|
1 GPS 測量簡(jiǎn)介 全球定位系統(GPS) 是美國國防部主要為滿(mǎn)足軍事部門(mén)對海上、陸地和空中設施進(jìn)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(kāi)始設計、研制。GPS 具有全天候提供高精度的連續實(shí)時(shí)三維導航、定位能力。自1980 年第一臺商用GPS 接收機問(wèn)世以來(lái),隨著(zhù)GPS 工作衛星的不斷入軌和GPS 接收機性能的不斷提高和改進(jìn),GPS測量技術(shù)已廣泛應用于我國國民經(jīng)濟建設的各個(gè)部門(mén)。 實(shí)時(shí)GPS系統由以下3部分組成. (1) GPS信號接收系統. 從理論上講,雙頻接收機與單頻接收機均可用于實(shí)時(shí)GPS測量. 但是,單頻機進(jìn)行整周未知數的初始化需要較長(cháng)的時(shí)間,此乃實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量所不允許的;加之單頻機在實(shí)際作業(yè)時(shí)容易夫鎖,夫鎖后的重新初始化要占去許多時(shí)間, 因此,實(shí)際做作業(yè)中一般應采用雙頻機. (2)數據實(shí)時(shí)傳輸系統. 為把基準站的信息及觀(guān)測數據一起實(shí)時(shí)傳輸到流動(dòng)站,并與流動(dòng)站的觀(guān)測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,必須配置高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)通訊設備(包括無(wú)線(xiàn)信號調制解調器). 由于數據信息量大,必須采用較高的傳輸速度,波特率通常要在9600以上. 利用數據實(shí)時(shí)傳輸系統,流動(dòng)站可以隨時(shí)調閱基準站的工作狀態(tài)和設站信息. 這對于保證成果質(zhì)量的排除 觀(guān)測中出現的問(wèn)題十分有利. (3)數據實(shí)時(shí)處理系統. 基準站將自身信息與觀(guān)測數據,通過(guò)數據鏈傳輸至流動(dòng)站,流動(dòng)站將從基準站接收到的信息與自身采集的觀(guān)測數據組成差分觀(guān)測值. 在整周未知數解算出臺后,即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理. 只要保持鎖定四顆以上的衛星,并具有足夠的幾何圖形強度,就能隨時(shí)給出厘米級的點(diǎn)位精度. 因此,必須具備功能很強的數據處理系統. 目前該系統已發(fā)展成為多功能的完整系統,所以能成功地用于實(shí)際作業(yè)中. 由于公路建設無(wú)論是在測量原則,還是在測量精度和作業(yè)方法等方面有自己的特點(diǎn)。公路路線(xiàn)一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線(xiàn)形式,這包括附合導線(xiàn)、閉合導線(xiàn)、結點(diǎn)導線(xiàn)等導線(xiàn)網(wǎng)形式。目前GPS 測量技術(shù)在公路測設中主要用于建立公路工程測量控制網(wǎng)及動(dòng)態(tài)RTK 測量。下面結合GPS 使用情況對公路GPS 控制測量作一簡(jiǎn)要介紹。 2 GPS測量的特點(diǎn) 相對于經(jīng)典測量學(xué)來(lái)說(shuō), GPS測量主要有以下特點(diǎn)： (1)測站之間無(wú)需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題, GPS這一特點(diǎn), 使得選點(diǎn)更加靈活方便,但測站上空必須開(kāi)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(xiàn)解精度為5mm+1ppm, 隨著(zhù)距離的增長(cháng), GPS測量?jì)?yōu)越性愈加突出。 (3)觀(guān)測時(shí)間短。采用GPS布設一般等級的控制網(wǎng)時(shí), 在每個(gè)測站上的觀(guān)測時(shí)間一般在1-2小時(shí)左右, 采用快速靜態(tài)定位的方法, 觀(guān)測時(shí)間更短。 (4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀(guān)測站平面位置的同時(shí), 可以精確測定觀(guān)測站的大地高程。 (5)操作簡(jiǎn)便。