GPS在公路工程控制测量中的应用.docx
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GPS在公路工程控制测量中的应用
1、GPS在公路工程控制测量中的应用
【摘要】GPS（Global Positioning System）全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。
其应用技术已遍及国民经济的各个领域。
在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。
本文将以开封市的省公路路网项目为例，概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用。
关键词：
GPS定位系统 公路工程 控制测量 应用
一、概述
GPS全球定位系统（Global Positioning System）在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。
我们先了解一下GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。
1.1GPS系统的组成
GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。
1.1.1 空间卫星群 GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60o，轨道和地球赤道的倾角为55o，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。
1.1.2 GPS的地面控制系统 GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。
监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。
注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。
1.1.3 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。
在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。
例如：
我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPS测地型接收机其技术指标为：
双频主机、天线，RTK电台一体化；
独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；
5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星"超跟踪"技术；
新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA数据存储卡;
测量精度：
静态测量5mm+lppm
RTK测量 10mm十1ppm（平面）
20mm十1ppm（高程）
这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
1.2 GPS的工作原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。
如图 l示：
在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗（A、B、C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。
从而用距离交会的方法求得 P点的维坐标（Xp,Yp，Zp），其数学式为：
SAP2=[（ Xp-XA）2+（Yp-YA） 2+（Zp+ZA） 2]
SBP2=[（ Xp-XB）2+（Yp-YB） 2+（Zp+ZB） 2]
SCP2=[（ Xp-XC）2+（Yp-YC） 2+（Zp+ZC） 2]
式中（XA，YA，ZA）, （XB，YB，ZB）, （XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。
在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。
（如：
WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。
）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。
这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。
二 GPS测量的技术特点
相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：
2.1 测站之间无需通视。
测站间相互通视一直是测量学的难题。
GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。
但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。
2.2 定位精度高。
一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。
大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。
2.3 观测时间短。
观测时间短 采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。
例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。
2.4 提供三维坐标。
GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
2.5 操作简便。
GPS测量的自动化程度很高。
目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。
而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
2.6 全天候作业。
GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。
三、GPS系统在实际测量工作中的应用，
公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能：
静态功能和动态功能。
静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。
开封市的省路网改造项目应用GPS测量是于2001年开始的，2002年在省道豫04线和尉氏--通许段48公里的中线测量和国道310线郑汴高速连接线11.8公里的控制测量中推广使用了静态功能这一技术。
据开封市公路工程勘察设计院有关专家介绍，经过多次的复测验证，GPS技术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。
