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摘 要：GPS作为一项高新技术,具有全天候、高精度、 速度快等显著特点，在建筑、交通运输等许多行业中得到了广泛的应用。本文简述了GPS测量技术的发展状态，介绍了GPS测量用于道路测设中的控制测量、路线桩点实时放样测量，通过利用GPS进行高程测量结果与水准测量结果进行对比分析，最后对GPS测量作出了总结。
关键词：GPS；静态观测；RTK道路测量
中图分类号:P228.4 文件标识码:A
Application of GPS-RTK Technique to construction Setting out of Road
DUAN Zhi-Biao，ZHU Shao-Peng
(1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Hubei Wuhan 430079；2.The Management Committee of the New Area in Eastern Zhengzhou，Henan Zhengzhou 450052；3 .Anyang Zhongdi Survey & Design Institute Co.,Ltd，Henan Anyang 455000)
Key words: GPS；static observation；RTK highway surveying
随着国家经济建设的飞速发展,道路建设工程越来越多，道路测设的速度、精确度就显得尤为重要，传统上一般用全站仪或经纬仪进行控制测量和桩点放样[1]。随着全球卫星定位技术(Global Positioning System缩写GPS)的飞速发展,它以高效率、高精度等优点在道路工程上也开始应用。目前GPS实时动态定位技术（RTK测量模式），更是以实时、快速、操作简单而越来越受到测绘部门的青睐。
1 GPS卫星定位技术和RTK技术
GPS是美国于1994年建成的具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，已成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，给测绘领域带来一场深刻的技术革命[2]。
按目前的方案，GPS的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。卫星运行轨道均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度，使得全球任何地方、任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP），从而提供了在时间上连续的全球导航能力[2]。
GPS实时动态测量（RTK）,又称载波相位差分技术，简称RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的差分方法。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。具体作业方法是设置GPS基准站一台，并将一些必要的数据，如坐标系转换参数、预设精度指标、基准站坐标等输入GPS手薄，一台或多台GPS流动站在若干个待测点上设站；基准站与流动站同时接收卫星信号,同时基准站通过电台将其观测值和设站信息一起传送给流动站；流动站将接收到的来自基准站的数据及GPS观测数据，组成差分观测值进行实时处理 。
2 在道路测量中的应用
在郑东新区150平方公里规划范围内，有二百多条道路需要测设，以龙子湖外环路为例，该道路总长约17公里，成环型。
2.1仪器检测
本次检测采用五台Trimble-5700双频GPS接收机，开始观测前对仪器进行了短基线检测，首先在地势平坦的水泥地面上用钢尺量测一个边长在3米内的三角形，任意选用3台GPS接收机架设在三角形的三个角上，观测时间为60分钟(共抽取3组)。其观测结果如表1：
观测时，GPS接收机各项性能良好，由上表数据显示检测结果达到仪器的标称精度。
2.2 GPS控制数据采集
总参控制经过实地寻找，找出了能够使用的3个高等级控制点，其中国家测绘局Ⅱ等点1个。总参控制点2个。根据现场情况和方便使用的原则，也为提高控制网测设质量，布设五组（每组两个点）E级GPS控制点，采用GPS沿控制范围每隔约2km作一对GPS点，这一对点应保证足够的水平通视距离。网型布设见图1（部分）。
（1）选用3台双频GPS接收机，标称精度±（5mm+1ppm×D），进行同步观测，有效观测卫星数≥6颗，绝大多数时间7-8颗，时段中任一卫星有效观测时间≥20分钟，时段长度≥90分钟，在和已知三角点联测时，时间延长为120分钟，观测时间都在白天进行。PDOP≤6，卫星高度角≥150，数据采集间隔15秒， L1，L2双频采集。（2）天线量高都使用特制的测高尺，测前测后各量一次，两次互差不大于3mm,取中数为最后天线高，取位0.001米。（3）全网重复设站率达到58％，各测站数据剔除均小于10％，数据采集的质量很好。
经过平差处理，控制网精度为：最弱点位中误差1.93cm，最弱边长相对中误差1/113000，满足了平面控制测量的精度要求。
下面列出GPS静态测量和常规距离测量的比较结果。边长比较结果如表2。
通过实际测量可看出：
(1)GPS观测时间与常规红外仪测量相比，时间缩短了约20min，效率为4倍；与全站仪测量相比，时间缩短约8min，效率为2倍。(2)GPS导线测量可靠性好，平面精度能满足道路测设的要求。
2.3GPS-RTK用于道路路线桩点实时放样
