GPS技术在公路高程控制测量中的应用研究

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【摘要】高程控制技术在公路路线测量中有重要的作用，可以为其提供统一的高程基准。随着gps技术的发展，在公路高程控制测量中引入GPS技术已经是一种重要的趋势。GPS高程转换是高程控制测量中的重要工具，利用它可以求得GPS点的高度。在了解了GPS定位技术原理的基础上，本文对高程转换和GPS高程测量的原理做了详细说明，并将GPS技术用于公路高程控制测量，阐述了在应用中应该注意的问题，为后续研究提供了理论支撑。

【关键词】GPS技术；公路高程控制；测量

1、GPS技术

GPS系统一般由三部分组成：“空间部分、地面控制部分和用户设备”。空间部分中最主要的是GPS卫星，其主要功能是接收地面控制站发来的信号，并且将该信号进行一些数据处理，将其转换为卫星接收指令并且将其发送给用户。地面控制部分由监测站、主控站、以及注入站三个站组成，其中监测站的主要作用是接收卫星发来的信号，并且对其进行监控，然后将卫星发送的信号数据传送给主控站；主控站的作用是接收监测站传输来的数据并对其进行处理，将其传送给注入站；当卫星经过注入站的上方时，注入站将对应该卫星的信息传送给此卫星。用户设备主要是接收卫星信号并对其进行处理，最后完成导航工作。

GPS技术有一些适合应用于公路高程控制测量的特点：可以24小时全球定位导航，并且导航定位的精度很高，因此在任意时刻都可以进行高精度的公路高程控制测量；具有极强的保密性和良好的抗外界干扰性，可以保护敏感的控制策略数据。

GPS高程控制测量首先需要GPS设计技术，GPS设计技术是根据客户的要求以及用途来进行设计的，其中包含一些图形设计，精度技术指标的控制以及设计基准等。其中精度技术指标是GPS技术设计中的一个重要因素，它可能会影响GPS设计的整个布局，最终会影响后续的数据处理，所以要慎重确定。在进行GPS设计时，一般需要遵循以下原则：1）需要找一些地面控制点（一般不得少于3个）与GPS网点重合；2）GPS网需要通过一些线段连接成为闭合的图形，目的是提高GPS网络的可靠性；3）寻找一些视野开阔并且方便去的地方设置GPS网点，这样容易观测；4）GPS网点应设置在公路旁边，这样容易加密公路导线。随着GPS设计技术的迅速发展，GPS数据处理的方法也逐渐的完善，处理数据的自动化程度也极大的提高。GPS数据处理过程一般被分为精加工过程、基线解算过程以及系统转换过程。

2、高程转换和GPS高程测量

所谓的GPS高程测量指的是先测量若干GPS观测点的正常高，然后测量GPS大地高，并根据这二者得到所有观测点上的高程异常；最后用数值拟合方法得到高程异常和观测点的近似拟合似大地水准面，从而得到各个观测点的正常高。

实现公路高程控制网的主要方法是水准测量法，水准测量规格有二等、三等以及四等三个等级；不论使用哪种等级的水准测量，都必须遵循“先整体后局部、从高级到低级”的测量原则，而且在进行纵横断面测量前还需要首先进行屏幕控制测量以及高程控制测量。在公路工程的各个阶段，高程控制测量都占据重要的地位：在运营管理阶段，它可以事先规定公路工程的改造、扩建等的基准；勘测设计时，它可以充当大比例尺地形图的高程的重要参考，还能够为横断面和纵断面测量提供高程基准；施工阶段，高程控制测量又是复测的必要环节。

利用GPS技术进行高程测量能够获得空间点的三维坐标，而且在经过约束平差后精度可以达到毫米级；值得注意的是，直接利用GPS技术得到的高程数据是大地高程系统数据，不同于正常高程系统，所以需要进行高程数据的转换。在获得GPS的高程测量值时，一般以WGS84为参考系。假设WGS84是一个参考椭球面，高程异常值可以被定义为此椭球面与大地水准面的差值。获得椭球面的异常简单便捷，因此GPS高程测量技术得以广泛的应用。高程异常值的测量方法有重力测量法和几何解析法，由于重力测量法需要借助于重力测量的一些资料，获得重力测量的一些必不可少的数据，因此重力测量法是很难应用于实际中的。而几何解析法是利用一些几何测量和几何换算方法计算出高程异常值，方法简单便捷，需要参考的资料较少，易于理解。

影响GPS高程测量的因素有很多，比如卫星分布不具有对称性，对流层延迟导致测量精度误差，基线向量的坐标误差以及其他误差，包括电离层误差导致接收误差或者测量误差等等。GPS高程控制测量需要采用同种类型的高程系统，如果不能够采用同种类型的系统时，需要一种高程转换系统。

3、GPS技术在公路高程控制测量中的应用

要将GPS技术应用于公路高程控制测量，首先需要建立GPS公路路线控制网，主要包括确定测量的精度指标、路线控制网的图形设计和基准设计。测量的精度要求和公路等级密切相关，精度指标可以具体表示为路线控制网中相邻点间的弦长精度；路线控制网的图形设计依赖于具体用户的要求，但不管怎样设计，其独立观测边都应该可以构成三角形、四边形或环形、星型等网状结构；路线控制网的基准主要是位置、尺度以及方向上的基准。

控制测量的各个测量站点间不是必须要进行通视的，所以选点不需要遵循一些必须的原则，相对比较简单；但是，观测点位选择的正确与否，对于高程测量数据结果的精确性有重要的影响，所以为保证公路工程后续工作的顺利进行，在选点前有必要先了解观测点周围的地形情况，和原有测量标志点的分布情况。一般而言，在确定GPS观测点需要满足以下要求：（1）GPS信号会受到磁场等信号的影响，所以观测点周围不应该有高压电线等强磁场信号；（2）观测点应该具有开阔的视野，而且交通要便利，这样方便安装信号接收机，而且易于同时使用其他测量手段；（3）选择好的观测点要按照一定的原则绘制，以便后续使用。

实际应用GPS技术施测前，需要先制定观察计划，并根据路线控制网的精度要求、可靠性、以及接收机的数目等，确定具体的测量工作量。如果GPS观测点比较多，而接收机数目有限，那么就需要进行分区观测；要注意的是，相邻分区要设置三个以上的公共点，因为过少的公共点会影响测量数据的精度。另外，观察点和卫星的空间位置精度因子（PDOP）要满足一定的限值，这样才会得到更好的观测效果。确定了观察位置后，在正式进行公路高程控制测量时，还要制定接收机的调度计划，这对于顺利实现公路高程测量任务极为重要。

4、结论

本文首先介绍了GPS技术基础，然后说明了GPS高程控制及高程测量的相关原理，最后阐述了GPS技术在公路高程控制测量中的应用。