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實(shí)時(shí)GPS測(cè)量在公路工程中的應(yīng)用論文
目前，實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量的研究已獲得成功，即RTK定位技術(shù)，該技術(shù)保留了GPS測(cè)量的商精度，又具有實(shí)晨性，故獎(jiǎng)具有RTK性能的GPS形象地稱為GPS全站儀。
一、實(shí)時(shí)GPS測(cè)量原理
實(shí)時(shí)GPS測(cè)量以載波相位觀測(cè)值為基礎(chǔ)，不同于早先的實(shí)時(shí)差分GPS（RTD），RTD是建立在C/A碼偽距觀測(cè)值的基礎(chǔ)之上的一種實(shí)時(shí)定位技術(shù)，其精度只能達(dá)到米級(jí)。
靜態(tài)測(cè)量是用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)同步觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行處理，可等到兩測(cè)站間精密的WGS-84基線向量，再經(jīng)過平差、坐標(biāo)傳遞、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工作，最終等到測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。顯然靜態(tài)測(cè)量不具備實(shí)時(shí)性。RTK定位技術(shù)則是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，需要在兩臺(tái)GPS接收機(jī)之間增加一套無線數(shù)字通訊系統(tǒng)（亦稱數(shù)據(jù)鏈），將兩相對(duì)獨(dú)立的GPS信號(hào)接收系統(tǒng)聯(lián)成有機(jī)的整體�；鶞�(zhǔn)站通過電臺(tái)將觀測(cè)信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站將基準(zhǔn)站傳來的載波觀測(cè)信號(hào)與流動(dòng)站本身的載波信號(hào)進(jìn)行差分處理，解出兩站間的基線值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。因此，實(shí)時(shí)GPS測(cè)量的關(guān)鍵除數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)外，還需具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。
實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)由以下3部分組成：
1、GPS信號(hào)接收系統(tǒng)。從理論上講，雙頻接收機(jī)與單頻接收機(jī)均可用于實(shí)時(shí)GPS測(cè)量。但是單頻機(jī)進(jìn)行整周未知數(shù)的初始化的需要很長(zhǎng)的時(shí)間，此乃實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量所不允許的；加之單頻機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)容易失鎖，失鎖后的重新初始化要占去許多時(shí)間。因此，實(shí)際作業(yè)中一般應(yīng)采用雙頻機(jī)。
2、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)。 為把基準(zhǔn)站的信息及觀測(cè)數(shù)據(jù)一并時(shí)傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，并與流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，必須配置高質(zhì)量的無線通訊設(shè)備（無線信號(hào)調(diào)制解調(diào)器）。由于數(shù)據(jù)信息量大，必須采用較高的傳輸速度，波特率通常要在9600以上。此項(xiàng)要求目前不難達(dá)到。利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，流動(dòng)站可以隨時(shí)凋閱基準(zhǔn)站的工作狀態(tài)和高設(shè)站信息。這對(duì)于保證成果質(zhì)量和排除觀測(cè)中出現(xiàn)的問題十分有利。
3、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。 基準(zhǔn)站將自身信息與觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，流動(dòng)站將從基準(zhǔn)站接收到的信息與自身采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)組成差分觀測(cè)值。在整周未知數(shù)解算出以后，即可進(jìn)行每歷無的實(shí)時(shí)處理。只要保證鎖定四顆以上的衛(wèi)星，并具有足夠的幾何圖形強(qiáng)度，就能隨時(shí)給出厘米級(jí)的點(diǎn)位精度。因此必須具備功能很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已發(fā)展成為多功能的完整系統(tǒng)。所以能成功地用于實(shí)際作業(yè)中。
二、實(shí)時(shí)GPS測(cè)量的特點(diǎn)
1、實(shí)時(shí)GPS測(cè)量保留了所有經(jīng)典GPS功能。如靜態(tài)測(cè)量，快速靜態(tài)測(cè)量等，觀測(cè)數(shù)據(jù)亦可采用后處理的方式。靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)后處理的方式，是高精度控制測(cè)量中的理想方法。由于后處理定位的實(shí)時(shí)定位可以同時(shí)進(jìn)行，所以能做到彼此互補(bǔ)，發(fā)揮各自特長(zhǎng)。
2、經(jīng)典的GPS測(cè)量因不具備實(shí)時(shí)性，而不能有用來放樣，放樣工作還得配備傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，實(shí)時(shí)GPS測(cè)量彌補(bǔ)了這一缺陷。放樣精度可達(dá)到厘米級(jí)。
