趙文嬌

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030619）

GNSS技術(shù)在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)與路線施工放樣中的應(yīng)用研究

趙文嬌

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030619）

GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能為用戶提供高精度、全天時(shí)、全天候的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，目前在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。論文首先介紹了GNSS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，然后介紹了GNSS技術(shù)的基本原理和測(cè)量方法，最后探討了GNSS技術(shù)在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)與路線施工放樣中的應(yīng)用研究。

GNSS;公路勘測(cè)設(shè)計(jì);路線施工放樣

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.068

1 GNSS發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

“GNSS”是“GlobalNavigationSateLliteSystem”的縮寫，中文譯名為“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”，包含了美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的Compass（北斗）、歐盟的Galileo系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)可用衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到了100顆以上。作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，它在一些領(lǐng)域的應(yīng)用取得了較大的成效，特別是近年來各種衛(wèi)星的逐步投入使用，軟硬件的開發(fā)，使得導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)入了全新時(shí)代。同時(shí)該技術(shù)具有定位精度較高，測(cè)站之間不需要通視、觀測(cè)速度快、全天候作業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)測(cè)繪行業(yè)的影響很大。

最典型的是目前RTK技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用逐漸成熟，該技術(shù)是單基站載波相位差分GNSS測(cè)量，屬于差分技術(shù)的一種，即將GNSS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法，經(jīng)實(shí)時(shí)解算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在1-2s的時(shí)間里得到高精度位置信息的技術(shù)。自20世紀(jì)90年代初這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)問世，就極大地拓展了GNSS的使用空間，使GNSS從只能做控制測(cè)量的局面中擺脫出來，開始廣泛運(yùn)用于工程測(cè)量。直到今天，如果沒有網(wǎng)絡(luò)RTK的出現(xiàn)，RTK技術(shù)仍代表著高精度GNSS的最高水平。

GNSS誤差的空間相關(guān)性隨參考站和移動(dòng)站距離的增加而逐漸失去線性，因此在較長(zhǎng)距離下（一般雙頻大于30km），經(jīng)過差分處理后的用戶數(shù)據(jù)仍含有誤差。而網(wǎng)絡(luò)RTK（networkRTK）是在一定區(qū)域內(nèi)建立多基準(zhǔn)站（一般為三個(gè)或三個(gè)以上），反解出基準(zhǔn)站間的殘余誤差項(xiàng)，然后用戶根據(jù)自己的概略坐標(biāo)內(nèi)插出自己與基準(zhǔn)站間的殘余誤差項(xiàng)（常規(guī)RTK將其視為零），進(jìn)行實(shí)時(shí)厘米級(jí)精度的定位方式，又稱為多基準(zhǔn)站RTK。隨著GNSS技術(shù)的飛速進(jìn)步和應(yīng)用普及，它在城市測(cè)量中的作用越來越重要。當(dāng)前，利用多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（continuousoperationalreferencesystem，CORS） 已成為城市GNSS應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。

2 GNSS技術(shù)的基本原理和測(cè)量方法

2.1 GNSS基本原理

測(cè)量學(xué)中有測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法，衛(wèi)星定位系統(tǒng)也是利用測(cè)距交會(huì)的原理確定點(diǎn)位的。

GNSS衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶用GNSS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上的GNSS衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)（接收機(jī)天線中心）P至三顆以上GNSS衛(wèi)星的距離并解算出GNSS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站P的位置。

2.2 GNSS-RTK測(cè)量作業(yè)方法

由于技術(shù)人員接受專業(yè)處和總體組的雙重管理，尤其當(dāng)專業(yè)處、專業(yè)之間存在利益沖突時(shí)，總體指令更難以得到有效執(zhí)行，項(xiàng)目生產(chǎn)組織協(xié)調(diào)過多地依賴行政干預(yù)，工作效率低，管理成本高。這種矩陣管理模式對(duì)總體人選的素質(zhì)提出了嚴(yán)格要求。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RealTimeKinematic，RTK)定位技術(shù)，即單基準(zhǔn)站載波相位DGNSS測(cè)量是一種將GNSS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法，經(jīng)實(shí)時(shí)解算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其在1~2s的時(shí)間里可得到高精度位置信息。

2.2.1 RTK工作原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GNSS接收機(jī)，另在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GNSS接收機(jī)，對(duì)所有可見GNSS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。GNSS接收機(jī)在接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

2.2.2 RTK作業(yè)方法

1）基準(zhǔn)站設(shè)置

RTK系統(tǒng)基準(zhǔn)站由基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)及衛(wèi)星接收天線、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及發(fā)射天線、直流電源等組成，如圖1所示。將基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)安置在開闊的地方，架設(shè)腳架、安置基座和衛(wèi)星天線，對(duì)中、整平，用天線高量尺在天線相隔120°的三個(gè)位置量取天線高，并記錄。將基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)通過電纜與無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)連接、電臺(tái)與發(fā)射天線連接后，即可開機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置，此時(shí)可通過電子手簿控制器來完成相應(yīng)設(shè)置?；鶞?zhǔn)站設(shè)置完成后可將電子手簿與基準(zhǔn)站聯(lián)系斷開，進(jìn)行流動(dòng)站設(shè)置。

2）流動(dòng)站設(shè)置

RTK系統(tǒng)流動(dòng)站由流動(dòng)站GNSS接收機(jī)及衛(wèi)星接收天線、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)及天線、電子手簿控制器等組成，如圖2所示?；鶞?zhǔn)站設(shè)置完成后即可對(duì)流動(dòng)站通過電子手簿控制器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后當(dāng)手簿顯示屏出現(xiàn)固定解時(shí)就可以進(jìn)行測(cè)量作業(yè)了。

