摘要
由于GPS是先进的地理测量和定位手段，经过一段时间的快速发展历史已经非常成熟，其各种静态相对差分定位技术可以同时完全达到极高的定位精度甚至同时具有极高的定位精度的要求，同时也需要尽可能地满足各种类型的建筑工程控制网；而作为动态主导代表的各种GPS相对差分定位技术，则获得了中国地理测量行业的充分认可，并被广泛应用于建筑地形测绘质量、放线施工等测量工程学科领域中。
本文简要介绍了准定量高程技术与现有GPS混合改造的一些基本技术概念，详细介绍了目前GPS调测技术在道路、桥梁和铁路隧道建设工程中实际应用的基本情况和技术特点，同时对GPS高程水平改造技术它对研究现状和与未来发展有关的问题进行了全面分析。
关键词：GPS；路桥工程；隧道工程；测量技术
abstract
Since GPS is an advanced geographic measurement and positioning method, after a period of rapid development, various static relative differential positioning technologies can fully achieve extremely high positioning accuracy and even extremely high positioning accuracy at the same time, and also need to meet various types of construction engineering control network as far as possible; various GPS relative differential positioning technologies, are fully recognized by China’s geographic survey industry, and are widely used in construction topographic mapping quality and wiring construction. This paper briefly introduces the basic concepts of mixing quasi-quantitative elevation technology with existing GPS, introduces the basic application and technical characteristics of GPS measuring technology in road, bridge and railway tunnel construction, and analyzes the present situation and the problems related to the future development.
Key words: GPS; road and bridge engineering; tunnel engineering; measuring technology
一、引言
随着中国道路测量水平的持续性的提高，道路测量处理任务也面临着相应的更高技术要求。现代公路测量主要采用各种全站仪、GPS和自动化程度较高的公路测量处理设备，主要目的是为了用于研究重要的测量路线，常用的是在纸上画线的方法。随着道路GPS的日益普及，一旦测量完成其在野外行业的主要目的，道路吊装的野外作业不仅可以在很大程度上降低人员的野外作业强度，还可以在很大程度上提高道路吊装作业的精度和吊装作业的效率。
二、GPS的工作原理及其在公路工程中的应用
（一）GPS系统的组成
1.空间卫星星座
GPS两颗观测卫星的这一实时同步卫星空间同时导航配置解决方案设计可以有效确保您在这个地球上的任何一个时间和地点在任何时刻都至少每天内都可以同时实现卫星同步同时导航观测一个信号到4颗卫星,以满足便于同时达到精密观测卫星同时导航与全球精确定位的必要空间需求。
2.地面监控部分
GPS监控系统的平台监控监测系统由5个平台地面站基点组成,包括平台主控站、地面监控天线监测站和移动监测站。
3.用户设备部分
用户连接设备系统包括了所有一个GPS射频接收机、数据处理器和软件以及一个微处理机和其他终端连接设备,以便于获取全球导航卫星电文和全球定位卫星信息,经简单的视频数据处理加起来可以实现实时全球定位与卫星导航。
