全球定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用

全球定位系统（GPS）在高速公路测量中的应用

【摘 要】：本文简述了GPS测量技术的发展状态，并列出了GPS用于测量所具有的特点，重点介绍了GPS测量用于公路测设中的国家大地点加密、隧道控制测量、特大桥控制测量、导线测量、航测像控点测量、密林密灌地区的路线控制测量、线路中桩实时放样测量、GPS测量与水准测量资料相结合进行高程控制测量的实际应用成果，最后对GPS测量作出了展望。 【关键词】：全球定位系统 高速公路测量应用

1 概述

1.1GPS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。根据最初设计思想，利用接收卫星发射的伪随机噪声码（P码）为美军及北大西洋组织的盟军提供米级导航定位，同时将定位精度为数十米的C/A码伪距提供民用导航定位。 GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。全球定位系统的迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门普遍关注。GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，也引起了广大测量工作者的极大兴趣。 70年代末至80年代初，许多学者的研究表明GPS卫星的载波信号也可以用于定位，并提供比伪距定位高得多的精度。特别是载波相位差分定位技术得出现，推动了早期测量型商品接收机得研制。当时GPS定位基本上只有一个作业模式——静态相对定位，两台或多台GPS接收机安置在待定点上，连续同步观测同一组卫星1~2h，或更长一些时间，通过观测数据得后处理，给出各待定点间得基线向量，在采用广播星历得条件下，静态定位不难取得5mm+1ppm（双频）或10mm+2ppm（单频）基线解精度。 80年代末，建立在FARA（整周未知数快速逼近技术）基础上得快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路，大大提高了GPS测量得劳动生产率。一对GPS测量系统（双频）在10km以内得短边上，正常接收4~5颗卫星5min左右，即可获取5~10mm+1ppm得基线精度，与1~2h甚至更长时间静态定位得结果不相上下。近几年，特别是1993年Leica公司开发了AROF（Ambigiguity Resulation on the Fly）定位技术，首先实现了动态环境下整周未知数初始化这个实时GPS测量关键技术得商品化。各个GPS测量厂商看好这个大趋势，纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪，有的称之为RTK（实时动态测量），有的称之为RTGPS。 总之，GPS测量理论与设备的不断发展，使得GPS测量技术日趋成熟，GPS测量功能更加完善，GPS测量应用面更广，并且GPS测量设备价格变得低廉，操作更加简便，使GPS测量更加实用化和自动化。

1.2GPS测量得特点 相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点： （1）测站之间无须通视。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，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。大量试验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100~500km的基线上可达10-6~10-7。 （3）观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min观测时间即可。 （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，而其他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，任何时间连续的进行，一般不受天气状况的影响。 2 GPS测量在公路测量中的应用实例 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。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，也有布设成三角锁、线形锁等形式。

2.1常规测量方法的缺陷 （1）规范对附合导线、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最长不得超过10km，结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍。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。 （2）收集到的用于路线测量控制的起算点一般很难保证为同一测量系统，往往国测、军测、城市控制点混杂一起，势必影响测量质量。 （3）国家大地点破坏严重影响测量作业。由于国家基础控制点，大多为50、60年代完成，经过30多年，有些点由于经济建设的需要被破坏，有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业，往往在50km以上均找不到导线的联测点。这样路线控制测量得不到保证。 （4）地面通视困难往往影响常规测量的实施。一般路线的控制点要求布设在距路线300m的范围内。由于通视的原因，这一条件难以满足，甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区，根本无法实施常规控制测量。 对于长大隧道、特大桥用常规测量有下列局限： （5）长大隧道、特大桥等构造物一般要求测量等级在4等以上，用常规测量方法，往往采用增加测回数，延长观测时间等费时、费工的方法来设法提高精度。 （6）长大隧道、特大桥多为地形复杂困难地带，进行常规控制测量，为通视和网形，往往砍伐工作量相当大，这样测设费用很大，作业辛苦。 （7）长大隧道及特大桥的控制网高精度与路线网的低精度衔接，虽说用平差方法可以得到克服，但由于地形条件困难，其联结的测量工作量很大，且不太方便。实际工作中，构造物的控制测量与路线的控制测量经常出现脱节现象。 利用GPS测量能克服上述列举的缺陷，并提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。 下面就在实际生产中应用GPS的情况举出一些应用实例。 2.2GPS测量用于加密国家控制点 京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段路线长约60km，所处地形为重丘区，路线设计为6车道。 该段有11个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了7个，有4个被破坏，破坏中有2个国家Ⅱ等点。在已找出的7个控制点中，国家测绘局系统Ⅰ等点1个，Ⅲ等点1个，城市测量系统点2个；总参军控点3个。这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。 为提高京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段测设质量，决定在国家测绘系统基础进行控制点加密。加密的控制点布设方案是：沿公路路线每10km布设一对点，该对点相距约1km，且应通视良好。这样，该段共设了6对GPS加密点，加密点的精度要达到四等控制网的要求。GPS四等网由18个点组成，其网形略图如图1。

