1、0目 录内容摘要 1第一章 绪论21.1 GPS 系统的组成21.2 GPS 的工作原理3第二章 GPS 运用于公路工程控制及分析62.1 GPS 外业处理 62.2 GPS 在公路工程的测量运用 82.21 国道 310 线郑汴高速连接线控制测量92.22 GPS 的动态测量（RTK）在东京大道新建工程的应用12第三章 结论与展望153.1 GPS 应用相对于传统方法的优越153.2 GPS 测量的应用发展前景16参考文献181内容摘要随着社会的发展，高等级公路的建设突飞猛进。以往公路大多采用传统的控制测量方法进行控制网建立，由于该类测量控制大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林，周围控制
2、点很少，使得传统测量方法在网形布设、误差控制等多方面带来很大问题。GPS 技术引入该领域以来，使其测量效率及测量精度得到可喜的提高，本文简要叙述 GPS 技术原理及以两个例子说明 GPS 在公路工程做控制点的运用。【关键词】： GPS 定位系统 公路工程 控制测量 2第一章 绪论GPS 全球定位系统（Global Positioning System）在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS 系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下 GPS 系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。1. 1 GPS
3、系统的组成GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。1.1.1 空间卫星群 GPS 的空间卫星群由 24 颗高约 20 万公里的 GPS 卫星群组成，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60o，轨道和地球赤道的倾角为 55o，卫星的轨道运行周期为11 小时 58 分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收 4 到 11 颗 GPS 卫星发送出的信号。1.1.2 GPS 的地面控制系统 GPS 的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫
4、星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS 地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平3洋和美国本土。1.1.3 GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收 GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的 GPS 定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Tri
5、mble）4800GPS 测地型接收机其技术指标为： 双频主机、天线，RTK 电台一体化； 独特的电池设计、无需接线，使用 4h 以上；5 次/秒的快速位置更新，可靠的卫星“超跟踪“技术；新型于薄式控制器，4M 或 10M 的 PCMCIA 数据存储卡; 测量精度：静态测量5mm+lppm RTK 测量 10mm 十 1ppm（平面） 20mm 十 1ppm(高程)这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。1.2 GPS 的工作原理GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 l 示：A B Cp1P2 P3p图 1 GPS 卫星定位原理4在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机
6、，在某一时刻 ti 同时接收了 3 颗(A、B、C)以上的 GPS 卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻 GPS 接收机至 GPS 卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P 点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：SAP2=( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ZA) 2SBP2=( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ZB) 2SCP2=( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ZC) 2式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，
7、ZC)分别为卫星A，B，C 在时刻 ti 的空间直角坐标。在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84 世界大地坐标系和 1980 年西安大地坐标系。）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。1.3 GPS 测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：131 测站之间无需通视测站间相互通视一直是测量学的难
8、题。GPS 这一特点，使得5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。 1.3.2 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 50 公里的基线上，其相对定位精度可达 1210-6，而在 100500 公里的基线上可达 10-610 -7。1.3.3 观测时间短。观测时间短,采用 GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在 3040min 左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用 Timbl