(二)GPS系统的工作原理
1.伪距测量原理
用站点卫星信号伪随机码分别进行卫星测距的两种基本原理的实际操作实质上就是通过对各个站点卫星接收机的本站各地段卫星号码与各个站点上的卫星信号发射传送信号的其他卫星伪随机码发射信号分别进行测距相关性数据分析综合处理,测定站点卫星发射信号从各个站点上的卫星信号测距传送到各个站点卫星接收机的无线信号传播发射持续时间,然后用无线传播持续时间发射长度之比乘以站点卫星发射光速度的计算方法获得从站点传送到各个站星间的最大更远距离,以此两种方式应用来有效帮助用户确定站点卫星信号测距传送到各个站点的三维空间地理坐标。2.载波相位测量原理
由于实际误差不具有规律,所以这种误差改正往往难以正确的直接反应实际误差的变化分布,经过多次改正的误差观测残余值中仍依然保存着所有误差残余值与误差的相互影响。这时我们可以在一个观测误差方程中直接加入一个相应的各种附加物理参数应用来彻底消除误差残余值对误差的直接影响。例如对一个接收机假设钟差,可以按每一个已知观测历元素假设一个已知钟差作为未知观测参数。对其他零件误差也同样可以同时采用同的测量方法。
(三)GPS技术在公路工程中的应用
1.GPS线路控制测量中的应用
在测量设计工作中，为了有效地限制测量误差的持续积累和传播，使分区和勘测基础设施的准确性足以形成一个整体，以限制在工程设计中披露连续、连续、有效的累积勘测，或全球区域勘测的建设和扩展使用时，要遵循细分调查工作设计的基本原则，即’全部’。对于现场来说，有必要遵循”从整体到局部,先控制后碎部”的基本原则来实现技术状态。测量设计的控制基准在测量区域内广泛选取，直接控制若干墙体的主要测量点和某一墙体的几何尺寸，平整地确定测量框架的基本设计区域，用精确科学的相对测量手段和数学分析方法，在统一的测量点体系中定型后，要确定墙体点的表面坐标和高程，这是发挥作用的主要依据，来直接测定一定高度范围内其他墙体地面施工点的测量点位或者直接进行墙体施工测量放样,或者直接进行其他点的测量设计工作。
线路控制网络工程延伸长度曲线测量管理系统控制网络中的线路网络化建设也具有其自身的技术发展趋势特点,由于目前采用线路控制网络工程延伸长度曲线测量管理系统控制线路中的联络网大多数控制网都经常是沿着该控制线路的实际工程延伸曲线长度沿着方向的来进行曲线布设,网的实际延伸曲线长度最大时有可能最远可以达到有数十公里,甚至上百公里,而线路控制器中网的实际延伸曲线宽度则则最大可能只有几公里,甚至最大可能远远不足几公里,因此,控制网总是经常用网呈狭长的一条白色带状沿着方向进行分布。采用这种基于常规微型天线自动测量方法或在室内布设这类狭小和长度的微型带状天线自动控制微型天线测量网时,由于其实际测量天线图形中的整体天线结构比较差,因此我们很难有效准确控制测量误差的长期持续性和累积。尤其多的原因是由于纵和方向运动控制系统误差往往很大,引起的的纵和横向运动控制系统误差不能完全达到其所满足的高和低精度运动控制系统要求。在测量采用传统联测网络测量测试国家重要干线控制网节点时,常规网络联网调试测量方法中通常因网络需要测量受到常规联网测量通视和网络联测运行距离的很大程度限制,不得不额外需要增加一些中间连接点和一些过渡点,增加了不少电网联测实际工作量的与此同时还很有可能甚至会严重直接影响测量国家重要控制点采用联网的测量实际工作总体量和测量结果精度。GPS不必再需要长期受通视与电子联测设备距离的太大范围限制,与其他同类常规民用电子联合测量控制设备产品相比较它同样具有非常明显的综合性能控制优势。
2.GPS技术在线路定测中的应用
运用GPSrtk这种线路技术设备用来进行线路专业化的线路专用坐标精准定测的操作方法其实真的非常简单,首先,将目前我国范围内业内的线路坐标设计师所负责计算的各线路线上待用检测坐标预定线节点的具体待测坐标,如待测线路中的加桩以及线路待用检测坐标曲线上的线路主点、桥位等的待测坐标等均加上为桩,将这些待测线路上的待用检测坐标预定线节点的具体待测坐标和所加上的桩测量数据以及沿线的各线路控制线节点上的坐标加桩数据进行实时化地传送到并安装到运用rtk技术设备上的线路专用坐标检测操作手簿中。利用这些无线测量仪的数据,可以实时在现场自动定线器上进行远程自动定线和高精度度的测量。目前许多大型企业GPS坐标放样装备生产厂家所认为需要设计生产的各种gprtk坐标放样预计设备,除了认为需要配备具有直角圆锥坐标曲线精准放样装备设计基本功能外,一般还认为需要配备具有直角圆锥坐标直线反射坐标协同放样,圆锥和直角曲线反射坐标协同放样等多种设计功能,因此如果我们能够知道了这些圆锥曲线坐标放样装备设计中的基本参数也非常容易能快速准确开展现场设计定制曲线坐标放样设计工作。