图1 汤塘至广州北二环GPS四等国家大地点加密 该四等网采用4台Trimble SE400单频接收机作业。该机的标称精度为10mm+2ppm。四等网的

观测时间为90min。数据采样间隔为15s。 基线预处理采用厂家提供的Trimvec Plus软件，平差计算采用武汉测绘科技大学编制的GPSADJ Ver2.0软件包. 通过平差处理，该四等网最弱点中误差为4.11cm，平均点位中误差3.18cm，最弱边相对中误差为1/27669，平均边长相对中误差为1/453578。 整个四等网作业仅花4天时间，其效率较常规测量手段至少提高3倍。 在此基础上，我院同湖北省测绘局、湖南省第二测绘院合作，在京珠国道主干线湖南耒阳~广州花都段进行了近600km的GPS加密国家控制点的测量。该地区路线跨越南岭山脉，沿线山高深、植被茂盛、地形地貌复杂、通视条件极差。国家一、二等三角点破坏严重，测区内可供利用的三角点稀少，在路线走廊范围内仅找到7个保存完好的国家三角点。 经过平差处理，网中最弱点点位中误差为4.13cm，最弱边相对中误差为1/12.5万。控制网的各项指标达到甚至超过国家四等网的技术要求。 近600km的GPS控制网，仅用两个外业组，10个作业员，7台GPS接收机，约20d的作业时间。若采用常规测量方法在相同人手的情况下，至少需要3个月的时间才能完成。 2.3GPS测量用于隧道控制测量 京珠国道主干线粤境高速公路翁城县境内有座靠椅山双洞直线型平行隧道，初测的左右洞起讫桩号分别为ZK144+710~ZK147+730，YK144+730~YK147+740。其洞长分别为3020m和3010m。根据《公路隧道勘测规程》中对隧道类别划分标准，属公路特长隧道，洞外测量在隧道贯通面上对贯通误差影响值限值为±55mm。 靠椅山隧道地处亚热带地区，雨量充沛、荆棘丛生，沟深林密，野外作业条件十分艰苦，采用常规方法不仅费时费力，而且选点困难，砍伐工作量大。结合靠椅山地形特征，采用GPS测量，布设了如图2所示的GPS控制网。 靠椅山隧道控制网由14个点组成，网中最短边长为100.842m，最大边长为3597.4m，平均边长为1104.848m。 采用Wild200 GPS接收机进行静态观测，观测时间为20~50min，采样率为10s，共观测了29条基线向量。

经过平差处理，网中最弱边相对精度为1/60106，最高相对精度达1/137万；最弱点位中误差为±0.83cm。在贯通面上贯通误差左右线分别为±0.707cm和±0.693cm。

通过实施GPS测量可看出：

（1）GPS测量用于隧道控制测量灵活、方便，能大大节省人力、物力、减少野外砍伐工作量，减少一些不必要的过度点。

（2）GPS测量具有极高的精度，它完全能达到《公路勘测规程》对隧道测量的要求。 （3）GPS测量较红外仪导线测量，可提高效率4~5倍。 2.4GPS用于特大桥控制测量 鄂黄长江公路大桥是连接长江两岸黄冈市和鄂州市的公路特大桥。为便于大桥设计和施工，采用GPS对手选方案Ⅲ、Ⅳ桥位进行Ⅲ等平面控制测量。布网设计方案为双大地四边形（如图3）。垂直于江面的长边约为1200m，平行于江面的短边约为500m。双大地四边形与两个国家Ⅱ等以上大地点联测。 经过平差处理，控制网精度为：最弱点位中误差1.93cm，最弱边长相对中误差1/113000，满足了Ⅲ等平面控制测量的精度要求。 2.5GPS测量用于导线控制测量 京深高速公路河北境内高邑至邢台段地处华北平原，地势平坦，最大相对高差约20m，平均海拔约50m，境内村庄较多。植被多为小麦及田间行树。公路及机耕道密集。

采用三台Wild200 GPS接收机进行导线测量，作业方式采用点连接方式，三台接收机同时作业。作业完后，向前滚动（如图4） 在GPS观测前，已作高精度红外导线测量（EDM）和水准测量。 下面列出同时施测GPS和常规测量的10.88km的比较结果。GPS测量观测时段7.5min，30历元。边长比较结果如表1。

