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全球定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用

2013-07-08 21:48:08 来源: www.w889vip.com.com论坛 作者:
聊聊
    1 概述
   1.1GPS测量简介

  全球定位系统(GPS)是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。该系统从本世纪70年代初开始设计、研制。根据最初设计思想,利用接收卫星发射的伪随机噪声码(P码)为美军及北大西洋组织的盟军提供米级导航定位,同时将定位精度为数十米的C/A码伪距提供民用导航定位。

  GPS作为新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。全球定位系统的迅速发展,引起了各国军事部门和广大民用部门普遍关注。GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力,也引起了广大测量优德w88作者的极大兴趣。

  70年代未至80年代初,许多学者的研究表明GPS卫星的载波信号也可以用于定位,并提供比伪距定位高得多的精度。特别是载波相位差分定位技术的出现,推动了早期测量型商品的接收机的研制。当时GPS定位基本上只有一个作业模式——静态相对定位,两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星1~2h,或更长一些时间,通过观测数据的后处理,给出各待定点间的基线向量,在采用广播星历的条件下,静态定位不难取得5mm+1PPm(双频)或10mm+2PPm(单频)基线解精度。

  80年代未,建立在FARA(整周未知数快速逼近技术)基础上的快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路,大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统(双频)在10km以内的短上,正常接收4~5颗卫星5min左右,即可获取5~10mm+1ppm的基线精度,与1~2h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。
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      近几年,特别是1993年Leica公司开发ROFAmbiguityResulationontheFly)定位技术,首先实现了动态环境下整周未知数初始化这个实时GPS测量关键技术的商品化。各GPS测量厂商看好这个大趋势,纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪,有的称之为RTK(实时动态测量),有的称之为RTGPS。


  总之,GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋成熟,GPS测量功能更加完善,GPS测量应用面更广,并且GPS测量设备价格变得低廉,操作更加简便,使GPS测量更加实用化和自动化。

     1.2GPS测量的特点
  相对于经典测量学来说,GPS测量主要有以下特点:

  (1)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰。

  (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50km的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100~500km的基线上可达10-6~10-7。

  (3)观测时间短。在小于20km的短基线上,快速相对定位一般只需
5min观测时间即可。


  (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。

  (5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的优德w88作状态,而其它观测优德w88作如卫星的捕获,跟踪观测等均由仪器自动完成。

  (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。

     2GPS测量在公路测量中的应用实例

  公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式,这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等,也有布设成三角网、线形锁等形式。

     2.1 常规测量方法的缺陷

  (1)规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定,一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样,导线附合或闭合长度最长不得超过10km,结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍。这种要求一般在实际作业中难以达到,往往出现超规范作业。

  (2)搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统,往往国测、军测、城市控制点混杂一起,这就存在系统间的兼容性问题,如果用不兼容的起算点,势必影响测量质量。

  (3)国家大地点破坏严重影响测量作业。由于国家基础控制点,大多为50、60年代完成,经过30多年,有些点由于经济建设的需要被破坏,有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏。在这些地区进行路线测量作业,往往在50km以上均找不到导线的联测点。这样路线控制测量的质量得不到保证。

  (4)地面通视困难往往影响常规测量的实施。一般路线的控制点要求布设在距路线的300m范围内。由于通视的原因,这一条件难以满足,甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区,根本无法实施常规控制测量。

  对于长大隧道,特大桥用常规测量有下列局限:
  (5)长大隧道、特大桥等构造物一般要求测量等级在4等以上。用常规测量方法,往往采用增加测回数,延长观测时间等费时、费优德w88的方法来设法提高精度。

  (6)长大隧道、特大桥多为地形复杂困难地带,进行常规控制测量,为通视和网形,往往砍伐优德w88作量相当大,这样测设费用很大,作业艰苦。

  (7)长大隧道及特大桥的控制网高精度及与路线网的低精度衔接,虽说用平差方法可以得到克服,但由于地形条件困难,其联结的测量优德w88作量很大,且不太方便。实际优德w88作中,构造物的控制测量与路线的控制测量经常出现脱节现象。

