本文選自省級期刊《科技資訊》，《科技資訊》雜志是經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，北京市科學(xué)技術(shù)研究院主管、北京國際科技服務(wù)中心主辦的科省級刊物。發(fā)表具有學(xué)士學(xué)位以上的高學(xué)歷人群各類原創(chuàng) 性的學(xué)術(shù)理論、工作實(shí)踐、成果綜述性文章，充分體現(xiàn)“百家爭鳴、百花齊放”的方針，本雜志社向各級政府機(jī)關(guān)、相關(guān)單位、學(xué)校等征集學(xué)術(shù)論文。
　　摘要：GPS測量技術(shù)主要依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有測量精度高，速度快的特點(diǎn)，作為一類新形式測量技術(shù)，目前在全球各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用和研究，在現(xiàn)代公路測量中得到了迅速推廣。本文簡單介紹了GPS測量技術(shù)的系統(tǒng)組成及工作原理，著重闡述了現(xiàn)代公路測量中GPS技術(shù)的具體應(yīng)用，分析了GPS技術(shù)在現(xiàn)代公路測量中的應(yīng)用前景，并針對今后的發(fā)展提出相應(yīng)建議。

　　關(guān)鍵詞：公路測量,應(yīng)用,GPS,建議

　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，公路建設(shè)力度不斷加大，公路建設(shè)工程逐漸增多，公路測量的方法和技術(shù)手段也在不斷提高和完善。由于現(xiàn)代公路線路長、跨越范圍廣、且已知點(diǎn)少、沿線地形情況錯(cuò)綜復(fù)雜，常規(guī)測量技術(shù)由于布網(wǎng)困難，且精度較低，受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，難以滿足現(xiàn)代公路測量高精度、實(shí)時(shí)性、高效性、全天候、多功能和易操作等特點(diǎn)和要求。GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)是美國研制并于1994年投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，目前其應(yīng)用技術(shù)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的特性以及精密三維導(dǎo)航與定位、定時(shí)功能，為使用者提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間等數(shù)據(jù)�，F(xiàn)代公路測量技術(shù)的進(jìn)步主要依靠設(shè)備的引進(jìn)、技術(shù)的改造以及測量人員水平的提高。當(dāng)前，用GPS技術(shù)方法建立公路沿線總體控制測量，為勘測階段測繪帶狀地形圖、測量路線平面和縱面提供依據(jù)，為施工階段橋梁、隧道建立施工控制網(wǎng)，因能實(shí)時(shí)提供經(jīng)可靠性檢驗(yàn)厘米級的精度測量成果，可顯著提高作業(yè)效率，在公路工程上具有十分廣闊的應(yīng)用前景，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

　　1GPS測量技術(shù)概述

　　1.1GPS測量技術(shù)的組成

　　GPS測量技術(shù)的組成包括空間部分、控制部分和用戶部分。

　　空間部分主要用于發(fā)出導(dǎo)航定位信號，由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，其中真正用于導(dǎo)航的有21顆，其余3顆是備用衛(wèi)星，這些衛(wèi)星均勻分布在六個(gè)軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，同時(shí)以12恒星時(shí)為周期繞地球運(yùn)行。

　　控制部分由分布在全球的五個(gè)地面跟蹤站組成，根據(jù)功能的不同分為主控站、監(jiān)控站和注入站三種。主控站負(fù)責(zé)將監(jiān)控站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文傳送至注入站；監(jiān)控站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)具體采集和計(jì)算機(jī)分析工作，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲和傳送到主控站；注入站負(fù)責(zé)將最終的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)控注入信息的真實(shí)性和正確性。

　　用戶部分由GPS接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件、微處理器及終端設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)接收GPS工作衛(wèi)星發(fā)出的信號，并利用信號進(jìn)行定位導(dǎo)航，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用GPS的目的。

　　1.2GPS測量技術(shù)的工作原理

　　根據(jù)定位方式的不同，GPS可分為絕對定位和相對定位兩種。絕對定位是通過海拔、精度和緯度來定位測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而確定定位結(jié)果。相對定位是基于地心固定點(diǎn)坐標(biāo)的兩個(gè)測點(diǎn)之間的基線向量確定測量結(jié)果。根據(jù)空間幾何理論，如果此時(shí)GPS測定站點(diǎn)與三顆衛(wèi)星之間的距離可以確認(rèn)，同時(shí)三顆衛(wèi)星的位置是已知的，則可以通過特定的方法計(jì)算出該點(diǎn)的具體位置。相對定位的核心思想就是分別在不同觀測點(diǎn)安置至少兩臺GPS和四顆及以上的同步觀測衛(wèi)星，根據(jù)求差法原理，消除信號傳播時(shí)延和接收鐘差，計(jì)算出站點(diǎn)之間的基線向量。

