袁皓琛

【摘 要】本文介绍了在二级公路施工控制网及工程施工现场如何应用GPS测量技术，笔者还结合工程实践经验，简单总结了GPS测量技术在实际工程施工应用中存在的问题以及应注意的事项。

【关键词】GPS测量技术；工程施工；应用

1 GPS系统简介

1.1 GPS系统概况

GPS系统的全称是卫星测时导航/全球定位系统（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System），它是美国国防部于1973年12月批准研制的以卫星为基础的无线电导航定位系统，整个系统由三大部分组成——空间GPS卫星星座、地面监控系统以及用户设备GPS接收机。该系统具有全能性（海、陆、空及航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时的功能，它可以向数目不限的全球用户连续地提供三维坐标、速度及时间信息。

全球导航卫星系统（GLONASS）与美国的GPS相似，该系统也开设民用窗口。GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GLONASS在定位、测速及定时精度上则优于施加选择可用性（SA）之后的GPS。

笔者所在项目部购入并使用的是美国拓普康公司最新研制的TOPCOM Hipver V GPS系统，由一个基站和两个流动站及手簿组成，该套系统除了能够接收美国GPS卫星系统的信号外，还能够接收俄罗斯格洛纳斯GLONASS卫星系统所发射的信号进行定位，进一步提高了观测的精度。

1）定位精度高。实践证明，用载波相位观测量进行静态相对定位在小于50km的基线上可达1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置误差小于1mm（1h以上观测）；实时动态定位（RTK）可达厘米级的精度。

2）观测时间短。目前，20km以内静态相对定位的时间仅需45-60min，快速静态定位只需2min左右，实时动态定位每站观测1～2s就可完成。测站间无需通视。这是GPS技术区别于常规测量的最大优点，尤其是布设导线点，可省去大量的传算点、过渡点的测量，大大减少测量作业时间和费用，同时也使选点布网变得非常灵活。

3）操作简便。GPS接收机自动化程度非常高，进行工程测量时，测量员安置仪器的工作简化为安置仪器、连接线缆（一体化机则不需要）、量取天线高、开关机及监视仪器工作状态，假设基站时间远远低于全站仪架站时间，并且无需额外观测后视，提高了有效测量工作时间，在信号能够接收的范围内无需像全站仪一样进行转站。

4）全球全天候测量。目前GPS及GLONASS卫星数已达30颗以上，正常情况下随时都可以进行测量定位。除雷电、台风、强电磁干扰情况下不宜观测外，其它如阴天黑夜、起雾下雨均不影响，这一点也是使用全站仪进行测量放样工作所无法比拟的。

2 GPS技术在公路工程施工中的实际应用

GPS定位的基本原理是根据几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置，从测量的角度来说，它与测距后方交会法相似。为了减少卫星本身及信号传播过程产生的各种误差，人们经过多年研究和实践，总结出多种不同用途、不同精度的定位技术和方法，在现阶段工程施工中应用较多的主要是经典静态相对定位（载波相位静态相对定位）和实时动态相对定位（RTK）两种。笔者所在公路项目，在日常的测量放样工作中更多的使用实时动态定位技术（即RTK测量）进行路基、桥涵的放样工作。而经典静态相对定位则应用于本项目年初（2014年）进行导线复测工作，下面即对这两种不同的相对定位在工程实际应用的介绍。

2.1 经典静态相对定位（静态模式）

笔者所在张恭项目部在购入TOPCOM GPS系统时即已考虑到导线测量的需要，购入的机型即为“1+2”形式（一基站两流动站），已满足GPS测量对导线测量的最低构建三角形基线的需要，故在2014年2月21日进场后即使用GPS系统对张恭二级公路进行了复测。仅用了四天即完成了全线24.465Km的导线复测工作，极大的提高了工作效率并节省了人力物力，现简要介绍一下具体工作。

2.1.1 GPS导线测量的流程

1）GPS控制网复测前，笔者所在测量组首先进行了现场勘查，检查标石的完好性，经过现场勘查，本标段范围内现存GPS控制点8个；GPS控制网复测的作业方法、精度指标、使用仪器均按《全球定位系统（GPS）测量规程》中E级GPS网精度标准进行；

2）导线复测组员共六人并配备一台车辆，两人一组，每组使用一台GPS；

3）复测时将各机架设在GPS点上，采用同步静态观测模式，以GPS对点作为联结边，采用边联式构网，GPS形成大地三角形组成的带状网；

4）三台仪器同步（开机时间应精确至分钟）开机观测一小时后关机，位于小里程的一组测量员将仪器转至下一个未测GPS点上整平对中，与前一个观测时段结束后未移动的剩余两台GPS新构建三角网后同步开机进行测量，该过程循环进行并每次均保证下一个测量时段时三台GPS中有两台GPS位于上个测量时段观测的两个GPS点上，一台位于新测量的GPS点上；

5）观测过程中按规定填写观测手簿，对观测点点名、仪器高、仪器号、时间、日期、以及观测者姓名均详细记录，待数据处理时使用。

2.1.2 GPS导线测量的数据处理

使用GPS静态模式进行导线复测数据记录后，即转入测量数据后处理阶段，此时使用topcom Pinnacle数据处理商用软件对静态测量数据按静态相对定位模式进行双差固定解求解，并使用该软件基于GPS84坐标系进行无约束平差。经过数据整理后，本次GPS导线测量最弱环相对中误差为1/215248，平差后最弱点的点位中误差为3.3mm，本次GPS复测网的精度达到E级GPSGPS网精度，复测平面点位精度满足《全球定位系统（GPS）测量规程》、《公路GPS测量规范》标准中的规定要求。

