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[摘要]GPS在公路交通过程中的快速测量方法被越来越多的国家掌握和使用，主要介绍道路工程中采用GPS快速测量方法的基本测量模式，并阐述GPS卫星基本测试的主要应用内容。
[关键词]GPS 快速测量 道路工程
中图分类号：TB2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320107－01
一、交通道路GPS快速测量的基本测量模式
为实现差分测量，交通道路GPS快速测量是利用车载GPS接收机构成流动站，在野外采集交通道路轨迹及附属物的位置信息等，同时在适当的位置设置基准站，与流动站同步观测GPS信号，然后经差分数据处理后加载其他附属信息构成交通道路测量数据。
（一）“自由基准站”测量模式。这种方式是利用测量区内已有的GPS跟踪站观测数据，可以在半径为150公里范围内将GPS接收机设置在方便，无遮挡，无较强干扰的任意点上作为基准站。其特点是：充分利用已有资源，不必事先建立或联测基准点。
目前，我国设置了七个GPS跟踪站，昼夜不停地采集GPS数据，所以在这些地区可以在离GPS跟踪站150公里范围内采用“自由基准站模式”。为了使基准站的数据更加可靠，自由基准站最好建在离GPS跟踪站50公里范围内。
（二）“双基准站”测量模式。这种方法与“自由基准站”测量模式相似，将两台GPS接收机置于国家高等级制点上（含GPS A.B级网点），可直接作为基准站，也可在道路附近自由设基准站，以扩大其工作范围。“双基准站”测量模式由于采用两个基准站，使得测t数据更加稳定可靠。在离GPS跟踪站、GPS A.B级网点等已知点较远和卫星信号较差的地区比较适合。
在我国西部地区GPS.B级网点密度较稀，平均点间距离150公里以上，测量时应该先用静态相对定位方法加密一定数量基准站点，然后可以采用双基准站测量模式。
（三）“单基准站”测量模式。事先在公路附近选取基准站，并在数据采集前采用静态测量方法将其与国家GPS A.B级网点相联测（GPS A.B级网点可直接作为基准站）。
在我国中部地区和西部地区，当GPS卫星接收状况良好时，也可以采用单基准站测量模式。
（四）基准站的建立。
1．在测区范围内（含周边50公里范围）查找GPS A.B级网点资料，最好以GPS A.B级网点直接作为基准站。我国现有GPS B级网点756个，点位绝大部分选在交通方便及城镇附近便于到达的地方。如前所述，在沿海经济发达地区，平均点间距离为50-70km；中部地区平均点间距离为l00km左右；最少的西部地区平均点间距离仍为150km。由于GPS A.B级网点完全能满足测量时对基准站的要求，所以要尽量选取GPS A.B级网点作为基准站，这样既减少了建基准站的工作量也减少了因联测三角点需要进行坐标转换等工序，同时也能提高基准站的点位精度。
2．采用静态测量模式，在测区内建立一定数量的基准站。自建的基准站一定要和已知的大地坐标点进行联测，以保证其点位精度。
3．建立基准站时，要注意选点。要求四周开阔、无遮挡、避免多路径效应、交通方便等，以利于GPS观测，且坐标精度优于少干扰、避0.5m。
二、GPS测量法的基本测量
（一）伪距测量。伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出的到四颗以上GPS卫星伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以电磁波传播速度所得出的测量距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离ρ′与卫星到接收机的几何距离ρ有一定差值，因此一般称测量出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m），但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本的方法。同时，所测伪距又可以作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。
测定自相关系数R（τ′）的工作由接收机锁相环路的相关器和积分器来完成。由卫星钟控制的测距码a（t）在GPS时间t时刻自卫星天线发出，经传播延迟t达到GPS接收机，接收机所接收到的信号为a（t-τ）。由接收机控制的本地码发生器产生一个与卫星传播相同的本地码a′（t-Δt），Δt为接收机钟与卫星钟的钟差。经过码移位电路将本地码延迟τ′，送至相关器与所接收到的卫星发播信号进行相关运算，经过积分器后，即可得到自相关系数R（τ′）输出：
调整本地码延迟τ′，可使相关输出达到最大值。
R(t)=Rmax(t)
t-τ=t十△t-τ'
可得：
τ′=t+△t+nT
ρ′=ρ+c△t+nλ
式中ρ′为伪距测量值，ρ为卫星至接收机的几何距离，T为测距码的周期，λ=cT为相应测距码的波长，n=0,1,2,…是正整数，c为信号传播速度。
利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。这一方法的最大优点是抗干扰能力强、解算速度快。
（二）载波相位测量。利用测距码进行伪距测量，如果观测精度取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言测量精度为30cm，对C/A码而言为3m左右。而如果把载波作为测量信号，由于载波的波长短，λL1=19cm，λL2=24cm，所以就可达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为1-2mm，有的精度更高。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。
载波相位测量的观测量是GPS接收机的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接收到的j卫星载波信号的相位值， 表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所提取的相位观测量可写为：
通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位测量值。
三、结语
由于GPS测量全天候、低成本的特点。而且现有的动态测量方法就能达到和遥感测量相当的精度。如果能够充分利用国家GPS A.B级网点作为基准点进行测量，就能有效提高现有资源的利用率，降低测量成本。
参考文献：
[1]张宝峰、叶声华、许智钦等，GPS在交通道路测量中的应用，计量学报，2002(2).
[2]丁敬祥，GPS在道路测量中的应用，湖南交通科技，2001(2).
[3]詹海玲，浅谈全球定位系统（GPS）在现代交通工程领域的应用，广东科技，2003(4).
[4]张新建，全球定位系统（GPS）在公路测量中的应用，交通科技，2001(5).
