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【摘 要】本文介绍了全球定位系统GPS组成、工作原理和技术特点，分析其综合应用领域和部分方法，結合几个具体GPS在公路工程中的应用实例，阐述该技术在公路工程的广阔应用前景。
【关键词】GPS；公路工程；技术应用；实例
1 引言
随着科学技术高速发展和信息时代的来临，全球定位系统GPS已从最初的军事设施转向军用和民用，凭借其全球性、连续性、实时性和全天候等特点被广泛应用于各行各业，近年来在公路工程中展示着自己精密导航和定时定位功能。本文从GPS组成等简单介绍开始，综合描述其在公路工程各个分项之中的工作细节和优势，探讨介绍了几个具体工程应用实例。
2 GPS简介
2.1 GPS全球定位系统的组成
GPS系统主要组成部分为包括空间星座部分、用户设备部分和地面监控部分，三个组成部分各有各自的独立功能和作用，同时也是有机组合而成且缺一不可的整体化系统。空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，即所谓的(21+3)GPS星座，这些卫星均匀分布于6个轨道面上，各平面间成600交角。卫星轨道的运行周期是11小时58分钟，从而保证在任何地点、任何时间的地平线以上都可以接收4到11颗GPS卫星发出的信号。GPS的用户部分包括GPS接收机、用户设备如计算机、气象仪器等及相应的数据处理软件，接收GPS卫星发出的信号，通过信号进行定位导航。GPS的地面监控部分由一个主控站、五个监测站和三个信息注入站组成，主控站根据各监控站对GPS的观测数据来计算卫星的星历和卫星钟各项参数等，然后将这些数据用注入站注入到卫星中，并向卫星发布指令控制卫星；信息注入站将主控站计算的数据注入到卫星中；监控站用来接收卫星信号，同时监测卫星工作状态。在大西洋、美国本土、太平洋和印度洋都已经建立了GPS地面控制系统。在测量测绘领域，GPS定位装置引起体积小、重量轻而便于携带且技术指标精度高，已经为测量工程带来了极大的便利。
2.2 GPS的工作原理
GPS系统是采用距离交会法的一种卫星导航定位技术，通过GPS接收机接收某一时刻ti同时接收了三颗以上的GPS卫星所发出的导航信号，通过一系列数据计算和处理求出该时刻GPS接收机至GPS卫星的三相距离，同样根据接收卫星星历可得到该时刻GPS卫星三维坐标。使用距离交会法求得该点的三维坐标，最后用数学表达式换算得到结果，用空间固定的坐标系统或者用同地球体相固联的坐标系统进行表示。
2.3 GPS系统的技术特点
GPS测量比常规测量方法具有多项技术优势，主要体现在对地形无要求、对天气时间无严格要求、定位测量精度高、观测需要时间短、所得结果换算可得到直观的三维坐标形式且操作简便。
3 GPS在公路工程中应用技术
凭借高精度、全天候、和高效率等技术优势，GPS系统在公路工程领域得到了广泛的应用。从项目开工插旗、测绘地形图、测量纵横断面、放样施工、公路工程监理到变形观测结束，GPS系统发挥着及其重要的作用。
3.1 测绘地形图
传统方式在高等级公路测绘前，先要建立常规的控制网，然后使用全站仪或半站仪细部测量，进行内业处理后，绘制出大比例尺地形图，这样工作量大、速度慢而且花费较长的时间。GPS技术同全站仪结合和GPS系统同摄影测量学理论相结合的方式都更好的适应现代工程需要。GPS同全站仪结合测绘法采用GPS静态测设高等级控制点，然后使用全站仪进行测设细部点，此方法已被很多测绘单位使用。GPS技术与摄影测量学结合法则通过利用GPS技术对航测像点进行加密处理，对像片处理后，即可绘制地形图，此法周期较长，较适宜较大的测绘单位使用。
图1 GPS在公路测量中的应用
3.2 公路的中线放样