将GPS测量结果与红外仪导线平差结果比较，得到较差中误差mx=0.057m，my=0.049m，点位中误差为±0.075m。 将GPS测量结果与精密水准测量结果比较，得到高程中误差为±0.049m。 通过实际测量可看出： （1）GPS观测时间为7.5min，与常规红外测量相比，时间缩短了约20min，效率为4倍；与全站仪测量相比，时间缩短约8min ，效率为2倍。 （2）GPS导线测量可靠性好，平面精度和高程精度均能满足高速公路测设的要求。 2.6GPS测量用于摄影测量外业控制点测量 摄影测量一般沿飞行航测的航线，每隔一定间隔就要在野外实地测量一定数量的平面和高程控制点（如图5）。野外平高控制点的间隔n按地形类别及所测地形图的比例尺而定。如1：2000地形图，摄影比例尺为1：10000，间隔n一般为4~6个摄影基线。 常规的野外平高控制点的测量方法是先沿航摄方向布设导线，然后在此基础上采用支导线方法测定航测像控点。这种方法主要是导线方式测量。由于航摄面积较广，对23cm×23cm像幅，1：10000摄影比例尺，覆盖范围为2.3km宽，双航线覆盖范围更宽，在这广阔范围内进行导线测量，往往由于实地条件的限制，其作业是相当艰苦的，且工作量大，作业周期长。 在京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段这60km路线的航测外业中，利用4台Trimble SE4000接收机，将1台或2台GPS接收机固定于已知点上，其余GPS接收机游动于像控点三维坐标测量，全线航测像控点测量仅用5d作业时间。 经过平差处理，像控点平面点位精度达到了优于0.10m的精度，最弱边相对中误差为1/43734。

像控点的高程GPS测量详见2.7中介绍 由此可见，GPS测量作航测控制，不仅具有高精度，而且具有极大的灵活性。它改变了逐步控制的测量模式，其效率较常规方法提高5倍以上。 2.7GPS测量用于密林、密灌地区路线控制测量 随着经济的发展，高等级公路开始向山区、重丘山岭区拓展。这些地区人烟稀少，植被茂盛。成片的密林、密灌地区，水平方向通视困难，有时实施常规测量方法几乎不可能。 在海南中线新建公路海口至屯昌段测设中，自石山至永发镇约20km，植被覆盖厚，多为有刺密灌、荔枝、龙眼、杂草地、人迹罕至，有多个火山口，这种地区红外仪导线测量几乎不可能，为提高高等级公路测设质量，采用GPS沿路线每隔2km作一对GPS点，这一对GPS点应保证足够的水平通视距离。

利用这2km一对的GPS通视点，就可在此基础上前后各支出不超过1km进行放线测设工作，既保证了测设工作的质量，又大大减少了作业的劳动强度，加快了测设周期。

在海南中线的20km密林密灌测设中，作了11对GPS通视点。采用Trimble SE4000单频接收机在每个测站上观测30min，数据采样率为15s，作业方法是两台接收机处于固定点上，其余接收机游动于密林密灌区埋设的通视点上。

经过平差处理，这22个GPS点的最弱点位精度为4.95cm，平均点位精度为2.85cm，平均边长相对中误差为1/486993。

2.8GPSRTK用于公路路线中桩实时放样

RTK是指载波相位实时动态差分定位（Real-Time Kinematic），它是GPS发展的最新形式。静态GPS测量采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度，但缺点是经过事后处理才知道结果。而RTK通过实时处理即能达到厘米级精度。

RTK要求1台基准站和至少1台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时的把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站，流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。

在武汉市机动车驾驶员考练场RTK实时放桩实验中，利用GPSRTK技术，将事先设计好的路线数据输入控制器中，进行中桩实时放样。

通过武汉市机动车驾驶员考练场的实验，可以看出RTK具有以下优点： （1）直接以厘米级精度实时测定中桩位置； （2）工作人员少； （3）砍伐工作量少。

但是RTK技术无法克服上空有遮挡的影响，在这种地区，RTK不能使用。同时RTK对通讯电源、电台亦有严格要求，对于山体阻挡，如何考虑数据通讯显得尤为重要。 2.9GPS测量用于高程控制测量的尝试 高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统是以椭球面为基准的高程系统。正高系统是以大地水准面为基准的高程系统。由于正高实际上是无法严格确定的，为实用上的方便，通常采用根据前苏联大地测量学者莫洛金斯基的理论建立的正常高系统。 计算正常高的精度，主要取决于大地高差和高程异常的精度，而其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。 GPS测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。 海南中线新建公路海口至屯昌段位于海南中部，属平原重丘区。在这60km的测设中，采用寻找国家Ⅲ等水准点及已知点水准引测方法，共获得了12个分布均匀、密度适中的已知高程点。采用GPS推算出的高程与精密水准测量相比较，其结果列于表2。

从表2中可以看出，误差呈现偶然性，最大偏差+0.060m，最小偏差-0.006m。误差的平均值为-0.005m。把精密水准当作误差很小看待，则GPS高程的中误差为±0.039m。 由成果可知，只要点位分布均匀，密度适中，将精密水准资料与GPS测量资料相结合，能够得到高精度的高程测量结果。 3 结论与展望 现将交通部第二公路勘察设计院GPS测量具体应用列表如下。

从GPS测量中，得出如下体会： （1）GPS作业有着极高得精度。它的作业不受距离限制，非常适合于国家大地点破坏严重的地区、地形条件困难地区、局部重点工程地区等。 （2）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。 （3）GPS RTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时的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。 （4）GPS测量可以极大的降低劳动作业强度，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。 （5）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。

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