匡桂榮

摘要：GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)，使其在大地測(cè)量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，我們將GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程測(cè)量中，并取得理想的效果。本文主要介紹GPS系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)及其在橋梁平面控制測(cè)量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS；橋梁；平面控制測(cè)量；平差

Abstract: GPS technology has high precision, high efficiency and low cost advantages, in the geodesy and related subject areas to be a wide range of applications. Along with the measurement technology development, we will GPS technology applied in bridge engineering measurement, and obtain the ideal effect. This paper mainly introduces the GPS system of the working principles, characteristics and bridge in the measurement of the plane control application.

Keywords: GPS; Bridge; Plane control measurement; Adjustment with

中圖分類號(hào)：K928.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1前言

GPS系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，研制的最初目的是為海陸空三軍提供實(shí)時(shí)、全天侯和全球性的導(dǎo)航、核爆監(jiān)測(cè)、情報(bào)收集、爆破定位以及應(yīng)急通訊等服務(wù)。而對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到當(dāng)初的目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號(hào)還能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位、米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位、亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前，GPS已被廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其在測(cè)量界的控制測(cè)量中起了劃時(shí)代的作用。

2工程概況

某大橋位于城市郊區(qū)，全長(zhǎng)約1138m，主跨360 m。整個(gè)測(cè)區(qū)地形起伏大，最高處達(dá)海拔250 m左右，最低處(河床)僅海拔40余m，兩岸懸崖陡立，房屋及樹木遮擋嚴(yán)重，控制點(diǎn)間通視困難，采用常規(guī)三角測(cè)量方法施測(cè)橋梁施工平面控制網(wǎng)的難度相當(dāng)大。

3GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

GPS系統(tǒng)功能多、應(yīng)用廣，不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)，還可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在小于50公里的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線上可達(dá)10-6～10-7。

由于GPS定位是由星站距離確定點(diǎn)位的，而無需測(cè)站點(diǎn)間互相通視，所以CPS定位不同于傳統(tǒng)測(cè)量方法，它更利于測(cè)量人員將測(cè)站點(diǎn)位選在工程建設(shè)最需要的位置。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，GPS系統(tǒng)還具有觀測(cè)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。目前，流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在20km以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位僅需l5～20min；在15km以內(nèi)只需1～2min，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。

GPS系統(tǒng)操作的自動(dòng)化程度越來越高，測(cè)量人員工作時(shí)只需將接收機(jī)在點(diǎn)位上進(jìn)行對(duì)中整平、量取天線高、觀察接收機(jī)的工作狀態(tài)即可，而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成，操作十分簡(jiǎn)便，并可全天侯作業(yè)。目前，GPS觀測(cè)在一天24h內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。

4GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。例如：在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了3顆以上的GPS衛(wèi)星(A、B、C)所發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時(shí)刻這些衛(wèi)星的空間位置(三維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)的方法求得 P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xp，Yp，Zp)，其數(shù)學(xué)公式為：

SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]

SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]

SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]

式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分別為衛(wèi)星A，B，C 在時(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。

5GPS的應(yīng)用

在橋梁施工中，測(cè)量所擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)是控制網(wǎng)的布設(shè)、測(cè)量、檢核和結(jié)構(gòu)物的放樣。根據(jù)橋梁自身的特點(diǎn)，橋梁施工控制網(wǎng)邊長(zhǎng)一般較長(zhǎng)，特別是特大型橋梁，更具有跨度大的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的橋梁平面控制網(wǎng)通常布設(shè)成三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)，采用經(jīng)緯儀配合測(cè)距儀或利用全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，往往需要耗費(fèi)大量的人力物力，測(cè)量難度非常大。GPS系統(tǒng)與常規(guī)的測(cè)量?jī)x器(全站儀和水準(zhǔn)儀)相結(jié)合的測(cè)量方法是當(dāng)前橋梁測(cè)量的最佳選擇。

5.1 選點(diǎn)布網(wǎng)

根據(jù)GPS測(cè)量無需觀測(cè)站之間互相通視的特點(diǎn)，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去傳統(tǒng)測(cè)量中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。

選點(diǎn)的原則：選點(diǎn)時(shí)充分考慮本工程特點(diǎn)，兼顧多個(gè)高程面；視野開闊，便于接收機(jī)的安裝和操作；附近沒有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物件；交通方便，便于施工單位使用；地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保護(hù)。如圖1所示，全橋共設(shè)11個(gè)平面控制點(diǎn)，其中，橋中線控制點(diǎn)6個(gè)(DQ1～DQ6)。