GPS測量的自動(dòng)化程度很高, 在觀(guān)測中測量員的主要任務(wù)是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高和監視儀器的工作狀態(tài), 而其它觀(guān)測工作如衛星的捕獲, 跟蹤觀(guān)測等均由儀器自動(dòng)完成。 (6)全天候作業(yè)。GPS觀(guān)測可在任何地點(diǎn), 任何時(shí)間連續地進(jìn)行, 一般不受天氣狀況的影響。 3 GPS在公路測量中的應用 3.1 靜態(tài)GPS 測量技術(shù)在公路測量中的應用 靜態(tài)GPS 測量技術(shù)主要用于建立公路首級控制網(wǎng),之后再利用其它測量方法進(jìn)行加密的附合導線(xiàn)測量�？刂凭W(wǎng)的建立過(guò)程如下: 第一步:路線(xiàn)、GPS 點(diǎn)選址的初步勘察 接到外業(yè)測量任務(wù)后,組織人員對路線(xiàn)的走向進(jìn)行初步勘察,查看沿線(xiàn)可選作GPS 點(diǎn)的位置情況。調察路線(xiàn)附近高等級GPS 點(diǎn)以便進(jìn)行聯(lián)測。 第二步: GPS 點(diǎn)控制網(wǎng)的設計 GPS 控制網(wǎng)的布設應根據公路等級、沿線(xiàn)地形地物、作業(yè)時(shí)衛星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設計。因為GPS 控制網(wǎng)作為公路首級控制網(wǎng)時(shí),需采用其他測量方法進(jìn)行加密。故沿路線(xiàn)兩側每隔5-10km 布設一對相互通視的GPS 點(diǎn)。理論上GPS點(diǎn)觀(guān)測時(shí)只須在3 個(gè)GPS 點(diǎn)上架設GPS 儀同時(shí)觀(guān)測即可確定這3 個(gè)點(diǎn)的坐標�？紤]到公路測量本身的特點(diǎn)采用4 臺GPS 儀同時(shí)觀(guān)測4 個(gè)GPS 點(diǎn),這樣可大大加快全線(xiàn)的測量速度。 第三步: GPS 選點(diǎn)、埋石 選點(diǎn)應按技術(shù)設計要求有利于采用其他測量方法擴展和聯(lián)測。 第四步:架設GPS 儀觀(guān)測 4 個(gè)GPS 點(diǎn)觀(guān)測的共同時(shí)間、有效觀(guān)測衛星總數等應滿(mǎn)足規范要求。我們在外業(yè)的觀(guān)測中規定觀(guān)測時(shí)間不得少于0.5h ,有效觀(guān)測衛星數不少于4個(gè)。 第五步: GPS 觀(guān)測數據的處理 外業(yè)觀(guān)測結束后將GPS 中的數據傳入計算機中,采用南方公司的軟件(包括采集器與計算機通訊軟件、基線(xiàn)向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標轉換軟件),及時(shí)進(jìn)行數據處理和質(zhì)量分析。過(guò)程可分為基線(xiàn)解算與檢核、GPS 控制網(wǎng)平差計算兩個(gè)步驟。 第六步: GPS 控制網(wǎng)進(jìn)行加密。 利用全站儀測量附合導線(xiàn)的方法進(jìn)行首級GPS 控制網(wǎng)的加密作業(yè)。將路線(xiàn)按GPS 的分布分成若干段,每一段單獨進(jìn)行附合導線(xiàn)的測量,保證每一段附合導線(xiàn)起始于GPS 點(diǎn),終止于GPS 點(diǎn)。 第七步:導線(xiàn)點(diǎn)座標及平差計算 將每段附合導線(xiàn)測量數據傳輸到計算機中進(jìn)行角度、距離平差得到最后結果。 3.2 RTK技術(shù)在公路測量中的應用 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀(guān)測值為根據的實(shí)時(shí)差分GPS (RTDGPS)技術(shù),它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破,在公路工程中有廣闊的應用前景. GPS靜態(tài)定位、準動(dòng)態(tài)定位等定位模式,由于數據處理滯后,所以無(wú)法實(shí)時(shí)解算出定位結果,同時(shí)無(wú)法及時(shí)對觀(guān)測數據進(jìn)行檢核,這就難以保證觀(guān)測數據的質(zhì)量, 在實(shí)際工作中經(jīng)常需要返工來(lái)重測由于粗差造成的不合格觀(guān)測成果. 解決這一問(wèn)題可通過(guò)延長(cháng)觀(guān)測時(shí)間來(lái)保證測量數據的可靠性,但這樣一來(lái)則降低了GPS測量的工作效率. 