全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)在高速公路測(cè)量中的應(yīng)用
| 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System簡(jiǎn)稱(chēng)GPS) ,是以人造地球衛(wèi)星為觀測(cè)對(duì)象的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)能為用戶(hù)提供精密的三維空間坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)物體的三維速度和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,具有全球性、連續(xù)性和全天候的功能。它由導(dǎo)航星座、地面臺(tái)站和用戶(hù)定位設(shè)備三部分組成。導(dǎo)航星座是由24顆位于地球上空約兩萬(wàn)公里軌道上衛(wèi)星網(wǎng)所組成,它們分布在6個(gè)不同的軌道面上,這6個(gè)軌道面與赤道面傾角為55°。軌道相互間隔120°,相鄰軌道面鄰星相位差為40°,運(yùn)行周期為11h 58min,衛(wèi)星網(wǎng)的這種布置格局保證了在地球上任何地點(diǎn)任何時(shí)刻至少能同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星,最多時(shí)可觀測(cè)到11顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào),實(shí)現(xiàn)三維精確定位。衛(wèi)星發(fā)射有三種信號(hào),即精密的P碼(廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域) 、非精密的捕獲碼C /A (用于民用方面)和導(dǎo)航電文。地面臺(tái)站由一個(gè)主控站、五個(gè)監(jiān)控站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)控站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算出每顆衛(wèi)星的軌道等數(shù)據(jù),注入到各衛(wèi)星存儲(chǔ)器。用戶(hù)定位設(shè)備即GPS接收機(jī),由天線(xiàn)、信號(hào)識(shí)別和處理裝置、微機(jī)操作板、指示器、數(shù)據(jù)存貯器、精密振蕩器、電源六大部分組成,其主要功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)并利用本身的偽隨機(jī)噪聲碼取得觀測(cè)量以及內(nèi)含衛(wèi)星位置和鐘差改正信息的導(dǎo)航電文,然后計(jì)算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)速度。 在高速公路測(cè)量中,由于地形較為復(fù)雜,公路等級(jí)高,如若采用常規(guī)測(cè)量方法要保證測(cè)量精度要求相應(yīng)較困難,因此在路線(xiàn)平面控制測(cè)量中采用了先進(jìn)的GPS進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)測(cè)量及平差,中線(xiàn)定測(cè)運(yùn)用GPS動(dòng)態(tài)放樣,即省時(shí)又省力且確保路線(xiàn)測(cè)設(shè)精度。GPS測(cè)量在老集高速公路中的應(yīng)用為施工控制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn): (1)測(cè)站之間無(wú)需通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn),使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊,以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。 (2)定位精度高,一般雙頻GPS接收機(jī)基線(xiàn)解精度為5mm + 1PPm,而紅外儀標(biāo)稱(chēng)精度為5mm +5PPm, GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng),但隨著距離的增長(zhǎng), GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明,在小于50km 的基線(xiàn)上,其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6,而在100～500km的基線(xiàn)上可達(dá)10-6～10-7。 (3)觀測(cè)時(shí)間短。在小于20km的短基線(xiàn)上,快速相對(duì)定位一般只需5min觀測(cè)時(shí)間即可。 (4)提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí),可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。 (5)操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高和監(jiān)視儀器的工作狀態(tài),而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。 (6)全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn),任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行,一般不受天氣狀況的影響。 常規(guī)測(cè)量方法與GPS測(cè)量對(duì)比的缺陷: (1)規(guī)范對(duì)附合導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)、閉合導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)間長(zhǎng)度等有嚴(yán)格規(guī)定,一般對(duì)于高等級(jí)公路均要求達(dá)到一級(jí)導(dǎo)線(xiàn)要求。