GPS在路橋設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究①

陳利平 左玲

摘 要:首先介紹了GPS的工作原理與基本組成,然后介紹了GPS在路橋設(shè)計(jì)與沉降變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況,總結(jié)了GPS在路橋設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:GPS路橋設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào):U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0022-02

1GPS概述

GPS(Global Positioning System,簡(jiǎn)稱GPS)全球定位系統(tǒng):1973年12月起,美國(guó)歷經(jīng)20余年,投資300億美元,建立起來的服務(wù)于全球的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。其從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導(dǎo)航及定位問題。

一般來說,GPS系統(tǒng)主要由空間星座、地面控制與用戶設(shè)備三個(gè)部分。

1.1 空間星座部分

主要是24(21+3)顆衛(wèi)星組成,其中,21工作衛(wèi)星,另外3個(gè)備用衛(wèi)星組成GPS系統(tǒng)星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上,每個(gè)軌道面四顆衛(wèi)星。根據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)的不同,一般至少有四個(gè)可以看到,多的時(shí)候高達(dá)11。GPS信號(hào)導(dǎo)航定位,要計(jì)算點(diǎn)的經(jīng)度,緯度和海拔,至少4個(gè)GPS定位衛(wèi)星可用。由于地理和環(huán)境因素或圖形結(jié)構(gòu)不佳,在某處,可能難以測(cè)得精確坐標(biāo)點(diǎn),這個(gè)時(shí)間稱為“間隙段”。但是,這種差距段很短,不會(huì)影響絕大多數(shù)GPS工作。三個(gè)備用衛(wèi)星,根據(jù)指示,必要時(shí)礦可以更換出現(xiàn)故障的衛(wèi)星,從而提高工作效率和可靠性。

1.2 地面監(jiān)控部分

該部分主要由分布在全球的不同地方的6個(gè)地面站組成,其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、主控站、備用主控站與信息注入站,分別位于科羅拉多、蓋茨堡、夏威夷、南大西洋的阿松森群島、印度洋的迭哥伽西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。地面監(jiān)控部分負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回的信息,并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。

1.3 用戶設(shè)備部分

該部分主要設(shè)備就是GPS接收機(jī),即一種特制的無線電接收機(jī)。該部分的主要作用是接收衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)出的信號(hào),并對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理,從而獲得需要的數(shù)據(jù),以確定位置。根據(jù)不同用戶所需要的功能,需要配置不同類型的GPS接收機(jī)。它們的性能結(jié)構(gòu),形狀,大小和價(jià)格也有很大的不同。比如,航海與航空使用的導(dǎo)航型接收機(jī),要具有與存儲(chǔ)暑或其它媒介相互通訊的功能,因?yàn)槠渲写嬗须娮訉?dǎo)航圖等資料;測(cè)地用的接收機(jī)就要求具有很高的精度,并能快速采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù);軍用的接收機(jī),要附加解碼模塊,如果用于地面部隊(duì)則要求較高的機(jī)動(dòng)性。

2GPS在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

GPS技術(shù)在應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中,可構(gòu)成較好的網(wǎng)形,能提高定位精度,同時(shí)對(duì)檢測(cè)傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常的有效。例如在江蘇省江陰市長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)與建設(shè)中,首先用傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量方法建立高精度的邊角網(wǎng),然后利用GPS對(duì)該邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè),GPS的檢測(cè)網(wǎng)可達(dá)毫米級(jí)精度,比傳統(tǒng)常規(guī)的精度網(wǎng)的效果要好。

