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全球定位系統(GPS)在高速公路測量中的應用

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標簽:工程測量規范,工程測量技術, 全球定位系統(GPS)在高速公路測量中的應用,http://www.tljciu.live

摘要:本文簡述了GPS測量技術的發展狀態,并列出了GPS用于測量所具有
特點,重點介紹了GPS測量用于公路測設中的國家大地點加密、隧道控
制測量、特大橋控制測量、導線測量、航測像控點測量、密林密灌地區的
路線控制測量、路線中樁實時放樣測量、GPS測量與水準測量資料相結合
進行高程控制測量的實際應用成果,最后對GPS測量作出了展望。
關鍵詞:全球定位系統高速公漫測量應用
1 概述
1.1 GPS測量簡介
  全球定位系統(GPS)是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地
和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。該系統從本世紀70年
代初開始設計、研制。根據最初設計思想,利用接收衛星發射的偽隨機噪
聲碼(P碼)為美軍及北大西洋組織的盟軍提供米級導航定位,同時將定位
精度為數十米的C/A碼偽距提供民用導航定位。
  GPS作為新一代衛星導航與定位系統,不僅具有全球性、全天候、連
續的精密三維導航與定位能力,而且具有良好的抗干擾性和保密性。全球
定位系統的迅速發展,引起了各國軍事部門和廣大民用部門普遍關
注。GPS定位技術的高度自動化及其所達到的高精度和具有的潛力,也引
起了廣大測量工作者的極大興趣。
  70年代未至80年代初,許多學者的研究表明GPS衛星的載波信號也可
以用于定位,并提供比偽距定位高得多的精度。特別是載波相位差分定位
技術的出現,推動了早期測量型商品的接收機的研制。當時GPS定位基本
上只有一個作業模式——靜態相對定位,兩臺或若干臺GPS接收機安置在
待定點上,連續同步觀測同一組衛星1~2h,或更長一些時間,通過觀測
數據的后處理,給出各待定點間的基線向量,在采用廣播星歷的條件下,
靜態定位不難取得5mm+1PPm(雙頻)或10mm+2PPm(單頻)基線解精度。
  80年代未,建立在FARA(整周未知數快速逼近技術)基礎上的快速靜態
定位為短基線測量作業闖出了一條新路,大大提高了GPS測量的勞動生產
率。一對GPS測量系統(雙頻)在10km以內的短邊上,正常接收4~5顆衛星
5min左右,即可獲取5~10mm+1ppm的基線精度 ,與1~2h甚至更長時間靜
態定位的結果不相上下。近幾年,特別是1993年Leica公司開發了AROF
(AmbiguityResulationontheFly)定位技術,首先實現了動態環境下整周
未知數初始化這個實時GPS測量關鍵技術的商品化。各個GPS測量廠商看好
這個大趨勢,紛紛推出各自的GPS測量新產品。有的把這種新型產品稱之
為GPS全站儀,有的稱之為RTK(實時動態測量),有的稱之為RTGPS。
  總之,GPS測量理論與設備的不斷發展,使得GPS測量技術日趨成熟,
GPS測量功能更加完善,GPS測量應用面更廣,并且GPS測量設備價格變得
低廉,操作更加簡便,使GPS測量更加實用化和自動化。
1.2 GPS測量的特點
  相對于經典測量學來說,GPS測量主要有以下特點:
  (1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這
一特點,使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊,以使接收GPS衛
星信號不受干擾。
  (2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm,而紅外
儀標稱精度為5mm+5ppm,GPS測量精度與紅外儀相當,但隨著距離的增
長,GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明,在小于50km的基線上,其
相對定位精度可達12×10-6,而在100~500km的基線上可達10-6~10-7。
  (3)觀測時間短。在小于20km的短基線上,快速相對定位一般只需
5min觀測時間即可。
  (4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時,可以
精確測定觀測站的大地高程。
  (5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。在觀測中測量員的主要任
務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監視儀器的工作狀態,而其它觀測工
