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1、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 RTK1 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困难，传统的测量方法是采用全站仪进
2、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
3、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
4、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RTK1+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 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 positionin
5、g 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
6、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：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
7、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+1ppmD；高程为2cm+1ppmD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 System，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
8、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 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：1)
9、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）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
10、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
11、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。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
12、事后差分定位提供静态数据。 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；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
13、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。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
14、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，详见图5-15。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-BASESOUTH-BASE是南方测绘最新研制开发的GPS参考站接收机，
