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1、GPS技术及在公路勘测中的应用摘要本文介绍了GPS定位原理及在公路测设中的实际应用，包括控制测量及RTKGPS路线放样。着重介绍了控制测量中内业处理，即GPS控制网平差方法、精度；探讨了RTKGPS技术的作业方法、路线放样的精度及其存在的一些问题。关键词GPS技术公路勘测RTKGPS技术1前言在科学技术就是生产力的新时代，时间就是生产力，效率就是效益。如何在激烈的竞争中得以生存，改变工作手段，充分利用先进的设备，掌握先进的技术，是时代的呼唤，是实在必行的。在公路行业，作为先锋军的测量专业，社会的发展已经打破了传统的作业方式（即耗时耗力的常规测量，比如用经纬仪、半站仪、全站仪进行边角测量），代表
2、测绘发展方向RTK测量的问世，几年间就为测绘、土地、交通、水利、电力等行业的发展，开辟了一个极其广阔的天地。GPS测量在公路中的实践表明，这种测量方式，尤其是RTK测量，不仅能更好的保证精度，而且大大的降低了野外作业的劳动强度，大大的提高了野外的作业速度，减少了野外的作业人员，节约了工程成本。我院在2001年年底购置了一套（三台套）美国天宝Trimble4700GPS系统，并初次在省道302线梓潼境段62公里的二级公路勘测中应用，本文结合生产实践就GPS技术在公路勘察测设中的应用作一总结。2GPS简介GPS是利用导航卫星进行测时、测距，以构成全球定位系统。整个系统包括三大部分：空间部分、地面监
3、控部分和用户部分。空间部分：由24颗人造卫星组成，它们是非同步轨道卫星，分布在六个相隔600的轨道平面上，轨道平面与赤道平面夹角600。在地球上任何地方、任何时刻至少能够观测到4颗卫星。地面监控部分：主控站用于采集数据、编辑导航电文、诊断地面系统状况、调整卫星位臵及调度卫星。监测站监测卫星，并向主控站提供监测数据，是一个无人值守的受主控站控制的数据采集中心。注入站定时将主控站发来的信息注入各个卫星，然后由卫星发射。用户部分：即GPS接收机。用来接收GPS卫星数据，包括天线、接收机、电源及数据处理软件等。按用途可分为导航型、大地型和授时型三类。3GPS定位原理GPS定位原理即测量学中的空间距离后
4、方交会，各测点共视卫星，测定出接收天线到各可见卫星的瞬时距离。为了测定瞬时站星距离，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。利用码相位的伪距测量定位速度最快，只需在任意时刻同时接收3颗以上的卫星就可以解算出该时刻接收天线的三维位臵，但只能用于单点绝对定位。载波相位测量是目前GPS测量中精度最高的测量，而且它的获得不受精码（P码或Y码）保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要应用是进行相对定位，
5、即差分GPS（DGPS）定位，用两台接收机同步观测至少四颗卫星，利用载波相位的差分观测值，消除或削弱多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位；若接收机相对而言于地球表面静止，则称为静态定位。由于载波相位测量的关键技术是求解“整周模糊度（整周未知数）”，静态测量需要较长的观测时间（一般60min以上），其目的是让卫星星座有较大的变化，以便正确求解整周模糊度；动态测量采用整周模糊度快速逼近技术（FAFA）、OTF算法，提高定位速度。4GPS在公路勘测中的应用4.1GPS控制测量应用GPS技术进行路线
6、测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级，路线GPS控制测量分为一级、二级、三级和四级共四个等级。对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级，三级、四级可作为公路的首级控制网。对公路首级控制网通常采用载波相位静态差分技术，以保证得到毫米级精度，满足测区首级四等控制网的要求。4.1.1点位选择与布网方案1）GPS控制点应布设在交通方便、便于长期保存的路线两侧。为了避免多路径影响，点位周围应开阔，无大面积水域，无大型建筑物和反射物等。2）保证卫星高度角，点位周围无高于150的成片建筑物等。3）点位400m范围内无大功率无线电发射源和高压线。4）每67km左右布设一对GPS点，其对点间要
7、求通视，距离在0.5-0.8km左右，对点连线与中心线交成锐角。4.1.2外业观测及基线解算外业观测使用仪器为三台美国天宝公司生产的双频接收机，捕捉卫星4颗以上，有效同步观测时间均大于60min。由于图1所示GPS网中复测基线较少，因此对观测的要求也较高，要尽量避免含有粗差的基线向量存在。根据以往的实践经验，基本达到了要求，重测率很低。的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。利用码相位的伪距测量定位速度最快，只需在任意时刻同时接收3颗以上的卫星就可以解算出该时刻接收天线的三维位臵，但只能用于单点绝对定位。载波
