GPS在高速公路控制網中的應用與探討

GPS在高速公路控制網中的應用與探討

Summary：著重介紹了用GPS網作為高速公路路線首級控制測量的方法，并對GPS網的選點與布設、觀測與聯測、誤差來源及精度標準、數據質量與數據處理、網平差與坐標轉換等進行了分析。同時還就如何消除測量中的誤差，提高其測量精度提出了相應的方法。Keys：GPS；控制網；高速公路；測量引言勘測設計作為公路建設前期工作一個重要而必須的環(huán)節(jié)，其質量和精度越來越引起了廣大公路建設者的高度重視。當前，隨著高等級公路尤其是高速公路建設的發(fā)展，原來傳統(tǒng)的測量方法已不能適應長距離、高質量、高精度的建設需要。全球定位系統(tǒng)（GPS）的問世和發(fā)展，給高速公路測繪帶來了一場深刻的技術革命，并且GPS以其觀測簡便、定位精度高、速度快、可全天候作業(yè)、經濟效益顯著等優(yōu)點，迅速在高速公路測設首級控制中，被廣泛地應用。1控制資料的分析與投影面與投影帶的選擇首先到當地測繪資料部門查尋公路沿線的國家二、三等控制點資料，對其進行分析、歸納，并實地踏勘，以確定可利用點。而后視測區(qū)起終點是否在同一帶內，確定是否進行換帶計算。我國《國家三角測量和精密導線測量規(guī)范》規(guī)定：所有大地測量觀測成果，都須化算到參考橢球面上。所有國家大地點均按高斯正形投影計算其在六度帶內的平面直角坐標。在1:10000和更大比例尺測圖的地區(qū)，還應加算其在3度帶內的平面直角坐標轉換。地面真實長度歸化到國家統(tǒng)一的橢球面上然后在投影至高斯平面所加改正稱為長度綜合變形。按國家規(guī)定的3度帶投影，若每公里的變形大于2.5cm，應取測區(qū)起終點經度的平均精度線為中央經線進行投影變換，取以測區(qū)平均高程面為投影面進行投影變換。2GPS網的布設由于公路測區(qū)多為典型窄長帶狀地形，根據測區(qū)地形情況及工程需要，按照國家測繪局1992年頒布的《GPS測量規(guī)范》中GPS測量分級表相關規(guī)定，GPS網一般按:級標準布設（橋梁GPS控制網按;級標準布設）。布設GPS網時，應考慮測站聯測、衛(wèi)星接收信號、儀器精度、便于使用等因素，并盡可能使GPS點接近被控制線路。同時要求路線每隔一定距離有一隊控制點相通視。以某城市繞城高速公路南線的路線GPS測量控制為例，為滿足工程設計及施工需要。圖形設計時應遵循以下原則：（1）GPS網的布設應視其目的、作業(yè)時衛(wèi)星狀況、預期達到的精度、可靠性及工作效率按優(yōu)化的原則進行。（2）通過獨立觀測邊構成閉合圖形。（3）網點不要求通視，但應利于常規(guī)測量進行加密點心的應用。（4）與地面成原有控制網點連接，聯接處的重合點不應少于3個，且分布均勻。（5）應利用已有的等級水準點聯測高程。C—E級可采用等外水準或精度相當的方法進行。3觀測精度標準GPS測量精度標準通常用網中相鄰點的距離中誤差表示，公式為：。式中：,s距離中誤差；,a固定誤差；b—比例系數誤差；D—相鄰點的距離。4野外選點與標石埋設一般情況下GPS點間不要求通視，但考慮多功能的利用，GPS點宜選在高處，視野開闊，且點不易被損壞的地方。另外GPS點不應選在具有強反射環(huán)境地方，如山谷、山坡上；避開電磁波強反射源；點位宜選在交通便利的地方。此外應考慮其它測量手段的聯測與擴展。如果必須將點選在上述不適宜的地方，可以采取削弱反射方法：（1）適當變換天線的高度，避開強反射點或者每一時段采用一種天線高度。（2）根據線相距的數值，采用大偏心觀測方法避開反射波。（3）給天線增設適當大小的微波吸收屏或抑經圈。選點人員在實地選定點位打一木樁，同時豎立測旗，按規(guī)范規(guī)定的格式，實地繪制點位，點位周圍有高于10度的障礙物時，應繪環(huán)視圖。