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1、郑宝平,男,工程师。浅谈GPS在公路导线控制测量中的应用郑宝平(隆化县交通局 河北隆化 068150)摘 要 简要介绍了GPS的发展及系统的组成和特点,阐述了GPS在公路导线控制测量的 作用及应用,重点解决了公路勘测控制网与国家三角网的联测,统一了坐标系统,提高了公路控 制网的精度。 关键词 全球定位系统(GPS) 附和导线 联合平差1 GPS定位技术的发展及其组成部分111 GPS的产生及发展 全球定位系统(GPS)是随着现代科学技术的 迅速发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。 人造卫星的发射成功,它使空间科学技术的发展跨 入了一个崭新的时代。1958年底,美国海军武器 实验室,着手建立
2、了海军导航卫星系统(NNSS系 统) ,该系统不受气象条件的影响,自动化程度较 高,且具有良好的定位精度,它的出现立即引起了 大地测量学者的极大关注,但该系统无法提供连续 的实时三维导航。为了满足军事部门和民用部门对 连续实时和三维导航的迫切要求,1973年,美国 国防部开始组织海陆空三军,共同研究建立起新一 代卫星导航系统的计划,这就是目前所称的全球定 位系统。112 GPS的组成部分GPS主要由三大部分组成,即空间星座部分, 地面监控部分和用户设备部分。11211 空间星座部分GPS的空间星座部分主要由24颗人造卫星组 成,其中包括3颗备用卫星。该卫星均匀分布在整 个地球空间,它保障了地球
3、上任何地点、任何时刻 至少可以同时观测到4颗卫星,卫星信号的传播和 接收不受天气的影响,因此,保障了GPS是一种 全球性、全天候的连续实时定位系统。11212 地面监控部分GPS的地面监控部分,目前,主要由分布在全 球的5个地面站所组成。它的主要作用就是实时监 控卫星,保障卫星的正常运转。11213 用户设备部分 用户设备主要包括GPS接收机及相应的数据 处理软件。它的主要任务就是实时监控卫星,保障 卫星的正常运转。 目前在我国测绘市场上主要的GPS接收机有 下面几种。(1)莱卡公司推出W ild200和W ild300型双频接收机。 (2)美国天宝( Tri mbie)导航公司推出的Trim
4、bie4000型GPS接收机。 (3)美国阿士泰克(Ashtech)公司推出的AshtechZ - 12型GPS接收机。 (4)美国AOA公司推出RogueSUR - 8000型GPS接收机。2 GPS定位技术相对于经典测量技术的特点GPS定位技术的发展,对于经典测量技术是一 次重大的突破,也给经典大地测量带来了划时代的 变革,相对于经典的测量技术它具有以下特点。 (1)测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好结构,这一直 是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS 测量不要求观测站之间的相互通视,它使点位的选 择变得更加灵活。 (2)定位精度高。现已完成的大量实
5、验表明,在小于50 km的基线上,其相对定位精度可达110- 6。它是其他经典测量无法比拟的。(3)观测时间短。目前利用经典的静态定位法,完成一条基线的相对定位所需的观测时间,根 据要求的精度不同,一般约为13小时,对于短 基线(例如不超过20 km)的快速相对定位法,其 观测时间仅需数分钟。 (4)提供三维坐标。GPS测量在准确测定观测站平面位置的同时,也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只是安装并开关仪器, 量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气 象数据。另外,GPS的用户接收机重量较轻,体积 较小,因此携带和搬运较
6、为方便。 (6)全天候作业。GPS观测工作,可以在任何地点、任何时间连续地进行,一般不受天气状况 的影响。 基于上述特点,GPS的出现使测量技术带来新931郑宝平:浅谈GPS在公路导线控制测量中的应用的发展,大大地减轻了测量工作的强度,提高测量 精度。但是,GPS的定位精度是受美国政府限制 的。美国政府为了保障美国的利益与安全,对非经 美国特许的用户在精度上采取了限制。美国政府对GPS卫星发射的无线电信号,采用了两种不同精度 的测站码,即所谓的P码和C码,P码为不公开的 保密码, C码为公开码。在必要时,美国政府可以 降低C码的精度,以保护自己。建立独立的卫星 定位系统,尽管可以完全摆脱对美国
