【摘　要】　實時GPS測量作為GPS測量的一種新技術，它擁有許多傳統GPS所不具備的優勢，已經得到越來越多用戶的認可。帶COGO功能的實時GPS測量盡管問世半年有余，但此項功能仍然鮮為人知。作者研究結果表明此項技術值得廣泛推廣應用，同時指出其潛力甚大，有待深入開發。文中給出的種種案例和操作步驟可供實時作業用戶參考。

　　GPS定位技術最近幾年的進展主要表現在實時測量方面。這種技術目前已經十分成熟，并廣泛應用于石油地質勘探，鐵路、公路勘測設計與施工。其優勢明顯并遠遠超過常規GPS定位技術，進一步縮短了測繪及后繼工程的施工周期，降低了人力、物力和財力的消耗，減輕了作業人員的勞動強度，而且從根本上改變了傳統的勘測作業程序，作業模式和質量標準，已經得到國內外同行的普遍認可，正日益成為一種不可逆轉的發展趨勢。

　　本文在分析實時GPS特點和優勢的基礎上，介紹了徠卡300系列實時GPS測量系統中所引進的COGO功能，研究討論了應用這種功能的實際方法及操作步驟，提出如何擴展此項功能，充分發揮其在實時測量中的作用，以便促使GPS定位技術的應用跨上一個新的臺階。

一、徠卡300系列實時GPS測量系統簡介

　　徠卡300系列實時GPS測量系統同其他廠商的實時系統一樣由三個部分組成：GPS衛星信號接收部分(GPS傳感器及內裝或外接天線)、實時數據傳輸部分(數據鏈，俗稱電臺)和實時數據處理部分(GPS控制器，又稱手持式計算機，以及內置的實時數據處理軟件)。

　　實時測量時，一套測量系統充當參考站，設置在坐標精確的已知點上。參考站在跟蹤測量載波相位的同時，通過數據鏈將測站坐標、觀測值、衛星跟蹤狀態及接收機工作狀態發送出去。另外一套或若干套接收機當流動站，采用背負或車載方式在各個待定點上依次設站觀測。流動站在跟蹤GPS信號，進行載波相位測量的同時，還通過數據鏈接收來自參考站的觀測值和其他數據，利用控制器內裝的處理軟件，實時地解出載波相位的初始整周未知數，參考站至流動站的基線向量，并給出流動站的點位坐標。

　　流動站在完成載波相位整周未知數初始化的情況下，每個觀測瞬間屏幕輸出點位成果的標稱精度可達1 cm～2 cm，高程的標稱精度也在2 cm～3 cm。

　　同傳統的GPS定位技術相比，實時GPS測量具有如下一些優點：

　　(1) 進一步縮短定位所需的觀測時間。早期靜態測量確定一個點的坐標需要一個多小時，出現快速靜態后，所需時間銳減至幾分鐘�，F在用實時方法測量一個點，開機鎖定衛星后只需要幾十秒鐘至一分鐘左右。在衛星連續鎖定、整周未知數已經解出的條件下，每次定位只要一個歷元(1～2秒鐘)。

　　(2) 現場給出精確成果。根本改變先外業觀測，后內業計算，檢驗合格后提交成果的程序，在外業現場立即給出經過可靠性檢驗和精度評定的測量成果(如果有多組觀測值，則自動提供平差結果)。

　　(3) 徹底擺脫粗差返工現象。傳統測量模式下，觀測值中存在諸多影響成果質量的不確定因素，通過數據處理發現后不得不進行返工重測。實時測量條件下，參考站數據實時傳輸給流動站進行合并處理，檢驗合格后才輸出成果，從而徹底擺脫了返工問題，也消除了傳統測量的質量隱患。

　　(4) 拓寬了GPS技術的應用領域。實時GPS測量使三維放樣等需要現場提供成果的應用項目成為可能，同時把一些需要分幾道工序完成的作業合并成一次完成，如帶狀地形圖測繪、橫斷面的測繪及土石方工程量計算，并輸出工程所需的各項數據、圖紙和資料。