作如衛星的捕獲,跟蹤觀測等均由儀器自動完成。
  (6)全天候作業。GPS觀測可在任何地點,任何時間連續地進行,一般
不受天氣狀況的影響。
2 GPS測量在公路測量中的應用實例
  公路路線一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線形
式,這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造
物如大橋、特大橋、長大隧道等,也有布設成三角網、線形鎖等形式。
2.1 常規測量方法的缺陷
  (1)規范對附合導線長、閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規
定,一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求。這樣,導線附合或閉
合長度最長不得超過10km,結點導線結點間距不能超過附合導線長度的
0.7倍。這種要求一般在實際作業中難以達到,往往出現超規范作業。
  (2)搜集到的用于路線測量控制的起算點間一般很難保證為同一測量
系統,往往國測、軍測、城市控制點混雜一起,這就存在系統間的兼容性
問題,如果用不兼容的起算點,勢必影響測量質量。
  (3)國家大地點破壞嚴重影響測量作業。由于國家基礎控制點,大多
為50、60年代完成,經過30多年,有些點由于經濟建設的需要被破壞,有
些點則由于人們缺乏知識遭人為破壞。在這些地區進行路線測量作業,往
往在50km以上均找不到導線的聯測點。這樣路線控制測量的質量得不到保
證。
  (4)地面通視困難往往影響常規測量的實施。一般路線的控制點要求
布設在距路線的300m范圍內。由于通視的原因,這一條件難以滿足,甚至
在大范圍密林、密灌及青紗帳地區,根本無法實施常規控制測量。
  對于長大隧道,特大橋用常規測量有下列局限:
  (5)長大隧道、特大橋等構造物一般要求測量等級在4等以上。用常規
測量方法,往往采用增加測回數,延長觀測時間等費時、費工的方法來設
法提高精度。
  (6)長大隧道、特大橋多為地形復雜困難地帶,進行常規控制測量,
為通視和網形,往往砍伐工作量相當大,這樣測設費用很大,作業艱苦。
  (7)長大隧道及特大橋的控制網高精度及與路線網的低精度銜接,雖
說用平差方法可以得到克服,但由于地形條件困難,其聯結的測量工作量
很大,且不太方便。實際工作中,構造物的控制測量與路線的控制測量經
常出現脫節現象。
  利用GPS測量能克服上述列舉的缺陷,并提高作業的效率,減輕勞動
強度,保證了高等級公路測設質量。
  下面就在實際生產中應用GPS的情況舉出一些應用實例。
2.2 GPS測量用于加密國家控制點
  京珠國道主干線粵境高速公路湯塘至廣州北二環段路線長約60km,所
處地形為重丘區,路線設計為6車道。
  該段有11個各種系統的平面控制點,經過實地尋找,找出了7個,有4
個被破壞,破壞中有2個國家Ⅱ等點。在已找出的的7個控制點中,國家測
繪局系統Ⅰ等點1個,Ⅲ等點1個;城市測量系統點2個;總參軍控點3個。
這些平面控制點分屬不同測量系統,且等級不同。
  為提高京珠國道粵境高速公路湯塘至廣州北二環段測設質量,決定在
國家測繪系統基礎進行控制點的加密。加密的控制點布設方案是:沿公路
路線每10km布設一對點,該對點相距約1km,且應通視良好。這樣,該段
共設了6對GPS加密點,加密點的精度要達到四等控制網的要求。GPS四等
網由18個點組成,其網形略圖如圖1。
圖1 湯塘至廣州北二環GPS四等國家大地點加密 
  該四等網采用4臺Trimble SE400單頻接收機作業。該機的標稱精度為
10mm+2PPm。四等網的觀測時間為90min。數據采樣間隔為15s。
  基線預處理采用廠家提供的TrimvecPlus軟件,平差計算采用武漢測
繪科技大學編制的GPSADJ Ver2.0軟件包。
  通過平差處理,該四等網最弱點位中誤差為4.11cm,平均點位中誤差
3.18cm,最弱邊相對中誤差1/27669,平均邊長相對中誤差1/453578。
  整個四等網作業僅花4d時間。其效率較常規測量手段至少提高3倍。
  在此基礎上,我院同湖北省測繪局、湖南省第二測繪院合作,在京珠
國道主干線湖南耒陽廣州花都段進行了近600km的GPS加密國家控制點的測
量。該地區路線跨越南嶺山脈,沿線山高深、植被茂盛、地形地貌復雜、
通視條件極差。國家一、二等三角點破壞嚴重,測設內可供利用的三角點
稀少,在路線走廊范圍內僅找到7個保存完好的國家三角點。
  經過平差處理,網中最弱點點位中誤差為4.13cm,最弱邊相對中誤差
為1/12.5萬。控制網的各項指標達到甚至超過國家四等網的技術要求。
  近600km的GPS控制網,僅用兩個外業組,10個作業員,7臺GPS接收

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