设计人员在上述地形图上定线，测绘人员中根据使用软件将中线坐标提取出来形成文件，然后导入至GPS接收机，接着进行中线放样，该过程高程度自动化，减少了人工操作的手工输入错误。
3.3 公路纵横断面测量
低等级公路可采用一定数量高等级的控制点，通过求解参数，进行现场纵断面测量，高等级公路就需要借助GPS系统定位，根据高程差精确计算确定控制点数据。
3.4 控制测量
公路工程通过高程控制网和平面控制网进行施工控制，通过精密的GPS静态测量方法建立平面控制网，根据公路工程的特点按照规范规定的四个等级进行分类控制，高程控制网使用静态作业模式，采用多种数值计算方法，使得GPS精度达到四等测量水准即可。
3.5 施工放样
GPS通过移动站存储所需放样数据，快捷、方便且精确的描绘施工测量直线、中点和曲线，由于各个点位测量的独立性，不存在累积误差，使得各点放样精度趋向于一致。
3.6 公路工程监理
监理部门使用GPS对控制点的稳定性、正确性和放样点的正确性等公路施工建设过程中的各项测量工作进行检查，保证公路工程的工程质量和工期。
3.7 变形观测
施工前、过程中及工程完成都需要对公路进行精密且连续的参数监测，保障人民生命财产的安全，GPS对变形的监测网可以控制到毫米级的精度。采用有线或无线数据传输技术，通过连续的自动监测，实时自动传送监测数据至监测数据处理中心，通过数据分析、处理和显示来进行变形预测。已有工程实践和相关科研数据表明，长期的GPS系统监测可采用Kalman滤波兰差法来实现毫米级精度。随着GPS动态变形监测能力的发展，这一技术有望被采纳成为结构振动测量的标准技术。
4 公路工程中GPS应用实例
4.1 广西坛百高速公路GPS技术控制测量
坛洛至百色高速公路二标段(K20+ 000~K43+046.069)，地形地貌较复杂，部分区域有遮挡，该测区内已有坐标系BJ54的两个E级控制点 (X1=552438.000，Y1=486816. 000，H1=72.0080位于经济开发区内山头；X2=565638.021，Y2=470499.609，H2=72.0000位于村西边的路口处)。控制网格由于设计时间较长而被严重破坏，原来建立的控制点很多丢失，需要重新加密控制点来测设。对于有遮挡或部分区域采用大地测量仪器如经纬仪、全站仪、测距仪等进行大地测量法测量，其余部分根据实际制定GPS静态测量法观测方案，将三台天宝4800GPS接收机安置在控制点上接收卫星信号，最终完成环路观测，转换北京坐标系的坐标进行使用。两种测量方法在坛百高速公路的加密施工控制网测绘工程中的结合使用，提高了该工程项目的测绘精度，更高效的完成了目标。
4.2 GPS的动态测量技术在东京大道新建工程中的应用
东京大道新建工程周边地势起伏很大，在北城墙外需穿越0.5km2的国家森林公园，密林和密灌地范围很大，通视较为困难，而根据规范对闭合导线长、附合导线长和结点导线间长度的严格规定，综合考虑决定应用GPS的动态测量技术进行控制点坐标测量。除部分点测量被发现有人为的破坏痕迹外，大部分三维坐标能够达到要求，差值都小于施工测量规范所规定的要求。最初计划通过10人经过20天的外业操作完成的测量任务，最终在GPS系统使用下5人用了6小时即完成，该项目的成功实施可见利用GPS测量可以大大提高工作效率，保证了高等级公路的测设质量。
5 结语
文章通过分析GPS在测量工程中的优势出发，提出其在公路工程中的具体实施策略以及相应技术，同时结合几个具体GPS在公路工程中的应用实例，阐述该技术在公路工程的广阔应用前景，其精度有效地保证了公路工程的测设要求，可值得为同类工程所推广应用。
参考文献：
[1]高春宇．GPS在现代公路勘测中的应用研究[J]．地理空间信息，2011，16(09)：21～22.
[2]李利敏．论GPS技术在公路测量中的应用[J]．民营科技，2006，(01)：501～503.
