程衛(wèi)攀

（中交第三公路工程局有限公司第五工程分公司，北京 100020）

GPS在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，GPS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該得到我們的高度重視，將其作為工作效率提升的主要措施。對(duì)于公路工程測(cè)量而言，這就是GPS的重要應(yīng)用場(chǎng)合，各項(xiàng)細(xì)節(jié)工作的高要求也需要通過(guò)GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，尤其是高精度的數(shù)據(jù)。本文也將圍繞GPS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得出相關(guān)結(jié)論，旨在為今后的使用提供一定的技術(shù)借鑒。

1 GPS在公路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

公路工程中最先使用GPS技術(shù)的是公路控制測(cè)量。在測(cè)量工作中，靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)發(fā)揮了重要作用，通過(guò)兩臺(tái)GPS接收機(jī)的共同工作，我們能夠獲取相對(duì)精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)其中一個(gè)坐標(biāo)來(lái)計(jì)算出另一個(gè)坐標(biāo)，保障較好的靜態(tài)定位結(jié)果。

在高精度測(cè)量領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，并在發(fā)展過(guò)程中逐漸地取代傳統(tǒng)測(cè)量方法。目前，應(yīng)用理論的不斷深入與作業(yè)模式的完善，也讓靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 GPS在公路工程測(cè)量中的定位原理

2.1 基本定位模式

按照現(xiàn)階段已有的衛(wèi)星坐標(biāo)并確定對(duì)應(yīng)的天線位置，是GPS基本定位的應(yīng)用措施，同時(shí)用戶接收天線的距離觀測(cè)也非常重要。在一個(gè)測(cè)站上，只需要少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立距離的觀測(cè)量。由于GPS的技術(shù)原理是時(shí)差測(cè)距原理，以信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間差作為計(jì)算時(shí)的判定依據(jù)，可以將其作為不同的參數(shù)在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行求解。在一個(gè)測(cè)站上，除了數(shù)個(gè)待定位置的參數(shù)之外，還需要設(shè)置一個(gè)接收機(jī)鐘差參數(shù)，并同步觀測(cè)數(shù)顆GPS衛(wèi)星[1]。

2.2 絕對(duì)定位和相對(duì)定位

絕對(duì)定位即以地球質(zhì)心作為參考點(diǎn)，定位作業(yè)只需要通過(guò)接收機(jī)工作即可。按照接收機(jī)的區(qū)域和狀態(tài)，可以劃分為靜態(tài)絕對(duì)定位和動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。當(dāng)接收機(jī)的天線保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，靜態(tài)定位可以確定觀測(cè)站的絕對(duì)坐標(biāo)，并連續(xù)測(cè)定觀測(cè)站到衛(wèi)星的距離，獲取多余觀測(cè)量，通過(guò)處理后提升定位精度。GPS相對(duì)定位是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛且精度較好的定位措施，使用原理是通過(guò)兩臺(tái)接收機(jī)在端點(diǎn)安置后對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，然后確定基線端點(diǎn)位置。這樣一來(lái)，我們使用的基本觀測(cè)量可以獲得良好的測(cè)量精度，比傳統(tǒng)的偽距測(cè)量精度要更加穩(wěn)定。減少信號(hào)傳播可能出現(xiàn)的誤差，保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

2.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)與差分定位

差分定位是提升定位精度的重要方案，其原理是通過(guò)兩臺(tái)GPS接收機(jī)，并將其中的一臺(tái)安置在基準(zhǔn)站之上，另一臺(tái)則安置在待定點(diǎn)上。兩臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)值的數(shù)值分析來(lái)減少可能產(chǎn)生的誤差。按照基準(zhǔn)站信息方式的不同，可以將GPS的定位分為三種類型，即位置差分、相位差分、偽距差分，從運(yùn)作模式上比較接近，直接通過(guò)用戶站接受的改正數(shù)信息來(lái)進(jìn)行。在完成整個(gè)過(guò)程的校對(duì)后獲取相對(duì)精確的數(shù)據(jù)定位結(jié)果。但我們應(yīng)考慮到改正數(shù)的內(nèi)容差異性問(wèn)題，防止因這一因素產(chǎn)生過(guò)大差異[2]。

位置差分是最簡(jiǎn)單的差分模式，接收機(jī)觀測(cè)不同的衛(wèi)星后可以計(jì)算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。但由于環(huán)境影響、大氣影響等誤差因素，計(jì)算出的坐標(biāo)和基準(zhǔn)站之間的數(shù)據(jù)存在差異，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)可以將位置差形成改正數(shù)再發(fā)送，然后通過(guò)待定點(diǎn)進(jìn)行改正，將誤差得到有效處理。

相位差分即RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的提供，保障精度?；鶞?zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈可以將觀測(cè)量與坐標(biāo)信息告知用戶，用戶接受載波相位信息后可以組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行后續(xù)處理，達(dá)到厘米級(jí)別以上的定位結(jié)果。

