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摘要：在测量领域，GPS系统已广泛用于工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以开封市的省公路路网项目为例，概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用。
关键词：GPS定位系统；公路工程；测量；应用
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
1.GPS系统的组成
GPS系统包括３大部分：（１）空间部分，为GPS卫星；（２）控制部分，为地面监控系统；（３）用户部分，为GPS信号接收机。
（１）GPS卫星
使用２４颗高度约2.02万ｋｍ的卫星组成卫星星座。２４颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11.97ｈ，分布在６个轨道面上，轨道倾角为55°。在任何地方、任何时间都可观测到４颗以上的卫星，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
（２）地面监控系统
GPS 的地面控制系统包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站， 主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。 注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
（３）GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是：捕获卫星的信号，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间等参数。
GPS的工作概念是基于卫星的距离修正。用户通过测量到太空各可视卫星的距离来计算他们的当前位置，卫星的位置相当于精确的已知参考点。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度就可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集到至少４颗卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间。
根据算法模型，GPS系统设计了静态、快速静态以及RTK（实时动态）等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK测量以其快速实时、厘米级精度等特点，广泛应用于数据采集（如碎部测量）与工程放样中，RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。
2. GPS技术在公路工程测量中的应用前景
随着我国国民经济的快速增长，高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求。随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现ＣＡＤ化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测网，为勘测阶段测绘带状地形图，路线平面、纵面、横断面测量提供依据；在施工阶段为桥梁，隧道建立施工控制网。这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段。其实，公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在公路工程中的应用，有着非常广阔的前景。
3.RTK技术在公路工程测量中的应用
3.1实时动态（RTK）定位技术简介实时动态（RTK）定位系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证。其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。
3.2应用
实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式。两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集。
（１）快速静态定位模式。要求GPS接收机在每一流动站上，静止地进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。其一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量），受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。其单点定位只需要５～10min（随着技术的不断发展，定位时间还会缩短），不及静态测量所需时间的1／5，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
（２）动态定位。测量前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需２～10s）进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。
动态定位模式在公路勘测和施工放样中应用广泛，可以完成地形图测绘、中桩和地面高程测量、横断面测量等工作。其测量时间仅２～４ｓ，精度就可以达到１～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点。
3.3RTK技术的优点
（１）实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）。
（２）只要基础数据正确，可彻底摆脱由于粗差造成的返工。
（３）作业效率高，每个放样点只需要停留１～2s，流动站小组作业，每小组（３～４人）可完成中线测量５～10km，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。
（４）在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
（５）应用范围广，可以涵盖公路测量（包括平、纵、横）、施工放样、监理、竣工测量、养护测量、GIS前端数据采集诸多方面。
（６）如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。
4.结语
GPS技术在公路勘测和施工放樣中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率。传统的测量和放样手段将随GPS技术的发展而逐步淘汰，实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理等方面有着广阔的应用前景。
关键词：GPS定位系统；公路工程；测量；应用
中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：
1.GPS系统的组成
GPS系统包括３大部分：（１）空间部分，为GPS卫星；（２）控制部分，为地面监控系统；（３）用户部分，为GPS信号接收机。
（１）GPS卫星
使用２４颗高度约2.02万ｋｍ的卫星组成卫星星座。２４颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11.97ｈ，分布在６个轨道面上，轨道倾角为55°。在任何地方、任何时间都可观测到４颗以上的卫星，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
（２）地面监控系统
GPS 的地面控制系统包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站， 主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。 注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。
（３）GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是：捕获卫星的信号，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间等参数。
GPS的工作概念是基于卫星的距离修正。用户通过测量到太空各可视卫星的距离来计算他们的当前位置，卫星的位置相当于精确的已知参考点。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度就可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集到至少４颗卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度和时间。
根据算法模型，GPS系统设计了静态、快速静态以及RTK（实时动态）等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK测量以其快速实时、厘米级精度等特点，广泛应用于数据采集（如碎部测量）与工程放样中，RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。
2. GPS技术在公路工程测量中的应用前景
随着我国国民经济的快速增长，高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求。随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现ＣＡＤ化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测网，为勘测阶段测绘带状地形图，路线平面、纵面、横断面测量提供依据；在施工阶段为桥梁，隧道建立施工控制网。这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段。其实，公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在公路工程中的应用，有着非常广阔的前景。
3.RTK技术在公路工程测量中的应用
3.1实时动态（RTK）定位技术简介实时动态（RTK）定位系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证。其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。
3.2应用
实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式。两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集。
（１）快速静态定位模式。要求GPS接收机在每一流动站上，静止地进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。其一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量），受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。其单点定位只需要５～10min（随着技术的不断发展，定位时间还会缩短），不及静态测量所需时间的1／5，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
（２）动态定位。测量前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需２～10s）进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。
动态定位模式在公路勘测和施工放样中应用广泛，可以完成地形图测绘、中桩和地面高程测量、横断面测量等工作。其测量时间仅２～４ｓ，精度就可以达到１～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可比拟的优点。
3.3RTK技术的优点
（１）实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）。
（２）只要基础数据正确，可彻底摆脱由于粗差造成的返工。
（３）作业效率高，每个放样点只需要停留１～2s，流动站小组作业，每小组（３～４人）可完成中线测量５～10km，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。
（４）在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
（５）应用范围广，可以涵盖公路测量（包括平、纵、横）、施工放样、监理、竣工测量、养护测量、GIS前端数据采集诸多方面。
（６）如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。
4.结语
GPS技术在公路勘测和施工放樣中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率。传统的测量和放样手段将随GPS技术的发展而逐步淘汰，实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理等方面有着广阔的应用前景。