全球定位系统_GPS_在高速公路测量中的应用

1、全球定位系统(GPS在高速公路测量中的应用鲁纯1毕文生2(1.辽宁省交通高等专科学校,沈阳110122;2.丹东市交通质量监督站,丹东118000摘要:简述了GPS测量技术的发展状态,并列出了GPS用于测量所具有的特点,重点介绍了GPS测量用于公路测设中的国家大地点加密、隧道控制测量、特大桥控制测量、导线测量、航测像控点测量的实际应用成果,最后对GPS测量作出了展望。关键词:GPS;RTK;放样中图分类号:U412.24文献标识码:B文章编号:1673-6052(200803-0096-031概述1.1GPS测量简介全球定位系统(GPS是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高

2、精度导航和定位的要求而建立的。该系统从本世纪70年代初开始设计、研制。根据最初设计思想,利用接收卫星发射的伪随机噪声码(P码为美军及北大西洋组织的盟军提供米级导航定位,同时将定位精度为数十米的C/A码伪距提供民用导航定位。GPS作为新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。全球定位系统的迅速发展,引起了各国军事部门和广大民用部门普遍关注。GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力,也引起了广大测量工作者的极大兴趣。70年代未至80年代初,许多学者的研究表明GPS卫星的载波信号也可以用于定位,并提供比伪距定位高得

3、多的精度。特别是载波相位差分定位技术的出现,推动了早期测量型商品接收机的研制。当时GPS定位基本上只有一个作业模式静态相对定位,两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星12h,或更长一些时间,通过观测数据的后处理,给出各待定点间的基线向量,在采用广播星历的条件下,静态定位不难取得5mm+1PP m(双频或10mm+2PP m(单频基线解精度。80年代未,建立在F ARA(整周未知数快速逼近技术基础上的快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路,大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统(双频在10k m以内的短边上,正常接收45颗卫星5m in左右,即可获取5

4、10mm+1ppm的基线精度,与12h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。近几年,特别是1993年Leica公司开发了AROF(AmbiguityResulati onontheFly定位技术,首先实现了动态环境下整周未知数初始化这个实时GPS 测量关键技术的商品化。各个GPS测量厂商看好这个大趋势,纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪,有的称之为RTK(实时动态测量,有的称之为RTGPS。总之,GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟,GPS测量功能更加完善, GPS测量应用面更广,并且GPS测量设备价格变得低廉,操作更加简便,使GPS测量更

5、加实用化和自动化。1.2GPS测量的特点相对于经典测量学来说,GPS测量主要有以下特点:(1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,以便接收GPS卫星信号不受干扰。(2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50k m的基线上,其相对定位精度可达1210-6,而在100500km的基线上可达10-610-7。(3观测时间短。在小于20km的短基线上,快69北方交通2008速相

6、对定位一般只需5m in观测时间即可。(4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。(5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。(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。2GP S测量在公路测量中的应用实例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

7、形式。2.1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10k m,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50、60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

8、乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业,往往在50k m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300m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。(5对于长大隧道,特大桥用常规测量有下列局限:长大隧道、特大桥等构造物一般要求测量等级在4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。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

9、业艰苦。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。2.2GPS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W ild200GPS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。在GPS观测之前,已作

10、高精度红外导线测量(EDM和水准测量。下面列出同时施测GPS和常规测量的10. 88k m的比较结果。GPS测量观测时段7.5m in,30历元。边长比较结果如表1。表1边长比较表(m将GPS测量结果与红外仪导线平差结果比较,得到角差中误差mx=0.057m,m y=0.049m,点位中误差为0.075m。将GPS测量结果与精密水准测量结果比较,得到高程中误差为0.049m。通过实际测量可看出:(1GPS观测时间为7.5m in,与常规红外仪测量相比,时间缩短了约20m in,效率为4倍;与全站仪测量相比,时间缩短约8m in,效率为2倍。(2GPS导线测量可靠性好,平面精度和高程精度均能满足

11、高速公路测设的要求。2.3GPSRTK用于实时放样RTK是指载波相位实时动态差分定位(Real-79第3期鲁纯等:全球定位系统(GPS在高速公路测量中的应用Ti m eKine matic ,它是GPS 发展的最新形式。静态GPS 测量采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度,但缺点是经过事后处理才知道结果。而RTK 通过实时处理即能达到厘米级精度。RTK 要求一台基准站和至少一台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时地把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站,流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。具有下述优点:(1直接以厘米级精度实时测定位置;(2工作人员少;(3与全站仪相比无

12、须通视、无须转站。但是RTK 技术无法克服上空有遮挡的影响,在这种地区,RTK 不能使用。同时RTK 对通讯电源、电台亦有严格要求,对于山体阻挡,如何考虑数据通讯显得尤为重要。2.4GPS 测量用于高程控制测量的尝试高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统是以椭球面为基准的高程系统。正高系统是以大地水准面为基准的高程系统。由于正高实际上是无法严格确定的,为使用上的方便,通常采用根据前苏联大地测量学者莫洛金斯基的理论建立的正常高系统。计算正常高的精度,主要取决于大地高差和高程异常的精度,而其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。GPS

13、测量资料与水准测量资料相结合,来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS 观测点具有水准测量资料且密度适当,分布比较均匀。利用高精度GPS 定位技术精密确定观测点的大地高程差,并根据建立的适当大地水准面数学模型,内插出计算点的高程异常或异常差,从而得出特定点的正常高。由成果可知,只要点位分布均匀,密度适中,将精密水准资料与GPS 测量资料相结合,能够得到高精度的高程测量结果。3结论与展望(1GPS 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。(2GPS 测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影

14、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。(3GPSRTK 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。(4GPS 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。(5GPS 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

15、无凝是一种有效的手段。App licati on of Gl obel Positi oning System (GPS in Freeway MeasuringAb s trac t The paper shortly narrates devel op ing state of measuring technique for GPS,lists fealures of GPS in measure ment,e mphatically intr oduces the possessd secret of GPS in survey in large p lace of state,the tunnel survey