7、GPS的依赖, 但这是一项技术复杂,耗资巨大的工程,对于经济 和技术尚在发展中的国家来说,它将是很困难的。3 GPS控制网的等级划分及精度GPS控制网在我国共分为A、B、C、D、E五 个等级,其距离误差 = a2 0+(b0D)21/2其中:a0 与接收设备有关的常量误差;b0 比例误差,ppm;D 相邻点间的距离。 目前,在小范围公路勘测中,一般均采用E 级GPS网作为导线和图根控制测量的首级控制。 以AshtechZ - 12型GPS接收机为例,它的常量误 差a0为5 mm,比例误差b0为1 ppm,假设两个GPS点距离为3 km,其距离误差 =(34)1/2mm,也就是不足6 mm,可见
8、其精度是相当高的。4 GPS在公路导线控制测量的应用 一般来说,低等级的公路导线控制网,是一条 由起点至终点的支导线。以往的勘测,对于导线测 量只用不低于2的全站仪或测距仪采用测回法进 行测量。这种测量方法虽能满足低等级公路的控制 要求,但实践表明,它存在许多弊病。首先,在测 量中一旦发生错误或长距离的误差积累,它将会使 导线发生偏位,引起路线的偏移,其主要原因是没 有必要的复核条件,不能及时的检查并进行平差。 其次,它很难与国家的控制网进行联测,不能统一 为国家坐标系,给以后相应的部门成果互用带来诸 多不便。采用GPS进行控制就可以很轻松地解决 这些问题。 承德交通勘察设计院在2000年引进
9、了美国阿 士泰克公司的AshtechZ - 12型接收机,先后在宽 大线、承赤东线、京建线、围多线和张隆线进行了 图根控制和导线控制测量,通过应用很好地控制了 导线精度,为后期的施工图测量和施工放样及竣工 验收提供了很大的方便和坚实的保障。下面就以承 赤东线为例加以说明GPS在导线测量的应用。 省道承赤东线高寺台至内蒙界段,路线全长约 为62 km,建设标准为二级公路。其导线精度要求 为二级导线,距离误差 1 /10000,方位角闭合差16n1/2,其中n为测站数。为了更好地控制导线 的精度,在全线建立了E级GPS控制网作为首级 控制。布网情况如下:首先,我们与承钢大庙铁矿 的两个国家四等三角
10、点(即马营北山、马营南山) 进行了联测,统一全线坐标系为1954年北京坐标 系。然后,我们在全线范围内每隔35 km建立两 个互相通视的GPS点,全线共设42个GPS点,用 三组GPS接收机同时进行观测,当天观测的点位 组成一个GPS网,经过数据处理,把符合精度的 点位整理出来,不符合精度的再进行补测,直到满 足精度要求为止。全线E级GPS网建立后,开始 进行路线的导线测量,在导线测量中用相邻的4个GPS作为两条已知边点和相应的导线点组成一条附 和导线。在满足二级导线精度的前提下,利用两条GPS边作为已知边进行附和导线的边、角联合平 差。例如,在JD86至JD95之间建立了一条由GPS910和
11、GPS1112为已知边的附和导线,共 设了18个测站,具体网状图如图1。通过对观测数据的整理,此导线网的精度 如下: 测站数 Np=18; 导线总长 Ld=47891284 m方位角闭合差 Fb=3616181/268;X方向闭合差 Fx= - 01013 m;Y方向闭合差 Fy= - 01077 m; 导线长闭合差 FS=161036 110000。 上述数据表明,此闭合导线完全满足精度要 求。对此进行了边,角联合平差,最终推算出各点 坐标,完成导线测量,按此方式完成了整条线的导 线控制测量。在省道承赤东线的导线控制测量中通 过GPS网的首级控制,整条线所有导线均满足二 级导线要求,完全消除了误差的积累,统一了坐标 系统,实现了向测量正规化的过渡。 总之,随着GPS技术在公路勘测中的不断应 用与推广,它将大大地提高公路导线控制网的精 度,同时使公路勘测逐渐走向正规化和标准化,为 以后更好地使公路测量同大地测量及其它行业测量 的成果互用提供了可靠的依据。收稿日期2005 - 05 - 14041全国中文核心期刊 路基工程 2006年第4期(总第127期)