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)系統由基準站和流動(dòng)站組成,建立無(wú)線(xiàn)數據通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的保證,其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級控制點(diǎn)作為基準點(diǎn),安置一臺接收機作為參考站,對衛星進(jìn)行連續觀(guān)測,流動(dòng)站上的接收機在接收衛星信號的同時(shí),通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸設備接收基準站上的觀(guān)測數據,隨機計算機根據相對定位的原理實(shí)時(shí)計算顯示出流動(dòng)站的三維坐標和測量精度. 這樣我們使用者就可以實(shí)時(shí)監測待測點(diǎn)的數據觀(guān)測質(zhì)量和基線(xiàn)解算結果的收斂情況,根據待測點(diǎn)的精度指標,確定觀(guān)測時(shí)間,從而減少沉余觀(guān)測,提高工作效率. 動(dòng)態(tài)定位在公路中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監理和GIS前端數據采集. 測量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀(guān)測數據,實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置. 目前,其定位精度可以達到厘米級. 動(dòng)態(tài)定位模式在公路勘測階段有著(zhù)廣闊的應用前景,可以完成地形測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線(xiàn)測量等工作. 整個(gè)測量過(guò)程在不需通視的條件下,測量1～3 s,精度就可以達到10～30mm,有著(zhù)常規測量?jì)x器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn). RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點(diǎn):實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果(包括高程) ;徹底擺脫了由于粗差造成的返工,從而提高了GPS作業(yè)效率;作業(yè)效率高,每個(gè)放樣點(diǎn)只需要停留1～2s,流動(dòng)站小組作業(yè)(1～3人)可完成中線(xiàn)測量 5～10km. 若用其進(jìn)行地形測量,每小組每天完成0.8～1. 5(km)3 的地形測繪,其精度和效率是常規測量所無(wú)法比擬的;在中線(xiàn)放樣的同時(shí)完成中樁抄平工作;應用范圍廣—可以函蓋公路測量(包括平、縱、橫) ,施工放樣,監理,竣工測量, GIS前端數據采集諸多方面;如輔助相應的軟件, RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè),充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢. 對于我們工程單位來(lái)講, GPS靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)技術(shù)相結合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制測量. 生產(chǎn)過(guò)程中采用常規方法和GPS技術(shù)相結合生產(chǎn)流程可以極大的提高生產(chǎn)效率.隨著(zhù)GPS技術(shù)特點(diǎn)是RTK技術(shù)的發(fā)展,其初始化時(shí)間越來(lái)越斷,跟蹤能力也越來(lái)越強,精度越來(lái)越高,可靠性越來(lái)越強,有著(zhù)良好的性?xún)r(jià)比. 3.3 公路控制網(wǎng)的建立 按GPS勘測規程要求,每0. 5～1km間設一控制點(diǎn),其等級依公路等級而定. 現以高速公路和500～100m特大橋及1000～2000m中長(cháng)隧道為說(shuō)明GPS網(wǎng)的建立方法. 根據規范,高速公路要求的控制等級為一級小三角或一級導線(xiàn). 因此,做等級控制時(shí)必須使首級控制點(diǎn)交子這一等級,而首級控制必須做到四等以上. 為此,在搜集資料時(shí)必須把測區內的國家三、四等控制點(diǎn)資料搜集齊全. 