全球卫星定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用
全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem简称GPS),是以人造地球卫星为观测对象的无线电导航系统,该系统能为用户提供精密的三维空间坐标、运动物体的三维速度和标准时间,具有全球性、连续性和全天候的功能。它由导航星座、地面台站和用户定位设备三部分组成。导航星座是由24颗位于地球上空约两万公里轨道上卫星网所组成,它们分布在6个不同的轨道面上,这6个轨道面与赤道面倾角为55°。轨道相互间隔120°,相邻轨道面邻星相位差为40°,运行周期为11h58min,卫星网的这种布置格局保证了在地球上任何地点任何时刻至少能同时观测4颗卫星,最多时可观测到11颗卫星播发的导航信号,实现三维精确定位。卫星发射有三种信号,即精密的P码(广泛应用于军事领域)、非精密的捕获码C/A(用于民用方面)和导航电文。地面台站由一个主控站、五个监控站组成。主控站根据各监控站观测到的数据计算出每颗卫星的轨道等数据,注入到各卫星存储器。用户定位设备即GPS接收机,由天线、信号识别和处理装置、微机操作板、指示器、数据存贮器、精密振荡器、电源六大部分组成,其主要功能是接收卫星播发的信号并利用本身的伪随机噪声码取得观测量以及内含卫星位置和钟差改正信息的导航电文,然后计算出接收机的三维坐标和运动速度。在高速公路测量中,由于地形较为复杂,公路等级高,如若采用常规测量方法要保证测量精度要求相应较困难,因此在路线平面控制测量中采用了先进的GPS进行导线网测量及平差,中线定测运用GPS动态放样,即省时又省力且确保路线测设精度。GPS测量在老集高速公路中的应用为施工控制打下了坚实的基础。
一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,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。大量实验证明,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。二二常规二测量方法与GPS测量对比的缺陷:
(1)规范对附合导线长、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)搜集到的用于路线测量控制的起算点间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,这就存在系统间的兼容性问题,如果用不兼容的起算点,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了解遭人为破坏。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。这样路线控制测量的质量得不到保证。
(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的300m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。
(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,作业艰苦。
(7)长大隧道及特大桥的控制网高精度及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。如用GPS测量,上述列举的缺陷均能一一克服,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。
由上可以看出GPS测量在高速公路测量中具有以下优点:
(1)GPS测量作业有着极高的精度。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)GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧道勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。
(4)GPS测量可以极大地降低劳动作业强度,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。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。其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引起测量工作者的极大兴趣。随着GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟,测量功能更加完善,应用面更广,操作更简便,使GPS测量更实用化和自动化。