GPS测量技术在公路工程中应用

摘要：GPS技术应用于公路测量是公路外业勘测的一项重大技术革命，不仅极大的提高了测量效率，而且所测量数据更加准确，其应用及开发的前景十分广阔，尤其是实时动态（RTK）定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力。主要介绍了GPS技术发展现状及RTK技术在公路测量中的应用，指出了该技术的应用对公路勘测起到了巨大推进作用。
关键词：GPS；RTK；静态定位；动态定位
T2012-08（02）9820

1 GPS技术发展现状

全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem，简称GPS）是美国从20世纪70年始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于 1994年全面建成。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。其原理是采用载波相位测量局域差分法：在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度；求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。其中RTK测量以其快速实时，厘米级精度等特点广泛应用于数据采集（如碎部测量）与工程放样中。RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。

2 GPS技术简介及在公路测量中的应用前景

2.1GPS简介

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。
1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20200km，运行周期为11h58min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。
2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

2.2 GPS定位原理（图1）

图1GPS定位原理
GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，根据公式可算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）：

2.3GPS应用前景

随着我国国民经济的快速增长的西部大开发的实施，我国的高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求，随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入G

摘自：毕业论文题目www.udooo.com

PS技术应当是首选。公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在公路工程中的应用，有着非常广阔的前景。下面就RTK技术在公路勘测中的应用作简单的介绍。

3 RTK技术在公路测量中的应用

3.1 实时动态（RTK）定位技术简介

实时动态（RTK）定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知，无论静态定位，还是准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后，所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性，这样一来就降低了GPS测量的工作效率。
实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

3.2 应用

实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集。
3.

2.1 快速静态定位模式

要求GPS接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量），受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5～10min（随着技术的不断发展，定位时间还会缩短），不及静态测量所需时间的五分之

一、在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。

3.

2.2 动态定位测量

测量之前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需2～10s）进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2～4s，精度就可以达到1～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点。

3.3 RTK技术的优点

1）实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）。
2）彻底摆脱了由于粗差造成的返工，提高了GPS作业效率。
3）作业效率高，每个放样点只需要停留1～2s，流动站小组作业，每小组（3～4人）可完成中线测量5～10km，若用其进行地形测量，每小组每天可以完成0.8～

1.5km3的地形图测绘，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。

4）在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
5）应用范围广—可以涵盖公路测量（包括平、纵、横），施工放样，监理，竣工测量，养护测量，GIS前端数据采集诸多方面。
6）如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。

3.4 推广与建议

1）GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。
2）生产过程中采用常规方法和GPS技术相结合生产流程可以极大地提高生产效率。
3）随着GPS技术特点是RTK技术的发展，各个厂家相继推出了具有自主专利技术的仪器，其初始化时间越来越短，跟踪能力也越来越强，精度越来越高，可靠性越来越强，有着良好的性价比，在勘察设计单位具有代替全站仪的趋势，单位设备更新时应考虑这一因素。
4）GPS技术在公路测量中的应用，是公路测量的一项革命性的技术革新，它将对传统的作业理念予以更新。
4结 语
GPS在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。
参考文献：
黄新祥.GPS及其RTK技术在公路勘测中的应用探讨[J].地矿测绘，2005,（01）
朱爱民.GPS在高等级公路勘测应用中的几个问题[M].公路交通科技，2002,（2）
[3]李卫青.道路放线测量中转换参数的计算[J].公路交通科技（应用技术版），2008,（04）
作者简介：周兰桔（1981—），男，助理工程师。2003年毕业于青岛建筑工程学院交通工程专业，现费县公路管理局从事公路养护及管理工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。