3.1 国道310线郑汴高速连接线控制测量
3.1.1建立布网方案
国道310线郑汴高速连接线北连郑汴高速，向南穿越正在开发的开封经济技术园区，地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，该测区内原有BJ54坐标系的E级控制点二个（已知起算点），其中a1 （X=3852759.5680，Y=528870.9190，H=72.0080）位于医药商厦门前， b1 （X=3852808.6230，Y=527915.2590，H=72.0000）位于大学西边的路口处，根据工程需要在市委、水利局、书店、雕塑、检察院附近加密控制点，以便于测设，我们如图1建立控制网。
3.1.2 大地测量法
主要采用大地测量仪器如经
纬仪、全站仪、测距仪等。
国道
310线郑汴高速连接线控制网采用
测边网，高程采用测距三角高程，
按照观测技术要求进行施测。
外
业观测数据经数据处理并进行平差计算其结果见表1。
3.1.3 GPS静态测量法GPS静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台天宝4800GPS接收机安置在待定点（a2,c1,c2,c3）上同时接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。
观测数据经平差计算得到54北京坐标系的坐标见表2。
3.1.4大地测量法与GPS测量法结果比较 见表3。
由表3可知：
由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于±10mm，因此可以满足国道310线郑汴高速连接线加密施工控制网的精度要求。
3.2 GPS的动态测量（RTK）在东京大道新建工程的应用
东京大道新建工程周围地势起伏较大，在北城墙外JD4～JD5区间穿越五十公顷面积的国家森林公园，大范围的密林、密灌地使通视较为困难，而规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。
这样，导线附合或闭合长度和结点导线结点间距等指标都有严格规定，这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。
开封市公路局勘察设计院于2000年用10人花费20天时间，用全站仪和测距仪通过导线形式完成了该路段进行了控制测量。
2001年在工程开工前对 该路段实施GPS的RTK动态测量，对中线进行恢复和校核。
见图示：
以已知控制点 JD4、JD5为基准点，然后在基准点JD4上架设GPS基准台，用GPS1H和GPS2两台天宝（ Trimble）4800GPS接收机分别安置在控制点上，测出点HZ4、ZD7、ZD8、ZD9、ZD10、ZH5、的三维坐标，每点测量时间为5s。
根据所测坐标计算出相应边长值。
表4测量基线边长比较表。
为验证市勘察设计院2000年的对东京大道新建工程在控制测量的精度，我们分别以JD4和JD5为基准站对国家森林公园周围原加密的控制点（见图3）A、B、C、D、E也进行了RTK测量，进行了坐标比较，见表5。
由表4、表5可知：
运用GPS测量的基线有14条，边长差值最大为16mm。
控制点坐标测量点数7点，除E点发现有人为的破坏痕迹外，三维坐标能够比较的元素有27个，差值小于施工测量规范规定的要求，从以上比较可知，RTK测量可以用于工程的控制测量是非常有效的新技术。
原来10人20天的外业任务，使用GPS测量仅用5人6小时时间，可见利用GPS测量能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。
四、小结
通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：
第一 GPS作业有着极高的精度。
它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。
第二 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。
它不受人为因素的影响。
整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。
第三 GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。
RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。
这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。
它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。
第四 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。
一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。
第五 GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。
特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。
2、GPS在地理信息数据采集和更新方面的应用
摘要：
本文简要介绍了GPS系统的功能和现状、GIS系统和安徽省地理信息数据库，以及GPS在地理信息数据的更新方面的应用成果和前景。
关键词：
GPS GIS 基础地理数据库
引言：
GPS系统这一全新的现代定位方法已全面取代常规光学和电子仪器，与现代通讯和计算机技术相结合，以同时测定三维坐标的方法将测量定位技术扩展到海洋和外层空间，同时从定点扩展到区域，从静态扩展到动态，精度达到毫米级，从而大大拓宽了应用范围，在地球物理学、气象、海洋、交通等领域获得了广泛运用。
GPS系统介绍和现状
GPS全称为全球定位系统（Global Position System），硬件是由环球通讯卫星和接收装置组成，基于卫星的无线电导航定位系统，为用户提供精密的三维坐标、导航与时间信息。
随着地球的数字化进程，微电子技术和GIS技术获得重大进展，卫星导航、定位的理论已趋成熟，同时各个领域都需要掌握对空间资料的处理和利用的基本技术，GPS将作为通用设备越来越多地应用于科研和民用领域。
1、GPS系统由3部分组成：
• 空间部分：
主动式工作卫星：
26颗卫星分布6个椭圆轨道上，长半轴26600km，高度20200km，时间基准10-12?
/FONT>10-13秒
• 控制部分：
轨道预报（监测和控制卫星系统），确定系统时间，预报卫星星历、卫星钟状态，更新卫星导航电文。
• 用户部分：
不同类型的接收机（由带前置放大器的天线、信号识别和处理的射频仓、微处理器、精密振荡器、电源、显示屏、内存和数据存储器组成）。
2、观测原理和信号结构：
• 基本观测量：
卫星发射天线和接收机天线间信号传播时间
• 伪距测量由时间系统同步误差参数决定
• 轨道确定和描述保证卫星精确定位
• 系统精度：
（美国政府出于军事利益上的原因对精度进行了人为限制：
（1）、AS政策：
加密P码
（2）、SA政策：
选择利用性：
a：
在星历数据中加干扰 b：
卫星时钟加抖动或使时间系统不稳定。
）
导航精度：
10?