2.1 GPS靜態(tài)相對(duì)定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

GPS靜態(tài)相對(duì)定位的一般方法,就是將1臺(tái)GPS接收機(jī)安置在已知坐標(biāo)的地面點(diǎn)(已知點(diǎn))上;另1臺(tái)或多臺(tái)GPS接收機(jī)安置在未知坐標(biāo)的地面點(diǎn)(待定點(diǎn))上,并保持各接收機(jī)固定不動(dòng),同步連續(xù)觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星星座,用以求得未知點(diǎn)相對(duì)于已知點(diǎn)的坐標(biāo)增量(基線矢量),從而由已知點(diǎn)坐標(biāo),推求各未知點(diǎn)坐標(biāo)的方法。由于進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),取得了充分的多余觀測(cè)量,因而可獲得非常高的定位精度。GPS靜態(tài)相對(duì)定位是一種較為經(jīng)典的精密定位模式,自1990 年初開始應(yīng)用于特大橋梁工程平面控制網(wǎng)的測(cè)量中。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比,具有效率高、精度高與成本低等優(yōu)點(diǎn),因此,GPS被廣泛應(yīng)用于各種橋梁工程的平面控制測(cè)量與變形監(jiān)測(cè)工作中。近年來,GPS相對(duì)靜態(tài)定位測(cè)量與快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量技術(shù),也在特大型跨海橋梁工程設(shè)計(jì)與施工測(cè)量定位中發(fā)揮著重要作用,成功的解決了以前傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法完成的長(zhǎng)距離施工測(cè)量精確定位技術(shù)難題[1]。

2.2 GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

所謂GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,就是將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置于已知坐標(biāo)的同定觀測(cè)站(也稱基準(zhǔn)站或參考站)上,并同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星;基準(zhǔn)接收機(jī)將瞬時(shí)觀測(cè)量與由基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)求得的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較,得出瞬時(shí)校正值,并用該瞬時(shí)校正值改正流動(dòng)接收機(jī)的瞬時(shí)觀測(cè)培,從而求得流動(dòng)站乃相對(duì)于基準(zhǔn)站五的瞬時(shí)位置。GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)±1m。在橋梁工程中,GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)與數(shù)字回聲測(cè)深技術(shù)相結(jié)合,可以快速和高品質(zhì)的完成內(nèi)江湖泊水下地形圖測(cè)繪工作,以解決傳統(tǒng)測(cè)量手段幾乎不可能完成的大型跨海橋址水下地形圖測(cè)繪,并充分實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外業(yè)測(cè)量自動(dòng)化和成果數(shù)字化。據(jù)估計(jì),利用GPS技術(shù)比傳統(tǒng)的前方交會(huì)定位方法,可以降低成本和提高效率三倍以上[1]。

2.3 GPS-RTK定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

GPS-RTK定位是基于載波相位測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法。該方法從20世紀(jì)90年代中期以來,隨著快速確定整周未知數(shù)方法的進(jìn)步,已發(fā)展成為一種實(shí)時(shí)的、高精度的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)。它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法,是近年來GPS技術(shù)的一種新突破,它的出現(xiàn)為橋梁設(shè)計(jì)工程帶來了新的血液,可以極大提高了外業(yè)作業(yè)效率[1]。

3GPS在橋梁沉降變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

目前,中國(guó)已建立了很多跨河或者跨海的大型或者超大型橋梁。大跨度橋梁在長(zhǎng)期的使用中,受不同載荷和材料老化,管理和使用不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的損傷,導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此,為了確保大橋能夠安全運(yùn)行,必須進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)以提高設(shè)計(jì)壽命。

變形監(jiān)測(cè)通常使用傳統(tǒng)工程測(cè)量方法。工程測(cè)量變形監(jiān)測(cè)方法具有精度高,可靠的優(yōu)勢(shì),但工作量大,工作效率低,需要監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)通視,受氣候影響較大,不容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)與測(cè)量過程的自動(dòng)化觀測(cè),這些缺點(diǎn)對(duì)變形監(jiān)測(cè)非常不利。GPS測(cè)量具有高精度三維定位能力,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作,為橋梁的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變形監(jiān)測(cè)提供了的有效手段與方法。另外,建立三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)簡(jiǎn)單,不需要測(cè)站間通視。因此,在對(duì)大規(guī)模的公路和橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)中,GPS比使用傳統(tǒng)的測(cè)量工程方法有更好的準(zhǔn)確性和效率[2]。

