为2倍 GPS导线测量可靠性好 平面精度和高程精度均能满足高速公路测设的要求 GPS应用展望 从GPS测量中 可以看出GPS具有很大的发展前景 首先 GPS作业有着极高的精度 它的作业不受距离限制 非常适合于国家大地点破坏严重地区 地形条件困难地区 局部重点工程地区等 其次 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