偽距差分是目前廣泛應(yīng)用的技術(shù)手段，一個(gè)基準(zhǔn)站上的接收機(jī)萬(wàn)完成對(duì)偽距觀測(cè)工作后就你可以通過(guò)已知點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化并修改，獲取位置時(shí)也能根據(jù)已經(jīng)修改后的數(shù)據(jù)結(jié)果作為參考與借鑒，實(shí)現(xiàn)對(duì)于公共誤差的管控，保障定位精度的同時(shí)，進(jìn)一步減少公共誤差帶來(lái)的不利影響。定位精度隨著基準(zhǔn)站與待定點(diǎn)間的距離而逐漸降低[3]。

3 公路工程測(cè)量數(shù)據(jù)中的GPS處理方法

3.1 動(dòng)態(tài)GPS應(yīng)用

動(dòng)態(tài)GPS應(yīng)用主要利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK技術(shù)，通過(guò)取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備將基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)接收后，按照計(jì)算機(jī)相對(duì)定位的原理明確流動(dòng)站的三維坐標(biāo)與測(cè)量精度，這樣一來(lái)使用者也可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和基線計(jì)算結(jié)果來(lái)確定觀測(cè)時(shí)間，減少不必要的工作內(nèi)容。例如在公路的測(cè)量勘測(cè)階段，就可以實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪、縱斷面地面線測(cè)量、橫斷面測(cè)量等多個(gè)方面的工作，可以在無(wú)須通視的環(huán)境下，在3 s內(nèi)達(dá)到30 mm的精度，動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量成果，減少了由于誤差和造成的返工，GPS作業(yè)效率得到了充分保障。另外，如果利用該技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量，可以在每天完成大面積的地形測(cè)繪，涵蓋公路測(cè)量的廣闊應(yīng)用范圍。對(duì)于公路工程單位來(lái)說(shuō)，靜態(tài)定位和GPS動(dòng)態(tài)技術(shù)相結(jié)合的方式不僅可以實(shí)現(xiàn)公路工程平面控制測(cè)量的精度，還能對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化。在未來(lái)的技術(shù)條件下，跟蹤能力、初始化時(shí)間、精度都將有明顯提升，性價(jià)比出色。

3.2 公路GPS控制網(wǎng)建立

按照GPS的實(shí)際測(cè)量要求，每隔1 km左右設(shè)置一個(gè)控制點(diǎn)，其等級(jí)按照實(shí)際的公路等級(jí)決定。例如以高速公路為例，等級(jí)控制時(shí)需要將首級(jí)控制保持四等以上，在布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)的過(guò)程中也需要在5～10 km處設(shè)置首級(jí)控制點(diǎn)，以便于進(jìn)行加密控制。按照勘測(cè)的規(guī)范要求，需要進(jìn)行選點(diǎn)、埋石與實(shí)測(cè)工作，最終進(jìn)行精度評(píng)級(jí)判定，從而建立公路GPS控制網(wǎng)。公路GPS控制網(wǎng)建立完畢后，其作用也非常顯著。一方面，在公路工程測(cè)量階段，能夠以此為基礎(chǔ)展開放線、施放構(gòu)造物等工作，大大提升原始數(shù)據(jù)的提取精度；另一方面，GPS控制網(wǎng)能夠控制航向與區(qū)域?qū)挾?，施工階段與改造階段中也可以進(jìn)行實(shí)地規(guī)劃。

3.3 連續(xù)運(yùn)行參考站的測(cè)量方法

首先，對(duì)于觀測(cè)的時(shí)間要求較高，如果其中的某一點(diǎn)無(wú)法按照要求進(jìn)行觀測(cè)，其他點(diǎn)需要同步進(jìn)行等待，直至某一點(diǎn)恢復(fù)正常工作，否則需要直接取消觀測(cè)；此外，公路工程一般選擇國(guó)家級(jí)大地控制點(diǎn)，但某些點(diǎn)由于時(shí)間因素、環(huán)境因素，點(diǎn)位破壞相對(duì)嚴(yán)重。大型公路工程在地理空間上也有著較大跨度，且參加工程可能有多個(gè)單位，網(wǎng)平差也應(yīng)該由統(tǒng)一的高精度基準(zhǔn)。因此，傳統(tǒng)的測(cè)量方法在一定程度上影響了GPS的使用效率，基于連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的GPS測(cè)量方案也是提升其效率的重要模式。

利用基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)觀測(cè)時(shí)，GPS作業(yè)模式可以讓基準(zhǔn)站和未知點(diǎn)形成聯(lián)動(dòng)并展開遠(yuǎn)距離觀測(cè)，通過(guò)軟件確定坐標(biāo)后，相關(guān)的測(cè)量設(shè)備可以直接通過(guò)基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)來(lái)保障作業(yè)效率，且并不需要構(gòu)成同步觀測(cè)。此時(shí)，整個(gè)作業(yè)流程變得更加清晰，并且未知點(diǎn)可以統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)基準(zhǔn)值上，大型公路控制網(wǎng)建立也會(huì)更加便捷。

4 結(jié)語(yǔ)

作為世界范圍內(nèi)使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS在公路工程測(cè)量工作中會(huì)發(fā)揮重要的作用。隨著技術(shù)水平的不斷深入，GPS在理論基礎(chǔ)與技術(shù)方面的完善也會(huì)更加具體細(xì)致。本文在通過(guò)GPS定位技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)公路工程測(cè)量的理論與方法進(jìn)行系統(tǒng)化歸納，并結(jié)合當(dāng)前可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)規(guī)劃。