全長(zhǎng)36km的杭州灣跨海大橋,位于沿海通道咽喉,是世界上的強(qiáng)潮海灣地區(qū)之一,容易受強(qiáng)潮汐影響。因此,橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是確保橋梁安全運(yùn)行的重要條件。橋梁的沉降會(huì)造成許多不利影響。太大的解決,尤其是基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)引起附加內(nèi)力的橋梁結(jié)構(gòu),橋線性惡化和橋梁附屬設(shè)施(支座,伸縮縫,欄桿等)的損害。過大的沉降變形,特別是橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降更會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力、橋梁線形的破壞以及橋梁附屬設(shè)施的損毀。因此,確保大橋建成后能健康、安全地運(yùn)營(yíng),保證其耐久性,是橋梁管理的首要任務(wù)。為了大橋在運(yùn)營(yíng)期間的健康運(yùn)行,了解在沖刷及汽車載重狀態(tài)下大橋的每個(gè)墩臺(tái)的沉降情況,必須要進(jìn)行大橋的沉降監(jiān)測(cè)工作。

本研究結(jié)合杭州灣跨海大橋橋梁健康與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架,對(duì)南、北航道橋的沉降形變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);另外對(duì)非通航孔及高墩區(qū)部分,由于引橋的非通航孔部分很長(zhǎng),采用實(shí)時(shí)監(jiān)控方案造價(jià)過于昂貴,且數(shù)據(jù)量很大難以實(shí)時(shí)處理,因此,可以考慮平面位移采用GPS靜態(tài)定期觀測(cè),沉降變形采用GPS配合常規(guī)精密水準(zhǔn)測(cè)量方法來進(jìn)行,并可把各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一的分析與研究。同時(shí),對(duì)引橋施工期間的沉降變形過大的重點(diǎn)部位使用GPS進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè),實(shí)時(shí)了解北岸引橋的不均勻沉降[3,4]。

4結(jié)語(yǔ)

GPS是近年來發(fā)展較快的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),它具在全球性、全天候的特點(diǎn),并具有連續(xù)精密三維導(dǎo)航與定位能力。GPS定位技術(shù)所有具有的高精度、實(shí)時(shí)工作性與較好的發(fā)展?jié)摿σ饻y(cè)繪工作者的極大興趣。隨著GPS測(cè)量理論與設(shè)備的不斷發(fā)展,使得GPS測(cè)量技術(shù)日趨完善[5,6]。近年來,隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展,其測(cè)量功能更加完善,應(yīng)用面也越來越廣,操作也更簡(jiǎn)便,這使GPS測(cè)量更實(shí)用化。在我國(guó)的路橋設(shè)計(jì)中使用GPS技術(shù),可以減少設(shè)計(jì)成本,彌補(bǔ)常規(guī)傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足,提高設(shè)計(jì)精度與設(shè)計(jì)效率。此外,在道路和橋梁的沉降變形監(jiān)測(cè)方面,GPS監(jiān)測(cè)方法比傳統(tǒng)的工程測(cè)量方法具有更快的速度、更高的效率和更高的精度,在中國(guó)的道路和橋梁的設(shè)計(jì)以及監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖木來,王繼輝.GPS在路橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù),2008(31):51.

[2] 王江.GPS在杭州灣跨海大橋變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2010(s1):278-281.

[3] 宋錄彬.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)在高速公路測(cè)量中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2006(1):83-84.

[4] 吳迪軍.GPS在現(xiàn)代橋梁工程測(cè)量中的應(yīng)用綜述[J].鐵道勘察,2006(2):1-2.

[5] 劉飛燕,陳再輝.GPS技術(shù)在工程變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2006,17(5):84-86.

[6] 林宗云,劉宗泉,余文斌.用GPS技術(shù)建立橋梁變形監(jiān)測(cè)平面基準(zhǔn)[J].地理空間信息,2005,3(1):47-48.