這樣,導(dǎo)線(xiàn)附合或閉合長(zhǎng)度最長(zhǎng)不得超過(guò)10km,結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)結(jié)點(diǎn)間距不能超過(guò)附合導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的0. 7倍。這種要求一般在實(shí)際作業(yè)中難以達(dá)到,往往出現(xiàn)超規(guī)范作業(yè)。 (2)搜集到的用于路線(xiàn)測(cè)量控制的起算點(diǎn)間一般很難保證為同一測(cè)量系統(tǒng),往往國(guó)測(cè)、軍測(cè)、城市控制點(diǎn)混雜一起,這就存在系統(tǒng)間的兼容性問(wèn)題,如果用不兼容的起算點(diǎn),勢(shì)必影響測(cè)量質(zhì)量。 (3)國(guó)家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重影響測(cè)量作業(yè)。由于國(guó)家基礎(chǔ)控制點(diǎn),大多為50、60年代完成,經(jīng)過(guò)30多年,有些點(diǎn)由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要被破壞,有些點(diǎn)則由于人們?nèi)狈α私庠馊藶槠茐摹Ｔ谶@些地區(qū)進(jìn)行路線(xiàn)測(cè)量作業(yè),往往在50km以上均找不到導(dǎo)線(xiàn)的聯(lián)測(cè)點(diǎn)。這樣路線(xiàn)控制測(cè)量的質(zhì)量得不到保證。 (4)地面通視困難往往影響常規(guī)測(cè)量的實(shí)施。一般路線(xiàn)的控制點(diǎn)要求布設(shè)在距路線(xiàn)的300m范圍內(nèi)。由于通視的原因,這一條件難以滿(mǎn)足,甚至在大范圍密林、密灌及青紗帳地區(qū),根本無(wú)法實(shí)施常規(guī)控制測(cè)量。 (5)長(zhǎng)大隧道、特大橋等構(gòu)造物一般要求測(cè)量等級(jí)在4等以上。用常規(guī)測(cè)量方法,往往采用增加測(cè)回?cái)?shù),延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間等費(fèi)時(shí)、費(fèi)工的方法來(lái)設(shè)法提高精度。 (6)長(zhǎng)大隧道、特大橋多為地形復(fù)雜困難地帶,進(jìn)行常規(guī)控制測(cè)量,為通視和網(wǎng)形,往往砍伐工作量相當(dāng)大,這樣測(cè)設(shè)費(fèi)用很大,作業(yè)艱苦。 (7)長(zhǎng)大隧道及特大橋的控制網(wǎng)高精度及與路線(xiàn)網(wǎng)的低精度銜接,雖說(shuō)用平差方法可以得到克服,但由于地形條件困難,其聯(lián)結(jié)的測(cè)量工作量很大,且不太方便。實(shí)際工作中,構(gòu)造物的控制測(cè)量與路線(xiàn)的控制測(cè)量經(jīng)常出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。如用GPS測(cè)量,上述列舉的缺陷均能一一克服,并提高作業(yè)的效率,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,保證了高等 級(jí)公路測(cè)設(shè)質(zhì)量。 由上可以看出GPS測(cè)量在高速公路測(cè)量中具有以下優(yōu)點(diǎn): (1) GPS測(cè)量作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受距離限制,非常適合于國(guó)家大地點(diǎn)破壞嚴(yán)重地區(qū)、地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等。 (2) GPS測(cè)量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個(gè)作業(yè)過(guò)程全由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制、自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算。 (3) GPSRTK技術(shù)將徹底改變公路測(cè)量模式。RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線(xiàn)、橋、隧道勘察。它可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測(cè)量、點(diǎn)位測(cè)量等。 (4) GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率。一般GPS測(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的3倍以上。 (5) GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣,是GPS測(cè)量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當(dāng)前高等級(jí)公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展形勢(shì)下,往往由于這些地區(qū)地形條件的限制,實(shí)施常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量有困難, GPS高程測(cè)量無(wú)疑是一種有效的手段。GPS作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),不僅具有全球性全天候連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力,而且具有良好的抗干擾性和保密性。其定位技術(shù)的高度自動(dòng)化及其所達(dá)到的高精度和具有的潛力引起測(cè)量工作者的極大興趣。隨著GPS測(cè)量理論與設(shè)備的不斷發(fā)展,使得GPS測(cè)量技術(shù)日趨成熟,測(cè)量功能更加完善,應(yīng)用面更廣,操作更簡(jiǎn)便,使GPS測(cè)量更實(shí)用化和自動(dòng)化。 |
