GPS公路测量应用施工工法

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1、- 可编辑 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 RTK 1 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

2、困难，传统的测量方法是采用全站仪进行测量，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

3、环境下几秒 钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，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 - 可编辑

4、 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RTK 1+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

5、 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 positioning 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

6、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： - 可编辑 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

7、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+1ppm D；高 程为 2cm+1ppm D 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 Syste

8、m ，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 - 可编辑 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

9、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 - 可编辑 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： - 可编辑 1) 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

10、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） - 可编辑 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

11、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

12、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。 34 U 1 U交换机 2 U 路由器 1 U光端机 9 U UPS 4 U 基准站工控机 1 U 键盘鼠标 1 U 显示器 1 U GPS 电池柜 - 可编辑 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

13、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， 又可以为静态事后差分定位提供静 态数据。 - 可编辑 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；

14、 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。 - 可编辑 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

15、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 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

16、见图5-15 。 - 可编辑 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， 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 - 可编辑 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-BASE SOUTH-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 控机硬件平台与最新型GPS 主