　　實時GPS測量時通過數據鏈傳輸的數據量十分龐大。為了保證數據傳輸的質量，降低誤碼率，只能采用甚高頻或超高頻設備。這兩類數據鏈都要求信號直線傳播。在高樓林立的大城市，地形起伏的山區，即使在一望無垠的大平原上也會由于地球自然表面的曲率，大大限制它的傳輸距離。解決數據傳輸問題的途徑有兩個：一個是加大發射設備的輸出功率，一個是引進數據中繼轉發機制。實踐證明通過設置在測區制高點上的無線電中繼站擴大數據傳輸的覆蓋面是一種十分有效的方法(圖1)。

　　實際上目前厘米級實時GPS測量只能在以參考站為中心，半徑在10 km～15 km的范圍內有效地進行，因而只要一級中繼轉發就足夠了。

　　實時GPS測量已經在石油地質勘探，水利電力工程，鐵路和公路的勘測設計與施工建設等方面得到廣泛的應用，可以高效率、高質量、低消耗地完成控制網布設、三維工程放樣、數字化地形地物圖以及水下地形圖等測繪生產任務。去年下半年以來我國實時測量系統引進的比例呈明顯增長的趨勢。隨著其價格的不斷下調，將逐步取代常規GPS產品成為用戶首選的目標。

二、COGO功能及其描述

　　COGO(坐標幾何計算處理)功能過去廣泛應用于徠卡生產的中高檔全站儀。借助于COGO功能，用戶可以在野外條件下，直接完成一些點位數據的加工處理。徠卡公司于去年將COGO功能引入實時GPS測量系統。此舉使得GPS設備除了采集數據、計算實時點位成果之外，也具備了一些與全站儀相似的操作功能，進一步拓寬了GPS測量系統的應用范圍。在許多工程應用中，COGO功能顯示出無可比擬的優越性，可以用來完成許多常規GPS測量難以完成的任務。

　　1. 300系統支持的COGO功能

　　徠卡300系統實時GPS測量系統產品(含300/350雙頻系統及340S單頻系統)裝載RT-SKI軟件后，可以通過主菜單面板［0000］或流動站測量面板［1110］上選擇功能鍵進入相應的COGO菜單。目前支持的功能見面板［2001］(見圖2)。

　　2. COGO功能的描述

　　(1) 邊長方位角反算(Inverse)。選定兩個點，反算它們之間的邊長、方位角和高差。
　　(2) 導線(Traverse)點計算。從一個已知點出發，根據輸入的導線邊邊長與方位角，計算前方導線點的坐標。
　　(3) 線-線交會(Line-Line Intersect)。由選定四點定義的兩條線，計算其交點。
　　(4) 線-弧交會(Line-Arc Intersect)。根據選定兩點定義的直線及輸入圓心坐標和半徑所確定的弧段，計算出它們的交點。
　　(5) 弧-弧交會(Arc-Arc Intersect)。根據輸入兩個圓的圓心坐標及半徑，計算出兩個弧段的交點。
　　(6) 距離偏差(Dist Offset to a Pt)計算。根據選定兩點所定義的一條直線及輸入一個偏置點的點位信息，計算出該偏置點在直線上的垂足，垂距及由直線起點至垂足的距離。
　　(7) 弧上插點(Point in Arc)。根據選定的兩點及輸入半徑所定義的弧，以及沿弧量度的距離，計算出弧上插點的坐標。
　　(8) 三點弧(3 Point Arc)。根據弧上選定的三個點，算出弧段的曲率半徑與圓心坐標。
　　(9) 點距偏差(Point Dist Offset)。根據選定兩點定義的一條直線，輸入直線上起點至偏置點垂足(偏置點在直線上的投影)的距離及偏置點偏離直線的距離，計算出偏置點的坐標。

　　(2) COGO功能只有同實時GPS測量相結合才能充分發揮其優勢。COGO功能的進一步擴展必須同實時測量的實際作業密切地結合。

　　(3) 在GPS定位技術發展的現階段，作者認為有必要全面地分析評價現有各類勘測設計和施工放樣的作業規范，制定出能夠推動技術進步的新標準，借助于COGO功能實現勘測設計與施工的一體化、最優化和智能化。

　　(4) 隨著技術的不斷發展和用戶需求的多樣化，接收機生產廠應該為用戶提供一個開放的環境。用戶能夠通過控制器專用的編程語言，不斷擴充系統的COGO功能。
1. 補充新的COGO功能

