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1、全球定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用陈 楚 江【交通部第二公路勘察设计院武汉 430052】摘要：本文简述了 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、密林密灌地区的路线控制测量、路线中桩实时放样测量、GPS 测量与水准测量资料相结合进行高程控制测量的实际应用成果，最后对 GPS 测量作出了展望。关键词：全球定位系统高速公漫测量应用1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精度导航和定位
2、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
3、距定位高得多的精度。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的接收机的研制。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+1PPm(双频)或 10mm+2PPm(单频)基线解精度。80 年代未，建立在 FARA(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 10km 以内的短边上，正常
4、接收 45 颗卫星5min 左右，即可获取 510mm+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(AmbiguityResulationontheFly)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
5、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，以使接收 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 50km 的基线上，其相对定位精度可达 12
6、10-6，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，快速相对定位一般只需5min 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。2GPS 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
7、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。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 10km，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)
8、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乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业，往往在 50km 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。对于长大隧道，特大桥用常规测量有下列局限：(5)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
9、回数，延长观测时间等费时、费工的方法来设法提高精度。(6)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。(7)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。下面就在实际生产中应用 GPS 的情况举出一些应用实例。2.2GPS 测量用于加密国家控制点京珠国道主干线粤境高速公路
10、汤塘至广州北二环段路线长约 60km，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
11、控制网的要求。GPS 四等网由 18 个点组成，其网形略图如图 1。图 1汤塘至广州北二环 GPS 四等国家大地点加密 该四等网采用 4 台 Trimble SE400 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
12、规测量手段至少提高 3 倍。在此基础上，我院同湖北省测绘局、湖南省第二测绘院合作，在京珠国道主干线湖南耒阳广州花都段进行了近 600km 的 GPS 加密国家控制点的测量。该地区路线跨越南岭山脉，沿线山高深、植被茂盛、地形地貌复杂、通视条件极差。国家一、二等三角点破坏严重，测设内可供利用的三角点稀少，在路线走廊范围内仅找到 7 个保存完好的国家三角点。经过平差处理，网中最弱点点位中误差为 4.13cm，最弱边相对中误差为 1/12.5 万。控制网的各项指标达到甚至超过国家四等网的技术要求。近 600km 的 GPS 控制网，仅用两个外业组，10 个作业员，7 台 GPS 接收机，约 20d 的
13、作业时间。若采用常规测量方法在相同人手的情况下，至少需要三个月的时间才能完成。2.3GPS 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+710ZK147+730，YK144+730YK147+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
14、 测量，布设了如图 2 所示的 GPS控制网。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 Wild 200 GPS 接收机进行静态观测，观测时间为 2050min，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：(1)GPS 测量用于隧道控制测量灵活、方便，能大大节省人力、物力、减少野外砍伐工作量，
15、减少一些不必要的过渡点。(2)GPS 测量具有极高的精度，它完全能达到公路勘察规程对隧道测量的要求。(3)GPS 测量较红外仪导线测量，可提高效率 45 倍。2.4GPS 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。布网设计方案为双大地四边形(如图 3)。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。2.5
16、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 Wild 200 GPS 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(如图 4)。、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。下面列出同时施测 GPS 和常规测量的 10.88km 的比较结果。GPS 测量观测时段 7.5min，30 历元。边长比较结果如表 1。边长比较表(m) 表 1边长 GPS 测量 DM 测量 差值C104C105 739.124 739.080 +0.044C105C106 1367.126 1367.153 -0.027C106C107 841.091 841.091 0.000C107C108 1060.2