　　GPS定位的基本工作原理是將高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，根據(jù)空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置。假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間Δt，再加上接收機(jī)接收到的其他數(shù)據(jù)可確定以下四個(gè)方程式：

　　式中：di=sΔti（i=a、b、c、d）分別為衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d到接收機(jī)之間的距離；Δti（i=a、b、c、d）分別為衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d的信號到達(dá)接收機(jī)所需要的時(shí)間；s為GPS信號的傳播速度；x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)；xi、yi、zi（i=a、b、c、d）分別為衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)；Vti（i=a、b、c、d）分別為衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d的衛(wèi)星鐘的鐘差；Vt0為接收機(jī)的鐘差。由以上四個(gè)方程可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vt0。

　　2GPS技術(shù)在公路測量的應(yīng)用

　　2.1GPS控制測量

　　GPS控制測量工作在現(xiàn)代公路上的應(yīng)用，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)（觀測站址的選擇）、觀測標(biāo)志的建立、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。按照GPS測量實(shí)施的工作程序，可分為：技術(shù)設(shè)計(jì)；選點(diǎn)與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；成果檢核與處理。GPS控制測量的工作程序見圖1。

　　2.2GPS靜態(tài)測量技術(shù)

　　接到外業(yè)測量任務(wù)以后，組織人員需對路線走向進(jìn)行一個(gè)初步勘察，了解沿線GPS點(diǎn)的具體位置和情況，并調(diào)查路線的附近是否有高等級GPS點(diǎn)來進(jìn)行聯(lián)測繼而進(jìn)行復(fù)測的工作。

　　根據(jù)待測公路的等級、沿線的地理環(huán)境、地形地貌與作業(yè)時(shí)的衛(wèi)星接收情況，綜合考慮優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行GPS的控制網(wǎng)布設(shè)，沿線每隔5-10km布設(shè)一個(gè)相對通視GPS的點(diǎn)。GPS在選點(diǎn)時(shí)以選線和控制人員作為主要的依據(jù)，需選擇利于工作和以后的應(yīng)用點(diǎn)位，需按規(guī)范要求埋選標(biāo)石，現(xiàn)場做好相關(guān)的點(diǎn)記工作。外業(yè)觀測的時(shí)候需規(guī)定觀測時(shí)間和有效觀測衛(wèi)星數(shù)，GPS點(diǎn)的觀測時(shí)間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范的相應(yīng)等級上的要求。

　　外業(yè)測量結(jié)束后，需把GPS的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，使用相應(yīng)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)的分析，其過程一般分為基線的解算和校核、GPS的控制網(wǎng)的平差計(jì)算。每個(gè)型號接收機(jī)均配有相應(yīng)平差處理的軟件，不同型號接收機(jī)與處理軟件，其生成數(shù)據(jù)格式也不同，此數(shù)據(jù)需通過國際標(biāo)準(zhǔn)格式實(shí)行相互的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對不同數(shù)據(jù)格式的結(jié)果精度進(jìn)行比較，選擇平差結(jié)果精度較高的軟件。除此以外，首級的GPS控制網(wǎng)需利用全站儀測量附合導(dǎo)線方法來進(jìn)行加密，依據(jù)GPS的分布把路線分成若干段，每段需單獨(dú)進(jìn)行附合導(dǎo)線測量，以保證每段的附合導(dǎo)線均在GPS點(diǎn)上。

　　2.3大比例尺地形圖繪制

　　現(xiàn)代公路選線大多是在大比例尺帶狀地形圖上進(jìn)行，傳統(tǒng)方法測圖，要建立控制點(diǎn)，然后進(jìn)行碎部測量，繪制成大比例尺地形圖（1∶1000或1∶2000），此法工作量大、速度慢、花費(fèi)時(shí)間長。利用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測量技術(shù)，只需在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上停留1-2分鐘，即可獲得各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，結(jié)合輸入點(diǎn)的特征編碼及屬性信息，構(gòu)成帶狀所有碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用繪圖軟件在室內(nèi)即可成圖。由于只需采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，且采集速度快，大大降低了測圖難度。