然后按操作手册设置流体位置。在完成流动站数据接收机制的配置工作后，参考站和每个流动站可以直接建立实时数据通信，构建出来一套相对完备的数据链,流动站就这样可以以厘米微秒级的检测精度直接进行实时数据采集和实时放样处理工作。一般实际情况下,山于农业工程中需要采用的流动坐标测量系统和诸如GPSr等测量不同坐标点的系统不一样,因此,在开始应用诸如GPSrtk等的流动联测站系统进行精确测量之前,还可能需要预先联测不多或少于两个目前已知的可控制联测点,用于精确计算测量坐标系统转换器的参数,以便及时进行测量坐标系统的精确转换。
应用介绍GPSrtk这种技术对车进行流动线路放样定测的具体工作流程相对来说也还是比较轻松的,流动定测站点的作业技术人员只要你需要在放样定测模式中手动调岀每个放样点上的坐标,手簿电脑中的定测软件就可以会自动正确引导你的车到达需要放样的地点。
3.GPS技术在地形测量中的应用
GPSrtk无线技术与其他传统无线测量地图控制方法技术相比,还有一个重大优势,那就是不用再需要事先规划布设无线控制联络网,只要在无线测量地区或测点临近需要测量地区天线范围内的所有电源可以直接架设在srtk基准站的无线控制网地点就完全可以了。目前，GPSrtk参考站所覆盖的区域通常远在半径10公里以内。换句话说，在一个中心位置，在测量精度半径为10公里的范围内有一个测量参考站，一个地面GPSrtk站不仅有助于同时自由流通广泛的地形数据，而且还能以几乎相同的精度进行厘米和秒的测量，这两点是其他传统地形测量方法无法做到的，同时也无法比较。
应用各种GPSrtk等等技术进行采集立体地形测量数据时,一般情况需要与应用自动化成人测量地图测量软件相互的配合,目前国内有许多应用自动化成人测量地图测量软件都已经基本开通了应用GPS地图数据采集接口,GPS地图测量软件数据接口可以直接通过导入专用成人地图处理软件,经多次编辑后即可生成所有您需要的立体地形图。
(四)GPS在桥梁隧道工程中的应用
1.GPS在大桥控制测量中的应用
应用了GPS等相关技术后在考虑建立不同国际主要大桥上的桥梁自动控制系统坐标系联网时,通常都会需要考虑采用固定国际桥梁控制坐标系和轴线图的方法论来建立国际桥梁控制坐标系。具体做法一般认为是,联测或者以联网分别假定连在一个桥梁上的只有两个主轴的假定直线上的一个连有桥梁假定控制线各点点分别作为网的假定控制基准,以联网假定连在桥梁上上有主桥的假定轴线各点分别作为假定桥梁网上x的假定主轴,并以假定桥梁网上x的假定主轴各点分别作为桥梁GPS网的假定控制尺度点和方位网的假定直线长度方位点和尺度测量基准,网的假定直线方位尺度点和方位测量基准则由高中低中等精度桥梁直线方位测距仪通过直线测量假定桥梁上有主桥的假定轴线两端控制点与桥梁控制点和网各点间的假定直线差距长度以及差距系数来对其进行基准确定。2.GPS在隧道控制测量中的应用
隧道的准确进行完成洞外贯通电流工作一直是我国电网建设隧道干线建设工程中最重要的一个技术环节,而我国电网干线隧道建设工程工作能否顺利又准确的进行完成洞外贯通,在很多一大部的程度上与我国电网建设隧道中的洞外贯通电流自动控制对我国电网的隧道工作运行精度性能要求较高有关。隧道贯通洞口内外力的自动控制和地下电网的控制工作运行精度对地下两侧的多层相向道路隧道贯通开挖和地面在相向隧道贯通横向上的工作准确性和隧道贯通运行速度都具有直接性的重要影响。应用高速公路GPS洞外贯通工程技术手段进行综合布设高速公路隧道洞外贯通安全控制系统贯通网,可以有效率地免去点与中间过渡所在点之间安全控制通视上的复杂技术要求,也完全可以不用无需再费心去考虑布设中间过渡点和其他过渡点,这样也就完全可以有效率地实现在低成本设备安装费用、短期长设备安装工期的必要条件情况下就有可能真正达到高速低洞小精度安全控制贯通的工程技术建设目的。
为保证每条道路的GPS隧道自动观测的准确性，应尽量采用标准的静态同步观测隧道对应一个隧道的GPS，每个隧道观测周期的平均速度应不低于2小时的观测，每侧的基础隧道至少应应该是：两个小时的同时观察。为了有效减少两根天线不同相位中心的角度偏差对两根输入线方位角的直接影响，在每次观测前应检测一次两根天线不同相位中心的角度偏差和峰值大小。为了有效避免多重扼流效应，应充分参考到天线的使用条件，尽量避免使用扼流圈天线。数据处理软件能够处理来自市面上的通用处理软件的数据。隧道中心的GPS坐标管理系统网络收集的坐标数据用于隧道内的坐标解析，这通常需要一个隧道坐标计算系统来计算隧道中心节点的子午线，通过隧道中心轴的平均平面和高程平面通常用作投影平面。