圖1 RTK基準(zhǔn)站

圖2 RTK流動(dòng)站

RTK定位測(cè)量有兩種主要形式，即測(cè)量點(diǎn)和放樣點(diǎn)（包括點(diǎn)的放樣、直線的放樣和道路的放樣）。以上功能的實(shí)現(xiàn)由測(cè)量工作者通過對(duì)電子手簿控制器和流動(dòng)站的操作來實(shí)現(xiàn)。

3 GNSS在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)和路線施工放樣中的應(yīng)用

3.1 工程控制測(cè)量

應(yīng)用GNSS建立控制網(wǎng)，對(duì)于特大橋、隧道、互通式立交等進(jìn)行控制，宜采用靜態(tài)GNSS測(cè)量。對(duì)于一般路線的控制，可采用實(shí)時(shí)GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）。

目前，國(guó)內(nèi)已逐步采用GNSS技術(shù)布設(shè)各等級(jí)的路線帶狀平面控制網(wǎng)、橋梁及隧道平面控制網(wǎng)。很多高速公路在建設(shè)中先利用GNSS建立首級(jí)控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實(shí)踐證明，在幾十千米范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差只有2cm左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度，同時(shí)可大大縮短工期。GNSS技術(shù)同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中，由于無(wú)需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對(duì)檢測(cè)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常有效。實(shí)踐證明，采用GNSS對(duì)用常規(guī)方法建立的高精度邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，GNSS檢測(cè)網(wǎng)達(dá)到了毫米級(jí)精度。

3.2 繪制大比例尺地形圖

高等級(jí)公路建設(shè)之前都必須利用中比例尺地形圖進(jìn)行路線選線設(shè)計(jì)，路線選定后要由測(cè)量部門按所選路線走向測(cè)繪大比例尺地形圖，以便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。用傳統(tǒng)方法測(cè)圖，先要建立控制網(wǎng)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。其工作量大，速度慢、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。采用GNSS技術(shù)以衛(wèi)星作為共同基準(zhǔn)，各點(diǎn)間無(wú)需通視，為點(diǎn)址的選擇提供了極大的方便，在進(jìn)行路線勘測(cè)設(shè)計(jì)或進(jìn)行測(cè)圖控制測(cè)量時(shí)，具有布網(wǎng)靈活，不受氣候條件限制，測(cè)量精度高，工作效率高和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK），在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上僅需停留較短時(shí)間，即可獲得每點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，構(gòu)成碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可由繪圖軟件成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)并輸入其屬性信息，而且采集速度快，大大降低了測(cè)圖的難度，既省時(shí)又省力。

3.3 路線中線放樣

進(jìn)行路線中線放樣，可應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）。目前，RTK中都配備有豐富的專業(yè)軟件可供選擇，例如專門為道路測(cè)量設(shè)計(jì)的軟件，它內(nèi)置有道路設(shè)計(jì)程序，只需事先將路線交點(diǎn)的里程和坐標(biāo)及曲線要素輸入，便可由程序自動(dòng)生成道路中線。采用RTK測(cè)量系統(tǒng)在野外測(cè)設(shè)中線時(shí)，可按中樁里程逐一調(diào)出待放樣的中樁點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)移動(dòng)臺(tái)RTK控制器屏幕顯示的導(dǎo)引，把需要放樣的點(diǎn)逐一測(cè)設(shè)到地面上，精度可達(dá)1cm。這樣可以一次性地完成全部中樁的測(cè)設(shè)，每放樣一個(gè)點(diǎn)只需幾分鐘，而且成果可靠。由于每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。在中樁放樣的同時(shí)還可得到各中樁的地面高程，同時(shí)完成縱斷面的測(cè)量。事實(shí)證明，應(yīng)用RTK測(cè)量可大大地提高中線測(cè)設(shè)的效率。

3.4 路線縱、橫斷面測(cè)量

路線中線確定后，可以利用測(cè)繪得到的帶狀數(shù)字地形圖，并根據(jù)中樁點(diǎn)坐標(biāo)，通過繪圖軟件，繪出路線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面。由于不需要再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量，從而大大減少了外業(yè)工作，即使需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行斷面測(cè)量，也可采用RTK快速完成。同時(shí)采集回的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行土石方量計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展及其在道路工程測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，道路工程測(cè)量的手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，衛(wèi)星定位測(cè)量在道路勘測(cè)、施工放樣、工程監(jiān)理、竣工測(cè)量等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

【1】李仕東.GPS-RTK技術(shù)在高等級(jí)公路橫斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2013,14（1）：23-25.

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【4】CH/T2009—2010.全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范[S].

Study of GNSS Application in Highway Design and Layout Survey

ZHAOWen-jiao
（ShanxiTrafficVocationalandTechnicalCollege,Taiyuan030619,China）

TheGNSS (global navigation satellite system) can provide userswith high precious,all day,all-weather positioning,navigation and timing services, which is usedmore andmorewidely in engineering currently.This paper first introduces the development status and application prospects ofGNSS technology, then introduces the basic principle and measurement method of GNSS technology, finally,the paper discusses the study on GNSS technique application in Highwaydesignandlayoutsurvey.

GNSS;highwaysurveyanddesign;layoutsurvey

P285

B

1007-9467（2016）07-0105-02

2016-5-30

趙文嬌（1982～），女，山西清徐人，助講，主要從事測(cè)繪工程、數(shù)字測(cè)圖、地籍測(cè)量、GNSS技術(shù)、數(shù)據(jù)處理的研究，（電子信箱）13834521643@163.com。