/FONT>15米
动态测量精度：
亚米级
静态测量精度：
毫米级
3、GPS系统的应用
• 在科学研究方面，利用GPS的观测精度（毫米级）和时空分辨率监测地球的动态变化，从而剖析地球内部和地壳、大气层、海洋等的变化情况；同时利用卫星轨道的测定和影响参数的分析可对地球引力系数，自转、潮汐、大气、电离层等参数进行研究。
GPS系统的广泛应用大大推进了地球科学及地震、气象、海洋等各相关科学的发展。
目前中国首期地壳运动观测GPS网络工程已经完成。
国家地震局、总参测绘局和科学院等部门联合在全国各地建立了25个连续观测基准站、56个定期复测基准站和1000多个不定期复测站，通过对大地板块进行以毫米/年为单位的长期测量，分析地壳运动规律，从而开展地震预报、大地测量和国防等方面的研究工作。
• 在政府管理和民用领域，GPS的导航和动态定位测量等功能得到广泛应用。
如在针对各类灾害的预防和快速反应上，如地震、森林火灾、水灾等，可以快速确定发灾地点、受灾范围和灾情的发展趋势。
在交通、环保、城市规划、水利和旅游等方面GPS获得了广泛的运用。
二、GPS 系统和GIS系统的结合应用
随着社会和经济的高速发展，人类活动同时也带来了环境恶化、人口剧增、资源耗费等急待解决的问题，这就要求从事与之相关的各部门以整体的观点认识地球和我们身边的环境系统。
GIS（Geographic Information System 地理信息系统）能够将各种信息同空间地理位置有机结合起来，将地理学、计算机科学、RS、GPS和INTERNET等技术相融合实现综合分析处理，以数字化的手段统一实现对整个地球及其相关现象的重现和认识及对空间环境的多分辨率、三维描述，以处理自然和社会活动诸方面的问题，建立具有生物物理和社会经济各方面资料的基础地理信息数据库和综合信息数据库。
传统空间数据的主要资料源是测绘部门提供的大比例尺地图。
由于这些地图的绘制需要测绘、统计、交通等部门的协作，投入大量人力物力来完成，因此其更新的周期较长；另外它们不具备汇总其它社会经济等各方面信息，提供动态综合分析的功能。
在经济高速发展的现在，政府宏观决策、城市规划、交通建设等等方面对空间资料的要求是实时、高精度和全方位的，这就需要健全能够实现及时更新的基础地理信息数据库。
基础地理信息数据库建立以PC ARC/INFO、ARCVIEW为软件平台，按WGS84坐标系和UTM投影方式制成电子地图，开发软件为ARCVIEW、MAPINFO等。
三、GPS实地测量范例
这里我们以安徽省地理信息中心和安徽省公路局合作的全省国道、省道及交通标志位置GPS测量项目为例予以简要介绍。
1、测量方式：
测量人员按照各地市公路部门提供的各级公路和沿途各特征点资料制定线路，安排日程表，每天将取得数据输入便携式电脑，完成移动测量后将全部数据同基准站GPS进行校正差分，得出标志点和路线的经纬度坐标文件，再经ARC/INFO软件处理得到完整准确的电子地图。
2、测量设备：
测量中使用的GPS设备是由美国TRIMBLE公司出品的两台套GPS Pathfinder Basic Plus双频接收机。
基准站设于安徽省科委院内。
移动站由接收机、天线和其它辅助设备组成。
基准站：
天宝Trimble 12 Channel 运行软件：
PFCBS
移动接收机：
天宝 Trimble 6 Channel 运行软件：
PFINDER
内存：
256K Waypoint 99/999 点
实测环境要求：
3颗卫星可测2D；4颗卫星可测3D
差分软件：
PFINDER
现场实测精度:
< 100米
差分后精度为:
2-5米
测量范围：
海拔 –500米?
/FONT>20000米，距基准站（合肥）500公里内，覆盖全省
测量方式：
车载
3、测量成果：
省地理信息中心和省公路局的野外测量人员以大约每周一个地区的进程测得蚌埠、淮南、滁州等地区的高速国道、省道，各级国道、省道等路线；公路局、大小桥、工区等标志点。
4、测量总结：
合理设定测量速度：
在GPS动态测量时，路线的形状描述由拐点密度决定，根据精度要求应合理设定测量速度和记录间隔时间。
注意测量环境对卫星信号接收的影响：
在山区、茂密森林和高大建筑附近，需随时注意天线对天空的可视范围，保证接收到可进行3维计算的4颗以上卫星的信号。
注意接收机内存量：
新的GPS产品具有较大的内存量，但野外测量时最好配备便携式计算机，分时间段将测量数据输入同时空出接收机内存。
结束语：
在当前，空间信息数据是政府部门决策和行业发展规划的重要依据，是网络高速公路上的主流内容之一。
利用GPS进行GIS地理数据更新具有及时、高效、高精度、不受恶劣环境气候影响等优势，未来的几年内，GPS连续观测基准站将会遍布全国，任何地区都可以实现实时测量；美国也将取消人为的精度限制，民用测量可以取得更高的精度。
GPS作为一种便捷的科学工具将在空间科学领域获得广泛的应用。
3、GPS测量的误差分析
全球定位系统（Global Positioning System------GPS）是美国从二十世纪七十年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航和定位能力的新一代卫星导航和定位系统。
GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。
1 GPS的测量原理及误差分类
GPS测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息来确定地面点的三维坐标。
GPS通过计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，来确定地面点的坐标。
因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS测量产生误差。
GPS测量误差按其性质可分为系统误差和偶然误差两类。