[3]刘晓锋，张东飞．GPS在国外无控制点公路平面测量中的应用[J]．中国新技术新产品，2002，(12)：67～69.
【关键词】GPS；公路工程；技术应用；实例
1 引言
随着科学技术高速发展和信息时代的来临，全球定位系统GPS已从最初的军事设施转向军用和民用，凭借其全球性、连续性、实时性和全天候等特点被广泛应用于各行各业，近年来在公路工程中展示着自己精密导航和定时定位功能。本文从GPS组成等简单介绍开始，综合描述其在公路工程各个分项之中的工作细节和优势，探讨介绍了几个具体工程应用实例。
2 GPS简介
2.1 GPS全球定位系统的组成
GPS系统主要组成部分为包括空间星座部分、用户设备部分和地面监控部分，三个组成部分各有各自的独立功能和作用，同时也是有机组合而成且缺一不可的整体化系统。空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，即所谓的(21+3)GPS星座，这些卫星均匀分布于6个轨道面上，各平面间成600交角。卫星轨道的运行周期是11小时58分钟，从而保证在任何地点、任何时间的地平线以上都可以接收4到11颗GPS卫星发出的信号。GPS的用户部分包括GPS接收机、用户设备如计算机、气象仪器等及相应的数据处理软件，接收GPS卫星发出的信号，通过信号进行定位导航。GPS的地面监控部分由一个主控站、五个监测站和三个信息注入站组成，主控站根据各监控站对GPS的观测数据来计算卫星的星历和卫星钟各项参数等，然后将这些数据用注入站注入到卫星中，并向卫星发布指令控制卫星；信息注入站将主控站计算的数据注入到卫星中；监控站用来接收卫星信号，同时监测卫星工作状态。在大西洋、美国本土、太平洋和印度洋都已经建立了GPS地面控制系统。在测量测绘领域，GPS定位装置引起体积小、重量轻而便于携带且技术指标精度高，已经为测量工程带来了极大的便利。
2.2 GPS的工作原理
GPS系统是采用距离交会法的一种卫星导航定位技术，通过GPS接收机接收某一时刻ti同时接收了三颗以上的GPS卫星所发出的导航信号，通过一系列数据计算和处理求出该时刻GPS接收机至GPS卫星的三相距离，同样根据接收卫星星历可得到该时刻GPS卫星三维坐标。使用距离交会法求得该点的三维坐标，最后用数学表达式换算得到结果，用空间固定的坐标系统或者用同地球体相固联的坐标系统进行表示。
2.3 GPS系统的技术特点
GPS测量比常规测量方法具有多项技术优势，主要体现在对地形无要求、对天气时间无严格要求、定位测量精度高、观测需要时间短、所得结果换算可得到直观的三维坐标形式且操作简便。
3 GPS在公路工程中应用技术
凭借高精度、全天候、和高效率等技术优势，GPS系统在公路工程领域得到了广泛的应用。从项目开工插旗、测绘地形图、测量纵横断面、放样施工、公路工程监理到变形观测结束，GPS系统发挥着及其重要的作用。
3.1 测绘地形图
传统方式在高等级公路测绘前，先要建立常规的控制网，然后使用全站仪或半站仪细部测量，进行内业处理后，绘制出大比例尺地形图，这样工作量大、速度慢而且花费较长的时间。GPS技术同全站仪结合和GPS系统同摄影测量学理论相结合的方式都更好的适应现代工程需要。GPS同全站仪结合测绘法采用GPS静态测设高等级控制点，然后使用全站仪进行测设细部点，此方法已被很多测绘单位使用。GPS技术与摄影测量学结合法则通过利用GPS技术对航测像点进行加密处理，对像片处理后，即可绘制地形图，此法周期较长，较适宜较大的测绘单位使用。
图1 GPS在公路测量中的应用
3.2 公路的中线放样
设计人员在上述地形图上定线，测绘人员中根据使用软件将中线坐标提取出来形成文件，然后导入至GPS接收机，接着进行中线放样，该过程高程度自动化，减少了人工操作的手工输入错误。
3.3 公路纵横断面测量