2.1.3 GPS导线测量的优势及存在问题

经过笔者实践使用，GPS测量在导线测量中相比全站仪测量导线，具有使用操作简便、工作效率高、人为操作误差降低、大大缩短全站仪导线测量时间等优点，就不一一赘述。但是同时，GPS进行导线测量也有短板不足之处，例如受天气影响，若大气中电磁干扰较强，仪器接收到的卫星数不能满足最低星数的需要，则不能进行正常工作；受地形限制，在山大沟深，树林茂密的环境下，也对仪器接收卫星信号存在较大干扰；其次，在电塔或移动电话网络基站附近，也对仪器接收卫星信号存在较大干扰；同时，隧道内GPS受环境影响，不能在洞内进行导线测设，但是可在隧道洞口布设GPS导线控制点。以上几点是笔者在日常使用中所发现的问题。

2.2 实时动态相对定位（RTK模式）

2.2.1 RTK技术简介

1）RTK技术是载波相位差分技术，主要以GPS载波相位测量与数据传输技术相结合并对载波相位测量进行实施差分处理的测量技术；

2）RTK系统的组成。RTK系统主要由基准站GPS接收机、移动站GPS、GPS配套的电台或移动通讯数据传输设备及链接并处理数据链的PC手簿组成；

3）RTK技术的基本原理。RTK技术的原理是安置一台接收机基站接收卫星信号，流动站接收到基站发出的观测数据后，在系统内进行数据处理，得出测量结果后显示在PC机手簿上。笔者在日常的实地测量放样中发现测量精度可达0.1cm。

2.2.2 RTK技术在公路工程的实际应用和优点以及存在问题

1）GPS RTK的实际应用。笔者在所在项目实地进行测量放样工作中，使用最多的就是RTK模式，在取得直线、曲线及转交表后，根据道路曲线要素，可以很方便的在GPS的pc机手簿内输入曲线要素，GPS手簿实时显示测点坐标、偏差及精度，GPS RTK模式下定位速度快，可快速、便捷的放样出道路平面中、边桩，结合GPS RTK实时测量高程数据可便捷的放样填方坡脚、挖方开挖线。同时在对桥涵构造物进行放样前，结合CAD绘图软件和道路之星、道路测设大师等辅助软件，可以在电脑中对需要放样的桥涵构造物进行绘图，然后将构造物的结构尺寸控制点坐标输入GPS的pc机手簿中，然后进行现场放样，同时能够通过手簿中软件对放样后的构造物尺寸进行校核计算。

2）GPS RTK模式的优势。GPS RTK模式在公路工程实际测量放样中，对复杂地形和低等级公路有很好的适应性，其中GPS RTK模式下对地形要求不高的特点，在笔者所在公路工程项目得到很好的体现。

张家川至恭门二级公路K11-K13公里，处于山大沟深，地形复杂的地理环境下，同时道路主线曲线半径较小，弯道较多，坝式路基填方高度高，深挖路基最大高度达到49m，种种因素导致在2013年使用全站仪进行现场测量放样工作中，工作效率低下，错误率高，有效测量放样时间短，大量的时间浪费在全站仪转站架站工作上，大大影响了工程施工的正常开展；2014年在K11-K13公里处使用GPS进行测量放样后，仅需在导线点上架设GPS基站一次后，两组测量员（每组1至2人）即可使用两台流动站和对应手簿，在GPS电台有效范围内，可方便快捷的进行施工测量放样工作，中途无需再次转站或更换基站位置。相比全站仪，大大提高了测量放样的有效工作时间，也减少了放样误差，提高了准确率，对工程施工进度也带来了正面的影响。

3）GPS RTK模式与全站仪、水准仪的对比。在放样精度方面，笔者通过实地测量放样并结合全站仪、水准仪对GPS RTK放样点进行了校核，复核后发现道路平面放样GPS误差≤1cm，道路高程GPS误差≤2cm，高程误差主要由对中杆杆尖造成，在坚硬地面上与水准仪测量数据复核后误差≤0.5cm。GPS测量放样精度基本优于全站仪和水准仪。平面放样中，GPS RTK测量放样很好的避免了因温度、棱镜常数、人眼后视对中观测的误差等实用全站仪测量时容易发生的误差错误。而在高程测量中，也避免了水准仪在读取塔尺读数时因塔尺倾斜造成的累计误差。

4）GPS RTK模式的不足之处。但是GPS RTK虽然优点很多，但是仍有一些问题是现阶段现场施工测量放样工作中无法避免的，譬如受电磁干扰较大，无法在高压线或移动电话通讯基站附近进行工作，信号强度受天线方向制约等。

3 结论

笔者通过实地测量放样工作发现，GPS技术不论是在控制测量还是施工放样中，都能大大提高测量的可靠性和作业效率，降低作业强度，适应现代工程施工“快节奏”的要求，也使测量员从以前简单机械的架设仪器的工作中解放出来，将更多精力投入对。但是，GPS测量有别于常规测量，本文作者也受学术水平和工作经验的制约，在平时的工作中对使用GPS测量仍然有很多不足和需要加深学习之处，还需要在工程实践中认真去摸索和总结。

【参考文献】

[1]徐绍铨，张华海，等.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社.

[2]魏二虎，黄劲松.GPS测量操作与数据处理[M].武汉大学出版社.

[3]GB/T18314-2001全球定位系统GPS测量规范[S].

[4]JTJ/T 066-98公路全球定位系统GPS测量规范[S].

[责任编辑：田吉捷]