三、解决GPS高程问题的方法研究
(一)高程系统
1.大地高系统
大地高高度系统指的是以大地参考椭球面为测量基准面的一种高程测量系统,地面一点的高沿大地的标高为位于地面另一点的高沿通过位于该基准点的参考椭圆半球面乘法对角线圈所到达的参考椭球面的平均距离。GPS高度测量所需要获得的三维高程坐标结果是基于一个wgs-84椭圆半球的三维坐标,所以此处所需要讨论的半球高程坐标是基于椭圆半球WGS-84的坐标测地高度。由于对天地高度的物理定义也是众所周知的，它们只是一个量，不一定有真正的物理应用。高程大地坐标是基本大地坐标的重要组成部分，与整个低空大地坐标系统密切相关。对于为不同位置定义的特定大地测量参考系,也可能会直接构成不同的具体大地高高度系统,同一点在不同的大地基准条件下有不同的具体大地坐标高程。
2.正高系统
正高测量系统指的是以一个大地水准面起点作为测量基准面的一种高程测量系统,地面上一点a的正高系统定义公式为由一个地面的起点朝向a一边沿着地铅垂直直线长的方向延伸到达的大地水准面的平均距离。正高斯数具有明确的数学物理象征意义。
3.正常高系统
由于正高实际上已经完全无法精确性地进行正高求定,因此我们可以直接考虑根据需要直接使用高大地测量观测的常规地球物理系统。传统的高精度大地测量观测地球物理系统的主要原则是以合理的强化大地测量水平作为新的高精度大地测量观测地球物理系统的主要观测地球物理数据。
(二)高程基准
1.高程基准面
为了在目前为止全国各地和省区市范围内初步研究建立统一的和实际线路总高程观测计算基准系统,必须先要初步研究确定一个和实际线路总高程观测起算点的基准面,即每个和线地面实际观测起算点和实际线路总高程的平均实际观测起算面为基准面。因为由整个地球内陆大地水准面及其大地包裹面的连接处所形成的整个地球内陆大地体与其在整个地球上的几何形体最为紧密并且接近,因此通常都会选用这种地球大地水准面上的包裹作为其最高紧密程度的大地基准面。
2.水准原点
国家级高程检测基准面可以长期稳定，便于用水准控制网进行测量，全国各地通常都建立国家级高程检测基准面，每个验潮站附近都应建立一个坚实、可靠的、可长期使用的、保持原点高程检测稳定的基准面。精密高程水准的计算方法有助于确定当前国家高程基准面原点与当前国家高程基准面之间的低高差,并以此处的高程高差来辅助推算目前全国各地的水准高程。
一般每个发达国家都可能需要每年重新设置一个国家水准质量指标参考原点信息网,由国家水准指标主点、附点和国际水准指标参考点三个部分组成。为了有效率地保证精密水平国家标准规定使用水准精密高程测定原点网对精密高程的准确测定性和可靠性,国家标准规定使用水准精密高程测定原点网必须用精密水准国家规定水准测量测定系统进行测定。我国的黑色地质基层水准质量检测中心原点建设网点主要是直接建在青岛观象山,其他的检测网点都主要是直接建设在黑色砂质基层地壳稳定,质地坚硬的黑色砂质基层花岗岩上。有一个次要电子主点、两个主要电子附点、三个主要电子参考点共六个主要参考点由其综合组成。
(三)GPS高程拟合的原理及误差来源
与地球卫星运行有关的时间误差,主要因素包括卫星日历误差、卫星时钟误差和一般相对论误差的影响。
信号对流传播延迟误差：主要是信号电离层效应延迟、信号对流第一层效应延迟和多径延迟效应等，电离层效应延迟和信号对流第一层效应延迟误差可采用天线建模技术进行修正，而多径延迟效应误差可采用带扼流圈的射频天线芯片进行改善;
接收设备和天线数据处理的精度误差：天线接收设备的精度误差主要包括天线量子平移的精度误差、天线量子相位点中心处的精度误差和那些由天线量子引起的误差天线精度取值高于误差，天线数据处理中的精度误差主要体现在天线星历上，对天线的三维坐标有直接影响。和天线数据处理时，选择天线模型，直接影响精度误差。
精密数据处理星历误差模型可以通过直接在线下载精密数据星历来解决，但由在线接收的仪器误差引起的星历误差模型明显在数据处理操作过程中经过多次精密测试，具有一定的精密数据处理的工作经验，当然也要通过严格的对位进行调平，以减少误差的影响，也同样可以有效的大大降低了因数据处理误差模型错误引起的星历误差。
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