低等级公路可采用一定数量高等级的控制点，通过求解参数，进行现场纵断面测量，高等级公路就需要借助GPS系统定位，根据高程差精确计算确定控制点数据。
3.4 控制测量
公路工程通过高程控制网和平面控制网进行施工控制，通过精密的GPS静态测量方法建立平面控制网，根据公路工程的特点按照规范规定的四个等级进行分类控制，高程控制网使用静态作业模式，采用多种数值计算方法，使得GPS精度达到四等测量水准即可。
3.5 施工放样
GPS通过移动站存储所需放样数据，快捷、方便且精确的描绘施工测量直线、中点和曲线，由于各个点位测量的独立性，不存在累积误差，使得各点放样精度趋向于一致。
3.6 公路工程监理
监理部门使用GPS对控制点的稳定性、正确性和放样点的正确性等公路施工建设过程中的各项测量工作进行检查，保证公路工程的工程质量和工期。
3.7 变形观测
施工前、过程中及工程完成都需要对公路进行精密且连续的参数监测，保障人民生命财产的安全，GPS对变形的监测网可以控制到毫米级的精度。采用有线或无线数据传输技术，通过连续的自动监测，实时自动传送监测数据至监测数据处理中心，通过数据分析、处理和显示来进行变形预测。已有工程实践和相关科研数据表明，长期的GPS系统监测可采用Kalman滤波兰差法来实现毫米级精度。随着GPS动态变形监测能力的发展，这一技术有望被采纳成为结构振动测量的标准技术。
4 公路工程中GPS应用实例
4.1 广西坛百高速公路GPS技术控制测量
坛洛至百色高速公路二标段(K20+ 000~K43+046.069)，地形地貌较复杂，部分区域有遮挡，该测区内已有坐标系BJ54的两个E级控制点 (X1=552438.000，Y1=486816. 000，H1=72.0080位于经济开发区内山头；X2=565638.021，Y2=470499.609，H2=72.0000位于村西边的路口处)。控制网格由于设计时间较长而被严重破坏，原来建立的控制点很多丢失，需要重新加密控制点来测设。对于有遮挡或部分区域采用大地测量仪器如经纬仪、全站仪、测距仪等进行大地测量法测量，其余部分根据实际制定GPS静态测量法观测方案，将三台天宝4800GPS接收机安置在控制点上接收卫星信号，最终完成环路观测，转换北京坐标系的坐标进行使用。两种测量方法在坛百高速公路的加密施工控制网测绘工程中的结合使用，提高了该工程项目的测绘精度，更高效的完成了目标。
4.2 GPS的动态测量技术在东京大道新建工程中的应用
东京大道新建工程周边地势起伏很大，在北城墙外需穿越0.5km2的国家森林公园，密林和密灌地范围很大，通视较为困难，而根据规范对闭合导线长、附合导线长和结点导线间长度的严格规定，综合考虑决定应用GPS的动态测量技术进行控制点坐标测量。除部分点测量被发现有人为的破坏痕迹外，大部分三维坐标能够达到要求，差值都小于施工测量规范所规定的要求。最初计划通过10人经过20天的外业操作完成的测量任务，最终在GPS系统使用下5人用了6小时即完成，该项目的成功实施可见利用GPS测量可以大大提高工作效率，保证了高等级公路的测设质量。
5 结语
文章通过分析GPS在测量工程中的优势出发，提出其在公路工程中的具体实施策略以及相应技术，同时结合几个具体GPS在公路工程中的应用实例，阐述该技术在公路工程的广阔应用前景，其精度有效地保证了公路工程的测设要求，可值得为同类工程所推广应用。
参考文献：
[1]高春宇．GPS在现代公路勘测中的应用研究[J]．地理空间信息，2011，16(09)：21～22.
[2]李利敏．论GPS技术在公路测量中的应用[J]．民营科技，2006，(01)：501～503.
[3]刘晓锋，张东飞．GPS在国外无控制点公路平面测量中的应用[J]．中国新技术新产品，2002，(12)：67～69.