控制网完成后，就利用GPS自身所带的道路设计模块（不加密）Road Link，对该路线进行设计，在进行设计时，首先给出所有起点、所有交点的坐标，然后选择线路的类型，给出曲线的半径，软件自动计算出曲线长度。另外基准站的选取应离待放样点位尽可能近，并且地势要较高，便于电台信号的接收与传输。为了使所测点达到厘米级精度需进行三参数校正,即在仪器中键入4个（最少3个）控制点，且控制点最好分布在待放样点周围。然后即可对道路路线上的点进行放样。
2.4GPS测量用于高程控制测量的应用
高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统是以椭球面为基准的高程系统。正高系统是以大地水准面为基准的高程系统。
由于正高实际上是无法严格确定的，为实用上的方便，通常采用根据前苏联大地测量学者莫洛金斯基的理论建立的正常高系统。
计算正常高的精度，主要取决于大地高差和高程异常的精度，而其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。表3
GPS测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。
从表3中可看出，误差呈现出偶然性，最大偏差+0.060m，最小偏差-0.006m。误差的平均值为-0.043m。把精密水准当作误差很小看待，则GPS高程的中误差为±0.039m。
由成果可知，只要点位分布均匀，密度适中，将精密水准资料与GPS测量资料相结合，能够得到高精度的高程测量结果。
3 结束语
3.1应用GPS卫星定位技术施测控制面积大、等级高的控制网，效率高、精度高，不受距离限制，一般不受天气状况的影响，可以全天候作业。
3.2利用GPS-RTK技术放样时,其精度满足相关技术要求,速度快,效率高,大大降低了作业人员的劳动强度。但有浓密遮挡物时,其接收卫星及基准站电台信号会受到极大的影响,这在某种程度上制约了其广泛应用。
3.3在高差异常变化较缓慢，无较大起伏变化，其形状可视为平面的地区，采用联测已知的水准点进行GPS高程拟合计算，GPS高程拟合成果可达到四等水准的精度。
参考文献:
[1]孔祥元，梅是义.《控制测量学》[M],武汉测绘科技大学出版社,1996.
[2]徐绍铨,张华海等.《GPS测量原理及应用》[M],武汉大学出版社,1998.
[3]段志彪,GPS-RTK技术在建筑轴线放样中的应用[J],河南科技大学(自然科学版),2006,(1):48-50.
[4]李朝阳,陈龙珠,陈进杰.基于GPS-RTK技术定测铁路新线的应用探讨[J].测绘通报,2005,(1):42-43.
[5]段志彪,赵振强.河道断面图控制桩点测设及误差分析[J],吉林水利,2007,(7):13-15.
[6]段志彪.铜陵市D级GPS网的建立与精度分析[J],黄河水利职业技术学院学报,2005,(1):26-28+51.
关键词：GPS；静态观测；RTK道路测量
中图分类号:P228.4 文件标识码:A
Application of GPS-RTK Technique to construction Setting out of Road
DUAN Zhi-Biao，ZHU Shao-Peng
(1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Hubei Wuhan 430079；2.The Management Committee of the New Area in Eastern Zhengzhou，Henan Zhengzhou 450052；3 .Anyang Zhongdi Survey & Design Institute Co.,Ltd，Henan Anyang 455000)
Key words: GPS；static observation；RTK highway surveying
随着国家经济建设的飞速发展,道路建设工程越来越多，道路测设的速度、精确度就显得尤为重要，传统上一般用全站仪或经纬仪进行控制测量和桩点放样[1]。随着全球卫星定位技术(Global Positioning System缩写GPS)的飞速发展,它以高效率、高精度等优点在道路工程上也开始应用。目前GPS实时动态定位技术（RTK测量模式），更是以实时、快速、操作简单而越来越受到测绘部门的青睐。
1 GPS卫星定位技术和RTK技术
GPS是美国于1994年建成的具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，已成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，给测绘领域带来一场深刻的技术革命[2]。
按目前的方案，GPS的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。卫星运行轨道均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度，使得全球任何地方、任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP），从而提供了在时间上连续的全球导航能力[2]。
GPS实时动态测量（RTK）,又称载波相位差分技术，简称RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的差分方法。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。具体作业方法是设置GPS基准站一台，并将一些必要的数据，如坐标系转换参数、预设精度指标、基准站坐标等输入GPS手薄，一台或多台GPS流动站在若干个待测点上设站；基准站与流动站同时接收卫星信号,同时基准站通过电台将其观测值和设站信息一起传送给流动站；流动站将接收到的来自基准站的数据及GPS观测数据，组成差分观测值进行实时处理 。