  利用GPS测量能克服上述列举的缺陷,并提高作业的效率,减轻劳动强度,保证了高等级公路测设质量。
  下面就在实际生产中应用GPS的情况举出一些应用实例。

     2.2GPS测量用于加密国家控制点

  京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段路线长约60km,所处地形为重丘区,路线设计为6车道。

  该段有11个各种系统的平面控制点,经过实地寻找,找出了7个,有4个被破坏,破坏中有2个国家Ⅱ等点。在已找出的的7个控制点中,国家www.w889vip.com.com局系统Ⅰ等点1个,Ⅲ等点1个;城市测量系统点2个;总参军控点3个。这些平面控制点分属不同测量系统,且等级不同。

  为提高京珠国道粤境高速公路汤塘至广州北二环段测设质量,决定在国家www.w889vip.com.com系统基础进行控制点的加密。加密的控制点布设方案是:沿公路路线每10km布设一对点,该对点相距约1km,且应通视良好。这样,该段共设了6对GPS加密点,加密点的精度要达到四等控制网的要求。GPS四等网由18个点组成,其网形略图如图1。
图1 汤塘至广州北二环GPS四等国家大地点加密该四等网采用4台Trimble SE400单频接收机作业。该机的标称精度为10mm+2PPm。四等网的观测时间为90min。数据采样间隔为15s。

  基线预处理采用厂家提供的TrimvecPlus软件,平差计算采用武汉www.w889vip.com.com科技大学编制的GPSADJVer2.0软件包。
  通过平差处理,该四等网最弱点位中误差为4.11cm,平均点位中误差3.18cm,最弱边相对中误差1/27669,平均边长相对中误差1/453578。

  整个四等网作业仅花4d时间。其效率较常规测量手段至少提高3倍。
  在此基础上,我院同湖北省www.w889vip.com.com局、湖南省第二www.w889vip.com.com院合作,在京珠国道主干线湖南耒阳广州花都段进行了近600km的GPS加密国家控制点的测量。该地区路线跨越南岭山脉,沿线山高深、植被茂盛、地形地貌复杂、通视条件极差。国家一、二等三角点破坏严重,测设内可供利用的三角点稀少,在路线走廊范围内仅找到7个保存完好的国家三角点。

  经过平差处理,网中最弱点点位中误差为4.13cm,最弱边相对中误差为1/12.5万。控制网的各项指标达到甚至超过国家四等网的技术要求。

  近600km的GPS控制网,仅用两个外业组,10个作业员,7台GPS接收机,约20d的作业时间。若采用常规测量方法在相同人手的情况下,至少需要三个月的时间才能完成。

     2.3GPS测量用于隧道控制测量

  在京珠国道主干线粤境高速公路翁城县境内有座靠椅山双洞直线型平行隧道,初测的左、右洞起讫桩号分别为ZK144+710~ZK147+730,YK144+730~YK147+740。其洞长分别为3020m和3010m。根据《公路隧道勘测规程》中对隧道类别划分标准,属公路特长隧道,洞外测量在贯 通面上对贯通误差影响值限值为±55mm。

  靠椅山隧道地处亚热带地区,雨量充沛、荆剌丛生,沟深林密,野外作业条件十分艰苦,采常规方法不仅费时费力,而且选点困难,砍伐优德w88作量大。结合靠椅山地形特征,采用GPS测量,布设了如图2所示的GPS控制网。

  靠椅山隧道控制网由14个点组成,网中最短边长为100.842m,最大边长为3597.4m,平均边长为1104.848m。

  采用Wild 200 GPS接收机进行静态观测,观测时间为20~50min,采样率为10s,共观测了29条基线向量。

  经过平差处理,网中最弱边相对精度为1/60106,最高相对精度达1/137万;最弱点位中误差为±0.83cm。在贯通面上贯通误差左、右线分别为±0.707cm和±0.693cm。