同時(shí),在布設首級控制網(wǎng)時(shí)應在5～10km內布設一首級控制點(diǎn),以便發(fā)展加密控制. 在確立布網(wǎng)等級和方案后,可按以下步驟建立公路控制網(wǎng). (1)選點(diǎn). 以選線(xiàn)及控制人員為主,選擇便于工作及以后應用的點(diǎn)位. (2)埋石. 按勘測規范要求,埋選標石,并現場(chǎng)做好點(diǎn)記. (3)實(shí)測. 根據所使用的儀器標稱(chēng)精度和規范的相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)測. (4)進(jìn)行平差及精度評定. 根據實(shí)測結果進(jìn)行平差計算,并進(jìn)行精度評級. 精度滿(mǎn)足所需等級要求即告完成. 這樣,就可建立起高速公路GPS控制網(wǎng). 3.4 GPS控制網(wǎng)的應用 建立公路GPS控制網(wǎng)后,共主要用途可體現在以下幾個(gè)方面: (1) 公路航測成圖時(shí)要有相應的控制依據,可用GPS控制網(wǎng)控制航向和區域寬度. (2)在用其他方法測圖時(shí), GPS控制網(wǎng)可選用首級控制和圖根控制來(lái)應用. (3)在公路勘測階段,可以GPS控制網(wǎng)為基礎進(jìn)行放線(xiàn)及構造物的施放,可大大提高測設精度及原始數據的提取精度. (4)在施工階段,根據設計要求可以GPS控制網(wǎng)進(jìn)行實(shí)地放線(xiàn)及構造物的放樣. (5)在改造公路時(shí),利用GPS控制網(wǎng)可以對公路進(jìn)行有效的改造. 3.5 公路中線(xiàn)測量 設計人員在大比例帶狀地形圖上定線(xiàn)后,需將公路中線(xiàn)在地面上標定出來(lái). 采用實(shí)時(shí)GPS測量,只需將中線(xiàn)樁點(diǎn)的坐標輸入GPS接收機中,系統就會(huì )定出放樣的點(diǎn)位;由于每個(gè)點(diǎn)的測量都是獨立完成的,不會(huì )產(chǎn)生累積誤差,各點(diǎn)放樣精度趨于一致. 3.6 公路縱、橫斷面測量 公路中線(xiàn)確定后,利用中線(xiàn)樁的點(diǎn)坐標,通過(guò)繪圖軟件,可繪出沿線(xiàn)縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面,所用數據都是測繪地形圖時(shí)采集來(lái)的,不需再到現場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測量,大大減少了外業(yè)工作. 3.7 施工測量 實(shí)時(shí)GPS系統既有良好的硬件,也有極為豐富的軟件可供選擇,施工中點(diǎn)、線(xiàn)、面以及坡度等放樣均很方便、快捷. 精度可達厘米級. 4 小結： 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是從GPS測量中,得出如下體會(huì ): (1) GPS作業(yè)有著(zhù)極高的精度. 它的作業(yè)不受距離限制,非常適合國家大地點(diǎn)破壞嚴重區、地形條件困難地區、局部重點(diǎn)工程地區等. (2) GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量. 它不受人為因素的影響. 整個(gè)作業(yè)過(guò)程由徽電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制,自動(dòng)記錄、自動(dòng)數據預處理、自動(dòng)平差計算. (3) RTK技術(shù)將徹底改變公路測量模式. RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置空間三維坐標. 這種技術(shù)非常適合路線(xiàn)、橋、隧道勘察. 它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測量、點(diǎn)位測量等. ( 4) GPS測量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率. 一般GPS測量作業(yè)效率為常規測量方法的3倍以上. (5) GPS高精度測量同高精度的平面測量一樣,是GPS測量應用的重要領(lǐng)域. 特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發(fā)展的形勢下,往往由于這些地區地形條件的限制,實(shí)施常規的幾何水準測量有困難, GPS高程測量無(wú)凝是一種有效的手段. |