2 在道路测量中的应用
在郑东新区150平方公里规划范围内，有二百多条道路需要测设，以龙子湖外环路为例，该道路总长约17公里，成环型。
2.1仪器检测
本次检测采用五台Trimble-5700双频GPS接收机，开始观测前对仪器进行了短基线检测，首先在地势平坦的水泥地面上用钢尺量测一个边长在3米内的三角形，任意选用3台GPS接收机架设在三角形的三个角上，观测时间为60分钟(共抽取3组)。其观测结果如表1：
观测时，GPS接收机各项性能良好，由上表数据显示检测结果达到仪器的标称精度。
2.2 GPS控制数据采集
总参控制经过实地寻找，找出了能够使用的3个高等级控制点，其中国家测绘局Ⅱ等点1个。总参控制点2个。根据现场情况和方便使用的原则，也为提高控制网测设质量，布设五组（每组两个点）E级GPS控制点，采用GPS沿控制范围每隔约2km作一对GPS点，这一对点应保证足够的水平通视距离。网型布设见图1（部分）。
（1）选用3台双频GPS接收机，标称精度±（5mm+1ppm×D），进行同步观测，有效观测卫星数≥6颗，绝大多数时间7-8颗，时段中任一卫星有效观测时间≥20分钟，时段长度≥90分钟，在和已知三角点联测时，时间延长为120分钟，观测时间都在白天进行。PDOP≤6，卫星高度角≥150，数据采集间隔15秒， L1，L2双频采集。（2）天线量高都使用特制的测高尺，测前测后各量一次，两次互差不大于3mm,取中数为最后天线高，取位0.001米。（3）全网重复设站率达到58％，各测站数据剔除均小于10％，数据采集的质量很好。
经过平差处理，控制网精度为：最弱点位中误差1.93cm，最弱边长相对中误差1/113000，满足了平面控制测量的精度要求。
下面列出GPS静态测量和常规距离测量的比较结果。边长比较结果如表2。
通过实际测量可看出：
(1)GPS观测时间与常规红外仪测量相比，时间缩短了约20min，效率为4倍；与全站仪测量相比，时间缩短约8min，效率为2倍。(2)GPS导线测量可靠性好，平面精度能满足道路测设的要求。
2.3GPS-RTK用于道路路线桩点实时放样
控制网完成后，就利用GPS自身所带的道路设计模块（不加密）Road Link，对该路线进行设计，在进行设计时，首先给出所有起点、所有交点的坐标，然后选择线路的类型，给出曲线的半径，软件自动计算出曲线长度。另外基准站的选取应离待放样点位尽可能近，并且地势要较高，便于电台信号的接收与传输。为了使所测点达到厘米级精度需进行三参数校正,即在仪器中键入4个（最少3个）控制点，且控制点最好分布在待放样点周围。然后即可对道路路线上的点进行放样。
2.4GPS测量用于高程控制测量的应用
高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统是以椭球面为基准的高程系统。正高系统是以大地水准面为基准的高程系统。
由于正高实际上是无法严格确定的，为实用上的方便，通常采用根据前苏联大地测量学者莫洛金斯基的理论建立的正常高系统。
计算正常高的精度，主要取决于大地高差和高程异常的精度，而其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。表3
GPS测量资料与水准测量资料相结合，来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当，分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差，并根据建立的适当大地水准面数学模型，内插出计算点的高程异常或异常差，从而得出特定点的正常高。
从表3中可看出，误差呈现出偶然性，最大偏差+0.060m，最小偏差-0.006m。误差的平均值为-0.043m。把精密水准当作误差很小看待，则GPS高程的中误差为±0.039m。
由成果可知，只要点位分布均匀，密度适中，将精密水准资料与GPS测量资料相结合，能够得到高精度的高程测量结果。
3 结束语
3.1应用GPS卫星定位技术施测控制面积大、等级高的控制网，效率高、精度高，不受距离限制，一般不受天气状况的影响，可以全天候作业。
3.2利用GPS-RTK技术放样时,其精度满足相关技术要求,速度快,效率高,大大降低了作业人员的劳动强度。但有浓密遮挡物时,其接收卫星及基准站电台信号会受到极大的影响,这在某种程度上制约了其广泛应用。
3.3在高差异常变化较缓慢，无较大起伏变化，其形状可视为平面的地区，采用联测已知的水准点进行GPS高程拟合计算，GPS高程拟合成果可达到四等水准的精度。
参考文献:
[1]孔祥元，梅是义.《控制测量学》[M],武汉测绘科技大学出版社,1996.
[2]徐绍铨,张华海等.《GPS测量原理及应用》[M],武汉大学出版社,1998.
[3]段志彪,GPS-RTK技术在建筑轴线放样中的应用[J],河南科技大学(自然科学版),2006,(1):48-50.
[4]李朝阳,陈龙珠,陈进杰.基于GPS-RTK技术定测铁路新线的应用探讨[J].测绘通报,2005,(1):42-43.
[5]段志彪,赵振强.河道断面图控制桩点测设及误差分析[J],吉林水利,2007,(7):13-15.
[6]段志彪.铜陵市D级GPS网的建立与精度分析[J],黄河水利职业技术学院学报,2005,(1):26-28+51.