　　2.4道路橫、縱斷放樣和土石方量計(jì)算

　　橫斷放樣時(shí)，先確定橫斷面形式（填、挖、半填半挖），然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入電子手簿中（如：邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高等），生成并儲存為一個(gè)施工測設(shè)放樣點(diǎn)文件，到現(xiàn)場可以隨時(shí)放樣測設(shè)。縱斷放樣時(shí)，把需要放樣的數(shù)據(jù)先輸入到電子手簿中（如：直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑等），生成并儲存為一個(gè)施工測設(shè)放樣點(diǎn)文件，到現(xiàn)場可以隨時(shí)放樣測設(shè)。同時(shí)利用GPS可幫助自動(dòng)與地面線銜接進(jìn)行“戴帽”工作，利用“斷面法”進(jìn)行土方量計(jì)算。通過繪圖軟件繪出沿線的縱斷面和各點(diǎn)的橫斷面圖。由于所用數(shù)據(jù)都是測繪地形圖時(shí)所采集，不需到現(xiàn)場進(jìn)行橫、縱斷面測量，大量減少外業(yè)工作。

　　2.5道路中線放樣

　　設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需在地面上標(biāo)定出公路中線。采用實(shí)時(shí)GPS測量，只需將中樁樁號輸入到GPS電子手簿中，系統(tǒng)軟件就會自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的坐標(biāo)及點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)的測量都是獨(dú)立完成的，不會產(chǎn)生累計(jì)誤差，因此各點(diǎn)放樣精度趨于一致。道路路線主要由直線、緩和曲線、圓曲線構(gòu)成，依靠GPS電子手簿，放樣時(shí)，只要輸入各主控點(diǎn)樁號和起終點(diǎn)的方位角、直線段距離、緩和曲線距離、圓曲線半徑，即可完成放樣操作，此法比傳統(tǒng)的弦線撥角法要快速得多。

　　3應(yīng)用前景及建議

　　GPS測量技術(shù)在我國大地測量、工程測量與變形監(jiān)測等方面已取得良好效果和成功應(yīng)用，充分證明基于GPS的測量技術(shù)的優(yōu)越性和巨大潛力。隨著GPS的不斷發(fā)展，這一先進(jìn)技術(shù)手段會越來越多的出現(xiàn)在人們的生活周邊，同時(shí)被更廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代公路測量中，為公路測量提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和資料。GPS測量技術(shù)在現(xiàn)代公路的控制測量上具有很大的發(fā)展前景：①GPS測量技術(shù)有著很高的精度，其精度高于傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、全站儀等設(shè)備測量的結(jié)果，由于不受環(huán)境和距離的限制，非常適合地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)開展測量；②GPS測量技術(shù)可提高工作及成果質(zhì)量，整個(gè)測量過程由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算，數(shù)據(jù)具有很高的準(zhǔn)確性；③GPS高精度高程測量是GPS測量技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，尤其是在現(xiàn)代公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測量實(shí)施有困難，GPS高程測量將是一種有效的手段。

　　在今后的發(fā)展中，由于GPS觀測受到各種外界因素的影響，有可能產(chǎn)生各種隨機(jī)誤差，為了對GPS觀測成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，保證成果的可靠，要由非同步獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合環(huán)或符合線路。對GPS網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免GPS獨(dú)立邊選擇的隨意性，使外業(yè)觀測有計(jì)劃的進(jìn)行，應(yīng)使閉合環(huán)的邊數(shù)小于規(guī)范的規(guī)定，僅允許個(gè)別閉合環(huán)的邊數(shù)等于規(guī)范的邊數(shù)，便于及時(shí)檢查觀測結(jié)果。除此以外，由于測量過程需要嚴(yán)格的操作來完成，測量企業(yè)或相關(guān)部門要認(rèn)識到測量技術(shù)人員對測量質(zhì)量的重要性，需加大測量技術(shù)人員的培養(yǎng)和相關(guān)培訓(xùn)的工作，在實(shí)際測量中，應(yīng)該將GPS測量與全站儀等傳統(tǒng)測量方式相結(jié)合，以減少因操作問題所造成誤差，提升測量的精準(zhǔn)度，促使我國現(xiàn)代公路建設(shè)有序發(fā)展。

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