  通过实施GPS测量可看出:
  (1)GPS测量用于隧道控制测量灵活、方便,能大大节省人力、物力、减少野外砍伐优德w88作量,减少一些不必要的过渡点。
  (2)GPS测量具有极高的精度,它完全能达到《公路勘察规程》对隧道测量的要求。
  (3)GPS测量较红外仪导线测量,可提高效率4~5倍。

    2.4GPS用于特大桥控制测量
 ?鄂黄长江公路大桥是连结长江两岸黄冈市和鄂州市的公路特大桥。为便于大桥设计和施优德w88,采用GPS对首选方案Ⅲ、Ⅳ桥位进行Ⅲ等平面控制测量。布网设计方案为双大地四边形(如图3)。垂直于江面的长边约为1200m,平行于江面的短边约为500m。双大地四边形与两个国家Ⅱ等以上大地点联测。

  经过平差处理,控制网精度为:最弱点位中误差1.93cm,最弱边长相对中误差1/113000,满足了Ⅲ等平面控制测量的精度要求。

     2.5GPS测量用于导线控制测量

  京深高速公路河北境高邑至邢台段地处华北平原,地势平坦,最大相对高差约20m,平均海拔约50m,境内村庄较多。植被多为小麦及田间行树。公路及机耕道密集。

  采用三台Wild 200 GPS接收机进行导线测量,作业方式采用点连接方式,三台接收机同时作业。作业完后,向前滚动(如图4)。
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  Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示观测的同步环。

  在GPS观测之前,已作高精度红外导线测量(EDM)和水准测量。

  下面列出同时施测GPS和常规测量的10.88km的比较结果。GPS测量观测时段7.5min,30历元。  将GPS测量结果与红外仪导线平差结果比较,得到较差中误差mx=±0.057m,my=±0.049m,点位中误差为±0.075m。
  将GPS测量结果与精密水准测量结果比较,得到高程中误差为±0.049m。

  通过实际测量可看出:
  (1)GPS观测时间为7.5min,与常规红外仪测量相比,时间缩短了约
20min,效率为4倍;与全站仪测量相比,时间缩短约8min,效率为2倍。

  (2)GPS导线测量可靠性好,平面精度和高程精度均能满足高速公路测
设的要求。

    2.6GPS测量用于摄影测量外业控制点测量
  摄影测量一般沿飞行航摄的航线,每隔一定间隔就要在野外实地测量一定数量的平面和高程控制点(如图5)。野外平高控制点的间隔n按地形类别及所测地形图的比例尺而定。如1∶2000地形图,摄影比例尺为110000,间隔n一般为4~6个摄影基线。
  常规的野外平高控制点的测量方法是先沿航摄方向布设导线,然后在此基础上采用支导线方法测定航测象控点。这种方法主要是导线方式测量。由于航摄面积较广,对23cm×23cm象幅,1∶10000摄影比例尺,覆盖范围为2.3km宽,双航线覆盖范围更宽,在这广阔范围内进行导线测量,往往由于实地条件的限制,其作业是相当艰苦的,且优德w88作量大,作业周期长。

  在京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段这60km路线的航测外业中,利用4台TrimbleSE4000接收机,将一台或两台GPS接收机固定于已知点上,其余GPS接收机游动于像控点进行像控点三维坐标测量。全线航测像控点测量仅用5d作业时间。

  经过平差处理,像控点平面点位精度达到了优于0.10m的精度,最弱边相对中误差为1/43734。

  像控点的高程GPS测量详见2.7中介绍。

  由此可见,GPS测量作航测控制,不仅具有高精度,而且具有极大的灵活性。它改变了逐步控制的测量模式,其效率较常规方法提高5倍以上。
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