　　為了進一步提高系統在道路勘測及其他工程領域的應用，我們有必要進一步補充一系列新的坐標幾何及一體化COGO功能。例如：

　　(1) 測距定點功能。根據實際測定的兩點所定義的一條直線，以及從直線起點開始，沿線量測的一段距離，定出新點的點位。此項功能使一些不能直接設站觀測的點位可以通過量距的輔助手段，在現場確定其點位。

　　(2) 確定圓弧中點的功能。已知圓弧的兩個端點及圓弧中心或曲率半徑，計算圓弧的中點。由此項功能可以現場實現圓弧二等分，并進一步定出四分點、八分點……，完成圓曲線的實時放樣作業。

　　(3) 用圓曲線平滑連接直線與直線外一點功能。AB為一直線，C為直線外一個點，計算并確定連接直線與點C的平滑圓弧BMC(圖8)，給出圓弧的中心和曲率半徑(結合本節功能2，用戶即可完成該曲線路段的實時放樣工作)。

圖8　圓弧與直線的平滑連接

　　(4) 圓曲線等間距放樣功能。給定圓心與圓弧的起點，按指定間隔完成圓弧實時放樣作業的功能。此項功能是COGO現有弧上插點功能的擴展。

　　2. 開發新的高性能設計放樣一體化功能

　　COGO應該引進一些高性能的設計放樣一體化的功能。例如：

　　(1) 用平滑曲線聯結兩直線功能。在鐵路及高速公路設計中遇到彎道時，一般需要用兩段緩和曲線將圓曲線分別同兩直線段相連接。這種連接方式不僅能夠保證曲線的連續與平滑，而且保證了曲率的連續與平滑，從而保證了彎道處列車或其它交通工具高速通過時的安全。我們也可以讓控制器內的CPU解一組微分方程，使選定的曲線滿足在B、C點處的一階導數分別等于兩直線的斜率(直線段成為相連接曲線的切線)，且二階導數為零(該點為曲線的拐點)。然后按用戶指定的等距間隔或分點個數給出曲線上每一個點位的坐標(圖9)。這樣將大大簡化和優化道路的設計標準與施工建設。

　　(2) 豎曲線設計放樣功能。一個線路勘測設計與施工的智能化測量系統，還應該能夠根據有關端點的高程數據(如圖9中A、B、C和D點)，推算出中間各放樣點的最佳高程選擇。在給出各點實際高程時，系統應該能夠根據行車速度的上限給出區段上土石方施工工程量為最小的放樣高程。

三、COGO功能的應用

　　1. COGO功能在實施測量中的簡單調用

　　(1) 已知兩條道路中心線上若干點的坐標，計算交點的坐標，并在實地加以標定。此時我們可以利用COGO的線-線交會功能。野外在控制器上的具體操作步驟如下：

　　在線-線交會功能面板上，通過實時測定、手工輸入或從控制器中調出每條線上的兩個點，令為P1至P4(圖3)。

然后在這個面板上按計算(COMPUT)鍵，計算出交點的坐標(P5)。輸入點的標識(點名或點號)，必要時編輯修改點的高程，最后按存儲(STORE)鍵把結果存儲起來�，F在借助系統的實時放樣功能，通過實時精密導航，從實地找到這個交點，并加以精確標定。

　　(2) 已知圓弧線路上的兩個點的設計坐標及弧的曲率半徑，請根據距離起點的設計弧距找出弧上相應的點位，并在實地加以標定。這項工作將依靠弧上插點功能來完成。

　　在控制器面板上通過實時測定、人工輸入或調出弧的起點(P1)和終點(P2)，輸入圓弧的曲率半徑與距離起點的弧距。然后按計算功能鍵，即可在后繼面板上顯示弧上新點的坐標。存儲后即可用實時放樣功能在實地找到并精確標定該點。依次類推，可完成等間距圓弧線路的放樣工作(圖4)。

    (3) 其他應用。每項COGO功能都能在現場中加以調用。

　　2. COGO功能的綜合應用

　　綜合應用COGO功能，可以解決一些常規GPS無法解決的問題，如測定線路上難以收到信號的半隱蔽點位，或用來標定無法直接設站的點位(如點在水塘中間)。下面為幾個案例的操作步驟：
　　(1) 獨立樹、塔頂、電桿等中心點位的測定。線路測量中常常需要精確測定這些地物的中心點位，但是這些點位無法設站觀測；采用大偏心觀測，操作步驟及事后處理都十分繁瑣。如采用COGO功能，那么，只要付出幾分鐘時間即可給出這些點位的精確坐標(圖5)。