作者简介：
张浩，男，在读硕士，实验工程师，在湖南交通职院从事等实验教学、工程测量等工作。
[关键词]GPS 快速测量 道路工程
中图分类号：TB2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320107－01
一、交通道路GPS快速测量的基本测量模式
为实现差分测量，交通道路GPS快速测量是利用车载GPS接收机构成流动站，在野外采集交通道路轨迹及附属物的位置信息等，同时在适当的位置设置基准站，与流动站同步观测GPS信号，然后经差分数据处理后加载其他附属信息构成交通道路测量数据。
（一）“自由基准站”测量模式。这种方式是利用测量区内已有的GPS跟踪站观测数据，可以在半径为150公里范围内将GPS接收机设置在方便，无遮挡，无较强干扰的任意点上作为基准站。其特点是：充分利用已有资源，不必事先建立或联测基准点。
目前，我国设置了七个GPS跟踪站，昼夜不停地采集GPS数据，所以在这些地区可以在离GPS跟踪站150公里范围内采用“自由基准站模式”。为了使基准站的数据更加可靠，自由基准站最好建在离GPS跟踪站50公里范围内。
（二）“双基准站”测量模式。这种方法与“自由基准站”测量模式相似，将两台GPS接收机置于国家高等级制点上（含GPS A.B级网点），可直接作为基准站，也可在道路附近自由设基准站，以扩大其工作范围。“双基准站”测量模式由于采用两个基准站，使得测t数据更加稳定可靠。在离GPS跟踪站、GPS A.B级网点等已知点较远和卫星信号较差的地区比较适合。
在我国西部地区GPS.B级网点密度较稀，平均点间距离150公里以上，测量时应该先用静态相对定位方法加密一定数量基准站点，然后可以采用双基准站测量模式。
（三）“单基准站”测量模式。事先在公路附近选取基准站，并在数据采集前采用静态测量方法将其与国家GPS A.B级网点相联测（GPS A.B级网点可直接作为基准站）。
在我国中部地区和西部地区，当GPS卫星接收状况良好时，也可以采用单基准站测量模式。
（四）基准站的建立。
1．在测区范围内（含周边50公里范围）查找GPS A.B级网点资料，最好以GPS A.B级网点直接作为基准站。我国现有GPS B级网点756个，点位绝大部分选在交通方便及城镇附近便于到达的地方。如前所述，在沿海经济发达地区，平均点间距离为50-70km；中部地区平均点间距离为l00km左右；最少的西部地区平均点间距离仍为150km。由于GPS A.B级网点完全能满足测量时对基准站的要求，所以要尽量选取GPS A.B级网点作为基准站，这样既减少了建基准站的工作量也减少了因联测三角点需要进行坐标转换等工序，同时也能提高基准站的点位精度。
2．采用静态测量模式，在测区内建立一定数量的基准站。自建的基准站一定要和已知的大地坐标点进行联测，以保证其点位精度。
3．建立基准站时，要注意选点。要求四周开阔、无遮挡、避免多路径效应、交通方便等，以利于GPS观测，且坐标精度优于少干扰、避0.5m。
二、GPS测量法的基本测量
（一）伪距测量。伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出的到四颗以上GPS卫星伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以电磁波传播速度所得出的测量距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离ρ′与卫星到接收机的几何距离ρ有一定差值，因此一般称测量出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m），但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本的方法。同时，所测伪距又可以作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。
测定自相关系数R（τ′）的工作由接收机锁相环路的相关器和积分器来完成。由卫星钟控制的测距码a（t）在GPS时间t时刻自卫星天线发出，经传播延迟t达到GPS接收机，接收机所接收到的信号为a（t-τ）。由接收机控制的本地码发生器产生一个与卫星传播相同的本地码a′（t-Δt），Δt为接收机钟与卫星钟的钟差。经过码移位电路将本地码延迟τ′，送至相关器与所接收到的卫星发播信号进行相关运算，经过积分器后，即可得到自相关系数R（τ′）输出：
调整本地码延迟τ′，可使相关输出达到最大值。
R(t)=Rmax(t)
t-τ=t十△t-τ'
可得：
τ′=t+△t+nT
ρ′=ρ+c△t+nλ
式中ρ′为伪距测量值，ρ为卫星至接收机的几何距离，T为测距码的周期，λ=cT为相应测距码的波长，n=0,1,2,…是正整数，c为信号传播速度。
利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。这一方法的最大优点是抗干扰能力强、解算速度快。
（二）载波相位测量。利用测距码进行伪距测量，如果观测精度取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言测量精度为30cm，对C/A码而言为3m左右。而如果把载波作为测量信号，由于载波的波长短，λL1=19cm，λL2=24cm，所以就可达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为1-2mm，有的精度更高。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。
载波相位测量的观测量是GPS接收机的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接收到的j卫星载波信号的相位值， 表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所提取的相位观测量可写为：
通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位测量值。
三、结语
由于GPS测量全天候、低成本的特点。而且现有的动态测量方法就能达到和遥感测量相当的精度。如果能够充分利用国家GPS A.B级网点作为基准点进行测量，就能有效提高现有资源的利用率，降低测量成本。
参考文献：
[1]张宝峰、叶声华、许智钦等，GPS在交通道路测量中的应用，计量学报，2002(2).
[2]丁敬祥，GPS在道路测量中的应用，湖南交通科技，2001(2).
[3]詹海玲，浅谈全球定位系统（GPS）在现代交通工程领域的应用，广东科技，2003(4).
[4]张新建，全球定位系统（GPS）在公路测量中的应用，交通科技，2001(5).
作者简介：
张浩，男，在读硕士，实验工程师，在湖南交通职院从事等实验教学、工程测量等工作。