5GPS外業(yè)觀測具體觀測GPS外業(yè)觀測工作包括天線設置、觀測作業(yè)、外業(yè)成果記錄和野外觀測數據的檢查等。（1）天線設置：天線設置是實現精度定位的前提之一，天線設置一般應符合下列要求：一般應將三角架安置在標志中心的垂線方向上，直接對中，特殊情況下，才可進行偏心觀測；需在站標的基板上安置天線時，為防止對信號的干擾，應將站標頂司光臺拆除，并將標志中心投到基板上，依投影點安置天線；當點上建有尋常標，但測站間的距離不超過100m，可在站標下安置天線，但應適當延長時間；天線指北定向誤差不應大于GPS；天線底板的圓水準氣泡必須居中；雷雨天安置天線時，應注意將底盤接地。（2）觀測作業(yè)：觀測作業(yè)的主要任務是捕獲衛(wèi)星信號，對其進行跟蹤接收和處理，以獲取所需的定位和觀測數據。接收機的自動化程度很高，其具體操作方法和步驟因接收機的類型和作業(yè)模式不同而異。作業(yè)時觀測人員只需按操作手冊執(zhí)行即可。5.1數據質量(1）逐項檢查，對比核實：根據各個測站每個時段的信息文件，依次檢查下列各項：站名及時段號輸入是否正確，開關機時刻是否同步，天線高度是否現場輸入，待測衛(wèi)星數是否齊全，各測站的數據資料是否接近，所測點位是否準確。（2）計算環(huán)路閉合精度，恰當評定GPS數據質量：環(huán)路閉合精度是GPS測量檢查標準，根據以下公式計算：環(huán)路閉合精度/坐標分量的均方值推算路線的總長度。環(huán)路閉合精度是實時、實地評定GPS數據質量優(yōu)劣的重要手段之一。應注意，在計算同步環(huán)路的閉合精度時，應選包括兩對角線在內的推算環(huán)路，而不要選用環(huán)行路線。環(huán)路的閉合精度不得大于2PPM的限差。5.2聯測由于GPS高程點擬合需要.34個已知水準點，控制網中僅有五個國家控制點提供高程，所以需要聯測一個水準點。聯測在點（國家控制點）與.GPS點間進行，布設四等水準路線，采用S3水準儀，測得點的高程值。5.3數據處理GPS測量的數據處理分為觀測值的粗加工、預處理、基線向量解算和GPS基線向量網與地面網數據的聯合處理等基本步驟。粗加工包括數據傳輸和分流、數據解碼。預處理包括GPS衛(wèi)星軌道方程的標準化，時鐘多項式的擬合和標準化，觀測值文件的標準化，觀測文件值的標準化。GPS外業(yè)數據處理可由專門的計算機軟件來完成。（1）GPS基線成果可靠性指標檢測與方法：將外業(yè)當天采集的數據傳輸給計算機，對當天的數據進行基線向量處理，以保證外業(yè)數據的質量，同時也是對外業(yè)數據質量的檢驗。根據自動處理輸出的基線質量指標，檢查基線方差比、周跳數據和測站數刪除率等。（2）同步環(huán)檢驗：根據自行處理后輸出的基線向量結果，對各時段同步環(huán)進行檢測，并對組成GPS網的基線向量所在的同步環(huán)進行統(tǒng)計。（3）網平差：網平差利用專用軟件，通過計算機進行平差，最后提供基準北京54坐標。網平差時根據網形結構使用已有國家控制點為起算數據，進行三維約束平差。5.4路線勘測線路在勘測階段的測量工作稱為線路測量，是繼GPS網布設及導線測設后的為設計收集一切必要的地形資料的工作，為編制施工圖收集資料。它包括路線布設、中線測設、基平和中平測量、地形圖測量、橫面測量、大中橋位測量及沿線經濟和環(huán)境、筑路材料、地質、水文、氣修和整地拆遷、地上（地下）管線等情況調查和測量。6結論ＧＰＳ技術以其精度高、速度快、全天候、多功能的優(yōu)勢迅速滲透到我國經濟建設和科學研究等相關領域，尤其是在布設各種精密工程控制網中，ＧＰＳ定位技術幾乎完全取代了常規(guī)測量方法。ＧＰＳ在高速公路建設中也發(fā)揮了重要作用，用于建立各階段工程控制網、施工放樣等。由于公路線路長，已知點少，工期要求等特點，使得采用常規(guī)測量