8、相位测量是目前GPS测量中精度最高的测量，而且它的获得不受精码（P码或Y码）保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要应用是进行相对定位，即差分GPS（DGPS）定位，用两台接收机同步观测至少四颗卫星，利用载波相位的差分观测值，消除或削弱多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位；若接收机相对而言于地球表面静止，则称为静态定位。由于载波相位测量的关键技术是求解“整周模糊度（整周未知数）”，静态测量需要较长的观测时间（一般60min以上），其目的是让
9、卫星星座有较大的变化，以便正确求解整周模糊度；动态测量采用整周模糊度快速逼近技术（FAFA）、OTF算法，提高定位速度。4GPS在公路勘测中的应用4.1GPS控制测量应用GPS技术进行路线测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级，路线GPS控制测量分为一级、二级、三级和四级共四个等级。对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级，三级、四级可作为公路的首级控制网。对公路首级控制网通常采用载波相位静态差分技术，以保证得到毫米级精度，满足测区首级四等控制网的要求。4.1.1点位选择与布网方案1）GPS控制点应布设在交通方便、便于长期保存的路线两侧。为了避免多路径影响，点位周围应开阔，无大
10、面积水域，无大型建筑物和反射物等。2）保证卫星高度角，点位周围无高于150的成片建筑物等。3）点位400m范围内无大功率无线电发射源和高压线。4）每67km左右布设一对GPS点，其对点间要求通视，距离在0.5-0.8km左右，对点连线与中心线交成锐角。4.1.2外业观测及基线解算外业观测使用仪器为三台美国天宝公司生产的双频接收机，捕捉卫星4颗以上，有效同步观测时间均大于60min。由于图1所示GPS网中复测基线较少，因此对观测的要求也较高，要尽量避免含有粗差的基线向量存在。根据以往的实践经验，基本达到了要求，重测率很低。4.2RTKGPS技术在路线放样中的应用GPSRTK（RealtimeKi
11、nematic）实时动态定位技术是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统,它的基本组成由基准站和流动站两部分组成，基准站包含基准站接收机和数据传输电台，流动站部分可以有一台或多台流动站接收机。进行RTK作业的时候，需要进行基准站设臵及流动站设臵。设臵基准站的目的有两个：其一是给基准站位臵信息，以供RTK的计算使用；其二是给基准站接收机和基准站电台发出实时转发载波相位观测量的指令。设臵流动站的目的是给流动站接收机及内臵的电台发出接收基准站电台信息的指令。在RTK作业模式下基准站和流动站必须保持同时跟踪至少5颗以上的卫星，基准站不断地
12、对可见卫星进行观测，并把带有已知点位置的数据，借助电台将其观测值坐标信息，发送给流动站接收机；流动站接收机将自己采集的GPS观测数据和接收来自基准站的数据，组成差分观测值进行实时处理，求得其三维坐标（X、Y、Z）。4.2.1“区域性”地方坐标参数4.2.1.1为什么需要求取“区域性”地方参数RTK测量实时以其高精度、高效率、宽广的应用范围极受业界的亲睐，得到了空前的关注。结合目前GPS定位在公路测量中的具体应用，为了将上述优势淋漓尽致的体现出来，其中一个重要的技术环节就是正确地求取地方坐标转换参数。为什么要求取“区域性”地方参数呢?我们知道，GPS定位提供的WGS84大地坐标在大多数工程应用中
13、没有太大意义。实际需要将GPS观测的84坐标转换为国家平面坐标（如BJ54）或者工程施工坐标。对于WGS84到BJ54的转换，我们可以采用高斯投影的方法，这时需要确定WGS84与BJ54两个大地测量基准之间的转换参数（三参数或七参数），需要定义三维空间直角坐标轴的偏移量和（或）旋转角度并确定尺度差。只有有了测区的“区域性”坐标转换参数，我们利用RTK测量才可能实时的获得我们需要的网格坐标，因为有了转换参数，GPS观测的大地坐标就可以转换成地方坐标了。4.2.1.2怎样求取“区域性”坐标转换参数对于线路工程，求取“区域性”坐标转换参数，需要收集控制线路的足够控制点的大地坐标和地方坐标，只要有了足
14、够多点的大地坐标和地方坐标，利用相关的软件，如天宝TGO软件中的GPS点校正功能和天宝测量控制器中的点校正功能，就可以轻松的求取坐标转换参数。对于参与求参的控制点，应该满足以下条件：1）控制点的数量应足够。一般来讲，平面控制应至少三个，高程控制应根据地形地貌条件，数量要求会更多（比如4个或以上）以确保拟合精度要求。2）控制点的控制范围和分布的合理性。控制范围应以能够覆盖整个工区为原则，一般情况下，相邻控制点之间的距离在3km-5km，所谓分布的合理性主要是指控制点分布的均匀性，当然控制点是越多越好。3）控制点之间应具备相互位臵关系精确的WGS84大地坐标BLH和地方坐标XYZ，以确保转换关系的
15、正确性。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-timekinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，