系统误差主要包括卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差等；偶然误差主要包括信号的多路径效应、接收机的位置误差、天线相位中心位置误差等等。
其中系统误差无论从误差的大小还是对定位误差的危害性来讲都比偶然误差要大的多，它是GPS测量的主要误差来源。
同时系统误差也是有规律可循，可采取一定的措施加以消除，偶然误差则可以通过改善测量环境来降低误差。
2 系统误差及减弱误差的措施
2.1 与大气折射有关的误差
卫星发出信号与地面接收机收到信号要经过大气层，信号在大气层的传输过程中受到大气层的减弱和延迟。
2.1.1电离层的折射误差及减弱措施
所谓电离层，指地球上空距地面高度在50～1000km之间的大气层。
电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。
当GPS 信号通过电离层时，如同其它电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。
所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就不会等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。
减弱电离层折射误差的措施有以下几方面：
1 利用双频观测。
电磁波通过电离层所产生的折射改正数与电磁波频率ƒ的平方成反比。
如果分别用两个频率ƒ1和ƒ2来发射卫星信号，这两个不同频率的信号就会沿同一路径到达接收机。
由于用调制在两个载波上的P码测距时，初电离层折射不同外，其余误差都相同，所以就可以用P1和P2码测的伪距之差计算出电离层折射改正量。
最后将地面接收机观测结果加上计算出的折射改正量得到改正后的地面点精确坐标。
2 利用电离层改正模型加以修改。
采用双频技术，可以有效的减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的角度角又小时求得电离层延迟更改中的误差可能达几厘米。
为了满足更高精度的GPS测量的需要，Fritzk、Brunner等人提出了电离层延迟更正模型。
该模型考虑了折射率n及地磁场的影响，并且是沿着信号传播的路径来进行积分。
计算结果表明，无论在何种情况下改进模型的精度均优于2mm。
3 利用同步观测值求差。
用两台接收机在基线的两端进行同步观测并取其观测量之差，可以减少电离层折射的影响。
这是因为当两观测站相距不太远时，由于卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况基本相似，因此大气状况的系统影响便可以通过同步观测量的求差而减弱。
这种方法对于短基线（小于20KM）的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后的基线长度的残差一般为1ppm•D。
不过，随着基线的长度增加，其精度随之明显下降。
2.1.2 对流层折射误差及减弱措施
对流层的高度为40km以下的大气层，其密度比电离层更大，大气状态也更复杂。
对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，使其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，也使传播路径发生弯曲，从而使距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射误差。
对流层折射误差与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关，这也是对流层折射比电离层折射更复杂。
对流层的折射与信号高度角有关，当在天顶方向（高度角90度），其影响达2.3m；当在地面方向（高度角为10度），其影响可达20m。
减弱对流层折射误差的主要措施有以下几方面：
1 利用对流层更正模型加以修改。
由于对流层折射对GPS信号传播的影响比较复杂，一般采用更正模型进行削弱。
常用的各种更正模型是利用气象参数进行计算更正。
其气象参数在测站点直接测定。
2利用同步观测求差。
当观测站相距不太远时（小于20km），由于信号通过对流层的路径相似，所以对同一卫星的观测值求差，可以明显减弱对流层的影响。
但是，随着同步观测站之间距离增大，求差方法的有效性也将随之降低。
当距离大于100km时，对流层的折射影响就制约GPS精度的提高。
3 利用水气辐射计直接测定信号传播的影响。
2.2 与卫星有关的误差
2.2.1 卫星星历误差及减弱措施
由星历所给出的卫星在空间位置与实际位置之差称为卫星星历误差。
由于卫星在运动中受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以充分可靠地测定这些作用力并掌握它们的作用规律，因此在星历预报时会产生较大的误差。
在一个观测时间段内星历误差属于系统误差特性，是一种起算数据误差。
它将严重影响单点定位的精度，也是精度相对定位中的重要误差源。
解决星历误差的方法有以下几种措施：
1 建立自己的卫星跟踪网独立轨道。
建立GPS卫星跟踪网，进行独立定轨。
这不仅使我国用户摆脱美国政府使用“SA”和“AS”有意降低调制在C/A码上的卫星星历精度的影响，且使提供的卫星星历进一步提高。
这将为提高精密定位的精度起显著影响；也可以为实时定位提供预报星历。
2 同步观测值求差。
利用两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱卫星星历误差的影响。
由于同一卫星的位置误差对不同的观测站同步观测量的影响具有系统性质，所以通过同步观测值求差方法，可以把两站共同误差消除。
2.2.2 卫星钟的钟误差及减弱措施
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