3、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)GPS測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是快速解算載波的整周未知數(shù)。用經(jīng)典的靜態(tài)相對(duì)定位法，解得整周示未知數(shù)并達(dá)到足夠精度，往往需要1個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。在實(shí)時(shí)GPS測(cè)量中，盡管初始化時(shí)間和長(zhǎng)短受到跟蹤觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)，幾何圖形強(qiáng)度、多路徑效應(yīng)、電離層干擾等諸多因素影響，但已可在數(shù)分鐘之內(nèi)完成。如借助快速動(dòng)態(tài)定位，約需3分鐘；如采用動(dòng)態(tài)環(huán)境下的初始化，約需1分鐘；如在已知點(diǎn)上進(jìn)行初始化，僅有幾秒鐘足夠。這樣，測(cè)量中即使遇到障礙物（如穿過橋下或通過隱蔽地帶）造成失鎖，也可在重新捕獲到衛(wèi)星后數(shù)分鐘內(nèi)完成整周未知數(shù)初始化，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。
4、由于實(shí)時(shí)GPS測(cè)量成果是在野外觀測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)提供，因此能在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行檢核，避免外業(yè)工作返工，例如，整周求知數(shù)初始化情況和測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度等信息均可在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核對(duì)。
5、能夠接收到GPS信號(hào)的任何地點(diǎn)，全天24小時(shí)均可進(jìn)行實(shí)時(shí)GPS測(cè)量的放樣。
6、完成基準(zhǔn)站的設(shè)置后，整個(gè)系統(tǒng)只需一人持流動(dòng)站接收機(jī)操作。也可設(shè)置幾個(gè)流動(dòng)站，利用同一基準(zhǔn)站觀測(cè)信息各自獨(dú)立開展工作。
三、實(shí)時(shí)GPS測(cè)量在公路建設(shè)中的應(yīng)用
GPS測(cè)量具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，在控制測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著GPS接收機(jī)性能和數(shù)據(jù)處理技術(shù)逐漸完善，GPS應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬。實(shí)時(shí)GPS測(cè)量在公路工程中可發(fā)完成多種工作。
1、繪制大比例地形圖高等級(jí)公路選線多是在大比例尺（通常是1：2000或1：1000）帶狀地形圖上進(jìn)行，用傳統(tǒng)方法測(cè)圖，先要建立控制網(wǎng)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。其工作量大速度慢，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量，構(gòu)成碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在室內(nèi)即可由繪圖軟件成圖，由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，大大降低了測(cè)圖的難度，既省時(shí)又省力。
2、工程控制測(cè)量用GPS建立控制網(wǎng)，最精密的方法應(yīng)屬靜態(tài)測(cè)量。對(duì)于大型建筑物，如特大橋、隧道、互通式立交等進(jìn)行控制。宜用靜態(tài)測(cè)量。而一般工程的控制測(cè)量，則可采用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量。這種方法在測(cè)量過程中能實(shí)時(shí)獲得定位精度。當(dāng)達(dá)到要求的點(diǎn)位精度，即可停止觀測(cè)，大大提高了作業(yè)效率。由于點(diǎn)與點(diǎn)之間一要求必須通視，便得測(cè)量更簡(jiǎn)便易行。
3、公路中線測(cè)設(shè)設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路在地面標(biāo)定出來。采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量，只需將中線柱點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS接收機(jī)中，系統(tǒng)就會(huì)定出放樣的點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)量都是獨(dú)立的完成的，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。
4、公路縱、橫斷面測(cè)量公路中線確定后，利用中線樁點(diǎn)坐標(biāo)，通過繪圖軟件，即可給出路線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面。由于所用數(shù)據(jù)都是測(cè)繪地形圖時(shí)采集來的，因此不需要再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量。從而大大減少了外業(yè)工作。如果需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量時(shí)，也可采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比，在精度、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用各方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。
5、施工測(cè)量實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)既有良好的硬件，也有極豐富的軟件可選擇。施工中對(duì)點(diǎn)、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷。精度可達(dá)到厘米級(jí)。
6、變形觀測(cè)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有毫米級(jí)的精度，比一般工程控制網(wǎng)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)踐表明，如果用較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，分幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)，并采用強(qiáng)制對(duì)中，觀測(cè)時(shí)天線指北等措施，長(zhǎng)度不超過4km的基線向量可達(dá)到2mm-3mm的精度。隨著研究深化，GPS廣泛用于變形觀測(cè)是完全有可能的。
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