圖1施工平面圖控制網(wǎng)示意圖

5.2 造標(biāo)埋石

現(xiàn)場(chǎng)灌注混凝土基底及標(biāo)石。6個(gè)中線控制點(diǎn)埋設(shè)普通混凝土標(biāo)石，DQ7設(shè)于二層房頂，DQ8、DQll建造強(qiáng)制歸心觀測(cè)標(biāo)墩。

5.3 觀測(cè)

根據(jù)測(cè)區(qū)條件及控制網(wǎng)特點(diǎn)，采用以GPS靜態(tài)測(cè)量為主，全站儀測(cè)量為輔的方法，對(duì)全橋平面控制網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)。除中線點(diǎn)DQ3和DQ5外，其余9個(gè)控制點(diǎn)共同構(gòu)成GPS控制網(wǎng)，采用4臺(tái)GPS接收機(jī)，按C級(jí)網(wǎng)精度觀測(cè)8個(gè)時(shí)段。觀測(cè)時(shí)，有效衛(wèi)星總數(shù)不少于6顆，高度截止角15°，數(shù)據(jù)采集間隔為15s，GDOP不大于6，每時(shí)段長(zhǎng)度為90mm。在觀測(cè)前后正確測(cè)記天線高度，量得的天線高互差不大于2mm。DQ3和DQ5受障礙物遮擋嚴(yán)重，無法實(shí)施GPS測(cè)量，故采用全站儀精密測(cè)量DQl～DQ6、DQ1～DQ2、DQ2～DQ11、DQ4～DQ9的距離，其中DQ1～DQ6作為GPS網(wǎng)的起算邊，其余作為檢核邊。觀測(cè)技術(shù)要求見下表：

采用GPS的靜態(tài)定位法進(jìn)行橋梁控制網(wǎng)的測(cè)量，因其不受外界環(huán)境干擾，所以可大大縮短外業(yè)觀測(cè)時(shí)間，提高工作效率。同時(shí)，由于靜態(tài)定位法觀測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)，測(cè)量成果的可靠性好，其精度完全能滿足橋梁施工的需要。

5.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)結(jié)束后，利用廠家提供的商用基線解算軟件解算基線向量，經(jīng)過同步環(huán)、異步環(huán)以及重復(fù)基線的檢驗(yàn)，全部合格表明該網(wǎng)觀測(cè)中不含有粗差，內(nèi)符合精度和外符合精度優(yōu)良。

5.5 平差計(jì)算

平差計(jì)算是為了檢查和評(píng)定觀測(cè)質(zhì)量，提高觀測(cè)精度，根據(jù)最小二乘原理消除網(wǎng)中各種矛盾，求出各待定元素的平差值并評(píng)定精度。在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)先進(jìn)行三維無約束平差，然后在橋址獨(dú)立坐標(biāo)系內(nèi)加入全站儀測(cè)量的一條邊長(zhǎng)，進(jìn)行二維約束平差。

5.6 精度指標(biāo)及評(píng)定

GPS定位精度高，在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測(cè)的解，其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定的邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)校差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，該大橋工程平面控制網(wǎng)按三等精度施測(cè)，最弱邊的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差應(yīng)小于1/8萬，點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于8mm。平差后，該大橋中線邊(DQ2～DQ4)的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/46萬，控制點(diǎn)的平均點(diǎn)位中誤差為±0.7mm，完全滿足大橋施工的需要。

6結(jié)語

實(shí)踐證明，在橋梁施工平面控制網(wǎng)測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)是切實(shí)可行的，GPS作業(yè)模式，可以提高測(cè)量作業(yè)效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省測(cè)量的費(fèi)用，使測(cè)量工作更為輕松容易。另外，隨著科技不斷進(jìn)步，未來的測(cè)量技術(shù)將會(huì)是由GPS技術(shù)與GIS集成、實(shí)時(shí)控制、綜合自動(dòng)化聯(lián)合作業(yè)的新技術(shù)，其測(cè)量系統(tǒng)將比現(xiàn)有技術(shù)更優(yōu)越，精度更高、初始化速度更快、環(huán)境限制性更小、抗干擾性更強(qiáng)將是其主要特點(diǎn)。GPS定位技術(shù)雖然在橋梁平面控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用越來越廣泛，但如何更經(jīng)濟(jì)、更快速地完成橋梁平面控制網(wǎng)的施測(cè)，在網(wǎng)形設(shè)計(jì)、觀測(cè)時(shí)段的選擇上還需進(jìn)一步探討。

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