　　① 在待定點(P)的附近任意點上實時測定一個臨時點位P1，并插一面小旗標志點位；
　�、� 繞P點至另一個任意點P2，再次實時測定并記錄其點位，也插一面小旗標志點位；
　　③ 繼續繞至P與P1的聯線方向上，實時測定任意點P3并記錄其點位；
　　④ 最后走到P與P2的聯線方向上，實時測定任意點P4并記錄其點位；
　�、� 進入COGO功能，調出線-線交會程序，定義P1P3及P2P4兩直線，按計算鍵給出交點坐標，輸入點標識P，并存儲該點的點位。
　　(2) 房角及街區的測繪。像圖6所示的街區，我們可以按照以下步驟來測繪：
　�、� 在一角(A)的附近較開闊點位上實時測定一個臨時點位1，并在A—1延長線方向繼續測定和記錄一個2點；
　�、� 在同一角B—A延長線方向上任意測定并記錄點3；
　�、� 根據COGO的距離偏差功能，即刻可以解算出A點的坐標；
　　④ 同理，定出B—F各點。注意測定B點時僅需定出點4，然后利用點3與點A定義的直線及偏置點4，由距離偏差功能定出B；
　�、� 圖中G、H兩點不能靠實時定位技術測定，但是仍然可以借助COGO功能加以精確標定。為此，用邊長方位角反算功能求出FE的距離d1，通過任意一種手段量取距離d2，則可利用COGO的點距偏差功能定出G點的坐標。同理可得H點的坐標，從而完成了整個房屋的測定。


　　(3) 弧線與水池交點的標定。圓弧曲線放樣時，很可能要穿越一大片水面。在圖7中，A、B是已經完成放樣的點位。作業員估計下一個樁點C將落在圖中難以進入的水域，因而他希望能夠在線路上找出最靠近水域的點位，標定一個輔助樁點M；同時，他還需要找出線路離開水域重新進入對岸陸地時的點位N。在完成這些輔助點的定位后，繼續正常計劃點位的放樣。我們分別采用不同的方式預先推算出M和N點的坐標，然后在實地加以標定。

　�、� 由于M點距A、B兩點較近，可以用較簡單的線-弧交會功能來實現。先估計線路將在PQ間進入水域，實時測定并存儲兩任意點P、Q；利用COGO的線-弧交會功能，計算ABC定義的圓弧與PQ直線的交點，命名該點為M并存儲；在PQ直線上實時找出M點，并埋石加以標定。

　�、� 因為“出點”的位置較難精確地判定，可以假設在U、V和W三點確定的圓弧上，所以將利用弧-弧交會的功能來實現該點的標定。先用實時定位技術在對岸沿水域測定并記錄U、V和W共三點；計算ABC與UVW兩弧的交點N，并存儲點位；沿岸線實時導航找出并標定點N。

四、COGO功能的進一步擴展問題

　　通過我們的初步實踐和對線路勘測應用的研究表明：目前實時GPS測量系統所提供的COGO功能尚不夠齊全，需要進一步擴展。
　　
　　(3) 彎道超高設計計算功能。作為一個智能化的線路勘測設計與施工的實時測量系統，還應該在顧及行車時速及彎道半徑等參數條件下，自動計算出道路指定橫斷面上內外兩側各點相對于中線的超高值(外側為正，內側為負)，在實時放樣作業時，控制器直接顯示經超高修正后的填挖工程量。

　　(4) 格網測量及放樣處理功能。實時測量系統常用于工程方格網測量及按一定線距和點距進行格網放樣作業(如石油勘探網)，一個擴展的COGO功能應該能夠根據用戶提供的基本信息，自動生成全部測線與網點，引導用戶完成放樣與測量工作。

五、結論和建議

　　徠卡公司生產的各種型號GPS實時測量系統因為擁有COGO功能，在鐵路公路勘測等工程測量應用方面具有卓越的性能，作者的研究結果表明：

　　(1) COGO功能可以廣泛應用于線路勘測設計與各種工程放樣的有關施工測量，能顯著提高作業的工效，縮短工期，為用戶帶來可觀的經濟效益，應該充分開發利用。