【摘 要】本文介紹了全球定位系統(tǒng)GPS組成、工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，分析其綜合應(yīng)用領(lǐng)域和部分方法，結(jié)合幾個(gè)具體GPS在公路工程中的應(yīng)用實(shí)例，闡述該技術(shù)在公路工程的廣闊應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】GPS；公路工程；技術(shù)應(yīng)用；實(shí)例

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展和信息時(shí)代的來(lái)臨，全球定位系統(tǒng)GPS已從最初的軍事設(shè)施轉(zhuǎn)向軍用和民用，憑借其全球性、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和全天候等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，近年來(lái)在公路工程中展示著自己精密導(dǎo)航和定時(shí)定位功能。本文從GPS組成等簡(jiǎn)單介紹開始，綜合描述其在公路工程各個(gè)分項(xiàng)之中的工作細(xì)節(jié)和優(yōu)勢(shì)，探討介紹了幾個(gè)具體工程應(yīng)用實(shí)例。

2 GPS簡(jiǎn)介

2.1 GPS全球定位系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)主要組成部分為包括空間星座部分、用戶設(shè)備部分和地面監(jiān)控部分，三個(gè)組成部分各有各自的獨(dú)立功能和作用，同時(shí)也是有機(jī)組合而成且缺一不可的整體化系統(tǒng)。空間星座部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，即所謂的(21+3)GPS星座，這些衛(wèi)星均勻分布于6個(gè)軌道面上，各平面間成600交角。衛(wèi)星軌道的運(yùn)行周期是11小時(shí)58分鐘，從而保證在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的地平線以上都可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)。GPS的用戶部分包括GPS接收機(jī)、用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)進(jìn)行定位導(dǎo)航。GPS的地面監(jiān)控部分由一個(gè)主控站、五個(gè)監(jiān)測(cè)站和三個(gè)信息注入站組成，主控站根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘各項(xiàng)參數(shù)等，然后將這些數(shù)據(jù)用注入站注入到衛(wèi)星中，并向衛(wèi)星發(fā)布指令控制衛(wèi)星；信息注入站將主控站計(jì)算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中；監(jiān)控站用來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。在大西洋、美國(guó)本土、太平洋和印度洋都已經(jīng)建立了GPS地面控制系統(tǒng)。在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域，GPS定位裝置引起體積小、重量輕而便于攜帶且技術(shù)指標(biāo)精度高，已經(jīng)為測(cè)量工程帶來(lái)了極大的便利。

2.2 GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是采用距離交會(huì)法的一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，通過(guò)GPS接收機(jī)接收某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了三顆以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導(dǎo)航信號(hào)，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)計(jì)算和處理求出該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的三相距離，同樣根據(jù)接收衛(wèi)星星歷可得到該時(shí)刻GPS衛(wèi)星三維坐標(biāo)。使用距離交會(huì)法求得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后用數(shù)學(xué)表達(dá)式換算得到結(jié)果，用空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)或者用同地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行表示。

2.3 GPS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

GPS測(cè)量比常規(guī)測(cè)量方法具有多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在對(duì)地形無(wú)要求、對(duì)天氣時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求、定位測(cè)量精度高、觀測(cè)需要時(shí)間短、所得結(jié)果換算可得到直觀的三維坐標(biāo)形式且操作簡(jiǎn)便。

3 GPS在公路工程中應(yīng)用技術(shù)

憑借高精度、全天候、和高效率等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，GPS系統(tǒng)在公路工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從項(xiàng)目開工插旗、測(cè)繪地形圖、測(cè)量縱橫斷面、放樣施工、公路工程監(jiān)理到變形觀測(cè)結(jié)束，GPS系統(tǒng)發(fā)揮著及其重要的作用。

3.1 測(cè)繪地形圖

傳統(tǒng)方式在高等級(jí)公路測(cè)繪前，先要建立常規(guī)的控制網(wǎng)，然后使用全站儀或半站儀細(xì)部測(cè)量，進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理后，繪制出大比例尺地形圖，這樣工作量大、速度慢而且花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。GPS技術(shù)同全站儀結(jié)合和GPS系統(tǒng)同攝影測(cè)量學(xué)理論相結(jié)合的方式都更好的適應(yīng)現(xiàn)代工程需要。GPS同全站儀結(jié)合測(cè)繪法采用GPS靜態(tài)測(cè)設(shè)高等級(jí)控制點(diǎn)，然后使用全站儀進(jìn)行測(cè)設(shè)細(xì)部點(diǎn)，此方法已被很多測(cè)繪單位使用。GPS技術(shù)與攝影測(cè)量學(xué)結(jié)合法則通過(guò)利用GPS技術(shù)對(duì)航測(cè)像點(diǎn)進(jìn)行加密處理，對(duì)像片處理后，即可繪制地形圖，此法周期較長(zhǎng)，較適宜較大的測(cè)繪單位使用。

圖1 GPS在公路測(cè)量中的應(yīng)用

3.2 公路的中線放樣

設(shè)計(jì)人員在上述地形圖上定線，測(cè)繪人員中根據(jù)使用軟件將中線坐標(biāo)提取出來(lái)形成文件，然后導(dǎo)入至GPS接收機(jī)，接著進(jìn)行中線放樣，該過(guò)程高程度自動(dòng)化，減少了人工操作的手工輸入錯(cuò)誤。