9、e4800GPS 接收机的 RTK 法可在 5s 以内求得测点坐标。1.3.4 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。1.3.5 操作简便。GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS 接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。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。61.3.6 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。第二章 GPS 运用于公路工程控制及分析21 GPS 测量原理与常规测
10、量方法有本质的差别，但在外业方面相类似,实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理等。 211 选点与埋石作业前，依照测区现有控制点资料情况作了现场踏勘，选点工作基本按设计图纸要求，结合 GPS 测量规范中有关选点要求，及实地的自然地理情况确定点位，其点位基本应满足如下要求：（1）点位应位于交通方便、便于埋设和长期保存，便于安置接收设备和便于操作的地方。（2）视野开阔，在高度角 15以上的天空没有障碍物。（3）点位 200m 范围内，无大功率无线电发射源或高压输电线通过，点位应避开大面积水域和高大建筑物及对电磁波接收有强烈干扰的物体。（4）点位应考虑到日后用常规方法进一步加密和联测的
11、需要。根据上述要求及测区的地理特点及旧三角点的分布情况，尽可能地选在位置适当的楼项上，并按 GPS 测量规范中的埋石规定，本着地面埋桩与房顶浇铸灵活应用的原则均建立了永久性标志，7便于长期保存和使用。212 外业观测与要求外业观测前应制定科学、周密的观测计划。首先通过微机编制 GPS 外业观测计划，装入 RINEX 文件，设置测区近似经纬度、作业日期及每天作业起止时间，分别打印出每天早上 6 点至晚上8 点时段内可见卫星数直方图和精度因子图供观测时参考，以避开不佳观测时段，保证观测精度。另外，做好同步观测计划、设站次数的要求等，保证整网的点位相对精度。本次 GPS 网外业观测计划的编制，要求每
12、点设站尽量保证在 2 次以上，在设站中，为保证今后使用方便，邻近点基本上都由直接观测基线向量相连；对于网的边缘点，则尽量与内部点同步观测，以提高边缘点的精度。本网外业观测于 1999 年 10 月实施并完成，共使用场台徕卡200S 单频 GPS 接收机同时完成作业。其要求如下：（1）全网的所有观测安排在每天的最佳观测时段，每时段最少同时跟踪颗卫星，其 PDOP 值均小于 5。（2）每时段观测 60min，数据采集间隔为 15s。（3）在测站上，天线严格整平对中，天线固定标志大致朝北，测前、测后分别量取天线高，读数精确到 mm。（4）观测过程中，观测者应坐在接收机旁，但头顶不要超过天线高，观察数
13、据接收情况，如卫星数、信噪比及精度因子变化等，若观测质量不佳，应及时联络各测站，延长观测时间。（5）为确保数据安全，每天的数据应及时送至微机存盘保存。 G 2.1.3 GPS 数据处理及精度GPS 控制网的内业数据处理和基线计算采用随机购置的 SKI软件包中手选基线处理程序。如某测区 GPS 网平差（图 2） ，平差8109图28623247956308354157软件采用武汉大学测绘工程学院 CosaGPS 软件。此测区共有 30 个点，其中 1，6，19 和 30 点为已知点。图2 中双线为复测基线。该测区 GPS 定位测量，采用 3 台套的Trimble4600LS 接收机观测。某测区
14、GPS 平差网观测数据的基线处理是整网计算中最重要的一步骤。为检验每天观测成果的精度和有效性，每天观测结束后及时对外业观测数据进行计算、检验，即进行基线解算及同步环、异步环 3 个分量闭合差、复测基线较差的统计，对闭合差及较差超限的基线进行适当处理或删除，采取有效措施复测，以确保整体质量。22 GPS 在公路工程的测量的应用静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。开封市的省路网改造项目应用 GPS 测量是于 2001 年9图 3 GPS导 线 网 图开始的，2002 年在省道豫 04 线和尉氏-通许段 48 公里的中
15、线测量和国道 310 线郑汴高速连接线 11.8 公里的控制测量中推广使用了静态功能这一技术。 据开封市公路工程勘察设计院有关专家介绍，经过多次的复测验证，GPS 技术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。2.2.1 国道 310 线郑汴高速连接线控制测量2.2.1.1 建立布网方案 国道 310 线郑汴高速连接线北连郑汴高速，向南穿越正在开发的开封经济技术园区，地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，该测区内原有 BJ54 坐标系的 E 级控制点二个(已知起算点)，其中 a1 （X=2759.5680，Y=8870.9190，H=72.0080）位于医药商厦门前， b1 （X=2808.6230，Y=7915.2590，H=72.0000）位于大学西边的路口处，根据工程需要在市委、水利局、书店、雕塑、检察院附近加密控制点，以便于测设，我们如图 3 建立控制网。GPS 静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台天宝 4800GPS接收机安置在待定点(GPS1 GPS2 GPS3)上同时接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。
