GPS测量技术在公路测量中的原理及应用

1 GPS测量简介

全球定位系统(GPS)是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。该系统从本世纪70年代初开始设计、研制。GPS具有全天候提供高精度的连续实时三维导航、定位能力。自1980年第一台商用GPS接收机问世以来，随着GPS工作卫星的不断入轨和GPS接收机性能的不断提高和改进，GPS测量技术已广泛应用于我国国民经济建设的各个部门。
实时GPS系统由以下3部分组成。

(1) GPS信号接收系统。从理论上讲，双频接收机与单频接收机均可用于实时GPS测量。但是，单频机进行整周未知数的初始化需要较长的时间，此乃实时动态测量所不允许的；加之单频机在实际作业时容易夫锁，夫锁后的重新初始化要占去许多时间，因此，实际做作业中一般应采用双频机。

(2) 数据实时传输系统。为把基准站的信息及观测数据一起实时传输到流动站，并与流动站的观测数据进行实时处理，必须配置高质量的无线通讯设备(包括无线信号调制解调器)。由于数据信息量大，必须采用较高的传输速度，波特率通常要在9600以上。利用数据实时传输系统，流动站可以随时调阅基准站的工作状态和设站信息。这对于保证成果质量的排除观测中出现的问题十分有利。

(3) 数据实时处理系统。基准站将自身信息与观测数据，通过数据链传输至流动站，流动站将从基准站接收到的信息与自身采集的观测数据组成差分观测值。在整周未知数解算出台后，即可进行每个历元的实时处理。只要保持锁定四颗以上的卫星，并具有足够的几何图形强度，就能随时给出厘米级的点位精度。因此，必须具备功能很强的数据处理系统。目前该系统已发展成为多功能的完整系统，所以能成功地用于实际作业中。

由于公路建设无论是在测量原则，还是在测量精度和作业方法等方面有自己的特点。公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。目前GPS测量技术在公路测设中主要用于建立公路工程测量控制网及动态RTK测量。下面结合GPS使用情况对公路GPS控制测量作一简要介绍。

2 GPS测量的特点

相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：

(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) 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

(3) 观测时间短。采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1-2小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。

(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。

(5) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，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。

(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。

3 GPS在公路测量中的应用

3.1 静态GPS测量技术在公路测量中的应用

静态GPS测量技术主要用于建立公路首级控制网，之后再利用其它测量方法进行加密的附合导线测量。控制网的建立过程如下：

第一步：路线、GPS点选址的初步勘察接到外业测量任务后，组织人员对路线的走向进行初步勘察，查看沿线可选作GPS点的位置情况。调察路线附近高等级GPS点以便进行联测。

第二步：GPS点控制网的设计GPS控制网的布设应根据公路等级、沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计。因为GPS控制网作为公路首级控制网时，需采用其他测量方法进行加密。故沿路线两侧每隔5-10km布设一对相互通视的GPS点。理论上GPS点观测时只须在3个GPS点上架设GPS仪同时观测即可确定这3个点的坐标。考虑到公路测量本身的特点采用4台GPS仪同时观测4个GPS点，这样可大大加快全线的测量速度。

第三步：GPS选点、埋石选点应按技术设计要求有利于采用其他测量方法扩展和联测。

第四步：架设GPS仪观测4个GPS点观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求。我们在外业的观测中规定观测时间不得少于0。5h，有效观测卫星数不少于4个。

第五步：GPS观测数据的处理外业观测结束后将GPS中的数据传入计算机中，采用南方公司的软件(包括采集器与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件)，及时进行数据处理和质量分析。过程可分为基线解算与检核、GPS控制网平差计算两个步骤。

第六步：GPS控制网进行加密。利用全站仪测量附合导线的方法进行首级GPS控制网的加密作业。将路线按GPS的分布分成若干段，每一段单独进行附合导线的测量，保证每一段附合导线起始于GPS点，终止于GPS点。

第七步：导线点座标及平差计算，将每段附合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果。