【技术】浅谈GPS在公路工程测量工作中的应用
摘要：公路工程测量是一项集系统性与复杂性于一体的工程，它贯穿整个工程始终，技术难度普遍较高。本文结合自己经验，详细阐述了GPS在公路工程中的技术特点，应用现状及前景，分析了GPS定位原理与误差源。
关键词：公路工程，测量，GPS
随着航天航空科技的迅速发展及应用，产生了卫星导航定位系统，很多领域便可以全天候地接收高精度位置、速度和时间等信息。GPS由空间部分、地面控制部分和用户部分组成，空间部分有24颗卫星均匀分布在轨道面上；地面控制部分在全球的5个地面站组成，包括地面监测站、主控站和注入站；GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，其应用主要是通过用户部分来实现，用户部分主要包括各种类型的用户接收机设备和相应的数据处理软件。第一代导航卫星系统GPS是美国和苏联从七八十年代开始研制的，并分别在九十年代建成各自的全球导航卫星系统并投入运行，研制GPS最初的目的是为了满足军事需要，但是美国国会也容许民间可以受控使用，因此在很多领域显示了极大的应用潜力。随着其应用领域不断扩展，也不断应用在交通管制、大地测量、气象观测等各行各业。
1.GPS 区别于其他测量设备的技术特点
高精度GPS定位技术在各种控制测量中得到广泛应用，其定位技术己高度自动化，所达到的定位精度，使测量工作的模式理念产生了革命性的变化。相对于传统的的测量技术，GPS定位技术展现了以下优越性。
观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的问题之一。而GPS测量不需观测站之间互相通视，因而不再需要建造规标。这样不仅可大大减少测量工作的经费和时间，同时也可使点位的选择变得更加灵活。
定位精度高。随着观测技术与数据处理方法的改善，目前在大于1000km的距离上，相对定位精度已可达到或优于10-8。
观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需的观测时间，根据精度的不同约为1-3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。
提供三维坐标GPS测量中，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。
2.GPS 在公路工程中的应用现状及前景
2.1公路控制测量
在公路工程中首先引入GPS的是公路控制测量。公路控制测量是路线勘测设计的基础，由于线路长且己知点少，因此用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求，而GPS高精度的特点正好可以满足这一要求。上个世纪90年代中期，许多公路工程部门开始了GPS定位技术在公路控制测量中的应用和研究。
此外，在隧道外控制、特大桥梁的施工，也需要高精度控制测量。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中，由于无需通视，可构成较强的图形结构特别是对常规测量中无检核的支点的量测提供了方便。
在公路控制测量中通常采用静态相对定位技术，也就是至少有两台GPS接收机同时观测，经处理后可以精确获得两点的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标。由于静态相对定位精度高，因此广泛应用于大地测量、形变监测等高精度测量领域。
2.2公路测设测量
公路测设测量相对公路控制测量，测量的精度要求较低，实时性要求较高。随着GPS动态定位技术的发展，GPS也在公路测设测量中发挥重要作用。动态GPS应用于道路勘测在国内才刚刚起步，国外在这方面的研究早己展开并己取得了一些成果。
在公路测设测量中通常采用RTK定位技术。RTK可以达到厘米级的测量精度，可用于中线测设、构造物放样等。RTK技术可与常规全站仪相结合，充分发挥GPS无需通视以及常规全站仪灵活方便的优点，把两者相结合，可满足公路工程各种场合测量工作的需要，并大大加快观测速度，提高观测质量，形成新一代的线路勘测系统。
2.3桥、隧形变监测
利用高精度定位技术可进行桥、隧的形变监测。如美国联邦公路管理局的一项非破坏性检测评估计划研制了以GPS为基础的桥梁观测系统。该系统已经成功地完成了对美国两座大型公路桥梁的试验性观测。加拿大计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统、两台GPS接收机和一台微机，用于公路线形的测定，为养路工作服务。我国也开始了用GPS技术进行桥隧的形变监测的尝试。
3.GPS定位原理与误差源分析
GPS定位是以GPS卫星和用户接收天线之间的距离为基本观测量，根据已知的卫星瞬时坐标，确定用户天线所对应的位置，其实质是空间距离后方交会。在一个侧站上只需3个独立距离观测量。即通过侧量GPS信号从卫星传播到用户接收机的时间差计算距离，由于卫星钟与用户接收机钟不同步，因此，观测的测站至卫星间的距离称为伪距。卫星钟差可以通过卫星导航电文提供的钟差参数修正，接收机钟差难以预先准确确定，可将其作为未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。在一个测站上，除了三个待定位置参数外。还需要增加一个接收机钟差参数，因而至少应有4个同步伪距观测量，即至少必须同步观测4颗GPS卫星。
GPS定位的主要误差可分为三个部分：与卫星有关的误差、接收机的误差以及电波信号传播路径带来的误差。
（1）与卫星有关的误差
由于GPS定位是用户通过测量卫星发出信号到用户收到信号的时间差来确定用户到卫星的距离，该时间差中含有卫星钟和用户接收机钟的误差，即伪距。经历整个过程后误差越达10米及左右。
（2）接收机误差
GPS接收机的误差主要是接收机钟差和接收机噪声，接收机钟差的大小与钟的质量有关。
（3）传播路径误差
GPS信号从20000米的高空传播到地面穿越大气层时，受到电离层和对流层的影响。电离层和对流层均使得GPS测距信号产生延迟。差分技术可以大大减小电离层折射的影响，但是残余的电离层折射误差随基线长度的增加而增大，模糊度整数估计难度也随之增大。
4. 结语
GPS在公路工程中广泛应用，它的优势在实践中凸显，作为技术人员，不仅仅停留在会应用的层面上，而是更深层次的理解GPS内在的理论基础和技术核心，以便更精确的把握测量精髓，更好的服务于公路工程。
参考文献
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