3.3 公路縱橫斷面測(cè)量

低等級(jí)公路可采用一定數(shù)量高等級(jí)的控制點(diǎn)，通過(guò)求解參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)縱斷面測(cè)量，高等級(jí)公路就需要借助GPS系統(tǒng)定位，根據(jù)高程差精確計(jì)算確定控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.4 控制測(cè)量

公路工程通過(guò)高程控制網(wǎng)和平面控制網(wǎng)進(jìn)行施工控制，通過(guò)精密的GPS靜態(tài)測(cè)量方法建立平面控制網(wǎng)，根據(jù)公路工程的特點(diǎn)按照規(guī)范規(guī)定的四個(gè)等級(jí)進(jìn)行分類控制，高程控制網(wǎng)使用靜態(tài)作業(yè)模式，采用多種數(shù)值計(jì)算方法，使得GPS精度達(dá)到四等測(cè)量水準(zhǔn)即可。

3.5 施工放樣

GPS通過(guò)移動(dòng)站存儲(chǔ)所需放樣數(shù)據(jù)，快捷、方便且精確的描繪施工測(cè)量直線、中點(diǎn)和曲線，由于各個(gè)點(diǎn)位測(cè)量的獨(dú)立性，不存在累積誤差，使得各點(diǎn)放樣精度趨向于一致。

3.6 公路工程監(jiān)理

監(jiān)理部門使用GPS對(duì)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性、正確性和放樣點(diǎn)的正確性等公路施工建設(shè)過(guò)程中的各項(xiàng)測(cè)量工作進(jìn)行檢查，保證公路工程的工程質(zhì)量和工期。

3.7 變形觀測(cè)

施工前、過(guò)程中及工程完成都需要對(duì)公路進(jìn)行精密且連續(xù)的參數(shù)監(jiān)測(cè)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，GPS對(duì)變形的監(jiān)測(cè)網(wǎng)可以控制到毫米級(jí)的精度。采用有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)連續(xù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)自動(dòng)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、處理和顯示來(lái)進(jìn)行變形預(yù)測(cè)。已有工程實(shí)踐和相關(guān)科研數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)期的GPS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)可采用Kalman濾波蘭差法來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度。隨著GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)能力的發(fā)展，這一技術(shù)有望被采納成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

4 公路工程中GPS應(yīng)用實(shí)例

4.1 廣西壇百高速公路GPS技術(shù)控制測(cè)量

壇洛至百色高速公路二標(biāo)段(K20+ 000~K43+046.069)，地形地貌較復(fù)雜，部分區(qū)域有遮擋，該測(cè)區(qū)內(nèi)已有坐標(biāo)系BJ54的兩個(gè)E級(jí)控制點(diǎn) (X1=552438.000，Y1=486816. 000，H1=72.0080位于經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)山頭；X2=565638.021，Y2=470499.609，H2=72.0000位于村西邊的路口處)?？刂凭W(wǎng)格由于設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)而被嚴(yán)重破壞，原來(lái)建立的控制點(diǎn)很多丟失，需要重新加密控制點(diǎn)來(lái)測(cè)設(shè)。對(duì)于有遮擋或部分區(qū)域采用大地測(cè)量?jī)x器如經(jīng)緯儀、全站儀、測(cè)距儀等進(jìn)行大地測(cè)量法測(cè)量，其余部分根據(jù)實(shí)際制定GPS靜態(tài)測(cè)量法觀測(cè)方案，將三臺(tái)天寶4800GPS接收機(jī)安置在控制點(diǎn)上接收衛(wèi)星信號(hào)，最終完成環(huán)路觀測(cè)，轉(zhuǎn)換北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行使用。兩種測(cè)量方法在壇百高速公路的加密施工控制網(wǎng)測(cè)繪工程中的結(jié)合使用，提高了該工程項(xiàng)目的測(cè)繪精度，更高效的完成了目標(biāo)。

4.2 GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在東京大道新建工程中的應(yīng)用

東京大道新建工程周邊地勢(shì)起伏很大，在北城墻外需穿越0.5km2的國(guó)家森林公園，密林和密灌地范圍很大，通視較為困難，而根據(jù)規(guī)范對(duì)閉合導(dǎo)線長(zhǎng)、附合導(dǎo)線長(zhǎng)和結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長(zhǎng)度的嚴(yán)格規(guī)定，綜合考慮決定應(yīng)用GPS的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。除部分點(diǎn)測(cè)量被發(fā)現(xiàn)有人為的破壞痕跡外，大部分三維坐標(biāo)能夠達(dá)到要求，差值都小于施工測(cè)量規(guī)范所規(guī)定的要求。最初計(jì)劃通過(guò)10人經(jīng)過(guò)20天的外業(yè)操作完成的測(cè)量任務(wù)，最終在GPS系統(tǒng)使用下5人用了6小時(shí)即完成，該項(xiàng)目的成功實(shí)施可見(jiàn)利用GPS測(cè)量可以大大提高工作效率，保證了高等級(jí)公路的測(cè)設(shè)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)分析GPS在測(cè)量工程中的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，提出其在公路工程中的具體實(shí)施策略以及相應(yīng)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合幾個(gè)具體GPS在公路工程中的應(yīng)用實(shí)例，闡述該技術(shù)在公路工程的廣闊應(yīng)用前景，其精度有效地保證了公路工程的測(cè)設(shè)要求，可值得為同類工程所推廣應(yīng)用。

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