淺析GPS在橋梁平面控制測量中的應(yīng)用

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，使其在大地測量學及其相關(guān)學科領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著測量技術(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、特點及其在橋梁平面控制測量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS；橋梁；平面控制測量；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：K928.78文獻標識碼：A 文章編號：

1前言

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

2工程概況

某大橋位于城市郊區(qū)，全長約1138m，主跨360 m。整個測區(qū)地形起伏大，最高處達海拔250 m左右，最低處(河床)僅海拔40余m，兩岸懸崖陡立，房屋及樹木遮擋嚴重，控制點間通視困難，采用常規(guī)三角測量方法施測橋梁施工平面控制網(wǎng)的難度相當大。

3GPS系統(tǒng)的特點

GPS系統(tǒng)功能多、應(yīng)用廣，不僅可用于測量、導航，還可用于測速、測時，還可同時精確測定測站點的三維坐標。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明，用載波相位觀測量進行靜態(tài)相對定位，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

由于GPS定位是由星站距離確定點位的，而無需測站點間互相通視，所以CPS定位不同于傳統(tǒng)測量方法，它更利于測量人員將測站點位選在工程建設(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)還具有觀測時間短的優(yōu)勢。目前，流動站與基準站相距在20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需l5～20min；在15km以內(nèi)只需1～2min，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。

GPS系統(tǒng)操作的自動化程度越來越高，測量人員工作時只需將接收機在點位上進行對中整平、量取天線高、觀察接收機的工作狀態(tài)即可，而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成，操作十分簡便，并可全天侯作業(yè)。目前，GPS觀測在一天24h內(nèi)的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、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法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。例如：在需要的位置P點架設(shè)GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了3顆以上的GPS衛(wèi)星(A、B、C)所發(fā)出的導航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星的空間位置(三維坐標)。從而用距離交會的方法求得 P點的三維坐標(Xp，Yp，Zp)，其數(shù)學公式為：

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 在時刻ti的空間直角坐標。

5GPS的應(yīng)用

在橋梁施工中，測量所擔負的主要任務(wù)是控制網(wǎng)的布設(shè)、測量、檢核和結(jié)構(gòu)物的放樣。根據(jù)橋梁自身的特點，橋梁施工控制網(wǎng)邊長一般較長，特別是特大型橋梁，更具有跨度大的特點，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)緯儀配合測距儀或利用全站儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，往往需要耗費大量的人力物力，測量難度非常大。GPS系統(tǒng)與常規(guī)的測量儀器(全站儀和水準儀)相結(jié)合的測量方法是當前橋梁測量的最佳選擇。

5.1 選點布網(wǎng)

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

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

圖1施工平面圖控制網(wǎng)示意圖

5.2 造標埋石

現(xiàn)場灌注混凝土基底及標石。6個中線控制點埋設(shè)普通混凝土標石，DQ7設(shè)于二層房頂，DQ8、DQll建造強制歸心觀測標墩。

5.3 觀測

根據(jù)測區(qū)條件及控制網(wǎng)特點，采用以GPS靜態(tài)測量為主，全站儀測量為輔的方法，對全橋平面控制網(wǎng)進行觀測。除中線點DQ3和DQ5外，其余9個控制點共同構(gòu)成GPS控制網(wǎng)，采用4臺GPS接收機，按C級網(wǎng)精度觀測8個時段。觀測時，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，每時段長度為90mm。在觀測前后正確測記天線高度，量得的天線高互差不大于2mm。DQ3和DQ5受障礙物遮擋嚴重，無法實施GPS測量，故采用全站儀精密測量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。觀測技術(shù)要求見下表：

采用GPS的靜態(tài)定位法進行橋梁控制網(wǎng)的測量，因其不受外界環(huán)境干擾，所以可大大縮短外業(yè)觀測時間，提高工作效率。同時，由于靜態(tài)定位法觀測精度可達毫米級，測量成果的可靠性好，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，全部合格表明該網(wǎng)觀測中不含有粗差，內(nèi)符合精度和外符合精度優(yōu)良。

5.5 平差計算

平差計算是為了檢查和評定觀測質(zhì)量，提高觀測精度，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定精度。在WGS-84坐標系內(nèi)先進行三維無約束平差，然后在橋址獨立坐標系內(nèi)加入全站儀測量的一條邊長，進行二維約束平差。

5.6 精度指標及評定

GPS定位精度高，在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測的解，其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長校差最大為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，最弱邊的邊長相對中誤差應(yīng)小于1/8萬，點位中誤差不應(yīng)大于8mm。平差后，該大橋中線邊(DQ2～DQ4)的邊長相對中誤差為1/46萬，控制點的平均點位中誤差為±0.7mm，完全滿足大橋施工的需要。

6結(jié)語

實踐證明，在橋梁施工平面控制網(wǎng)測量中應(yīng)用GPS技術(shù)是切實可行的，GPS作業(yè)模式，可以提高測量作業(yè)效率，降低工作人員的勞動強度，節(jié)省測量的費用，使測量工作更為輕松容易。另外，隨著科技不斷進步，未來的測量技術(shù)將會是由GPS技術(shù)與GIS集成、實時控制、綜合自動化聯(lián)合作業(yè)的新技術(shù)，其測量系統(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、抗干擾性更強將是其主要特點。GPS定位技術(shù)雖然在橋梁平面控制網(wǎng)測量中的應(yīng)用越來越廣泛，但如何更經(jīng)濟、更快速地完成橋梁平面控制網(wǎng)的施測，在網(wǎng)形設(shè)計、觀測時段的選擇上還需進一步探討。

參考文獻

[1] 徐紹銓．GPS測量原理及應(yīng)用．武漢：武漢測繪科技大學出版社，2000

[2] 黃勁松等．GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學出版社，2003

[3] 肖祥明，GPS定位技術(shù)在橋梁施工測量中的應(yīng)用[J]，山西建筑，2007.10

[4] 劉文芳，山區(qū)橋梁測量放線中應(yīng)注意的幾個問題[J]，交通世界，2008.11

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。