公路橋梁施工控制測量中GPS的應用與技術分析

蘇俊東

摘 要：近年來，國內交通建設不斷加速，每年都有許多公路、橋梁項目破土動工。而要保障公路、橋梁的施工質量，就必須抓好路橋施工控制測量。在路橋施工控制測量中應用GPS技術，可以節(jié)省外業(yè)施測的時間，提高路橋控制測量的精度。本文將分析如何在公路、橋梁施工控制測量中應用GPS技術。

關鍵詞：公路橋梁;施工;控制測量;GPS技術;應用;分析

中圖分類號：U448.14 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0100-02

大型路橋工程施工離不開控制測量，而先進的GPS技術則可以使施工控制測量的水平邁上一個新的臺階。

1 控制測量

控制測量指的是，在某一個測量區(qū)域內，按照測量任務要求的精度，測定一系列控制點的平面位置及其高程，建立起質量控制網(wǎng)，作為地形測量、工程測量的依據(jù)。在本文中，控制測量特指在道路、橋梁工程施工區(qū)域內，為地形測量、工程測量建立控制網(wǎng)所進行的測量。

控制測量包括平面控制測量、高程控制測量、三維控制測量三個方面。平面控制測量主要測量控制點的平面坐標，高程控制測量主要測量控制點的高程，三維控制測量則須測定控制點的三維空間坐標[1]。

長期以來，路橋工程施工控制測量沿用的是傳統(tǒng)外業(yè)模式，主要依靠測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀進行。而路橋工程施工現(xiàn)場往往面積較大，地形復雜，給外業(yè)施測帶來了一定的難度。此外，外業(yè)施測易受雨、霧等氣候條件影響，作業(yè)時間長，勞動強度高，工作量大;而應用GPS技術進行路橋施工控制測量則可以彌補傳統(tǒng)外業(yè)模式的不足。

2 GPS技術

2.1 GPS的由來

一九五九年，美蘇爭霸日趨激烈，雙方都在絞盡腦汁研發(fā)洲際導彈的導航與定位技術。在這一背景下，美國霍布金斯大學應用物理實驗室于當年提出衛(wèi)星導航的設想（子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)），子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)于一九六四年進行首次試驗，大獲成功。實驗證明：只要能在地球上任何地點觀測到衛(wèi)星，便可接收到衛(wèi)星信號進行單點定位或雙點聯(lián)測定位。但子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法進行實時連續(xù)定位，定位精度有限。有鑒于此，五角大樓于一九七三年決定建立全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的英語全稱為Global Positioning System，首字母縮寫為GPS。

一九九四年，經(jīng)過二十多年的努力，前后耗資300億美元的24顆GPS衛(wèi)星全部布置到位，至此，GPS系統(tǒng)正式建立。

2.2 GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)、用戶三部分組成。

2.2.1 衛(wèi)星

在太空中，運行著21顆GPS工作衛(wèi)星與3顆GPS備用衛(wèi)星。它們均勻分布在6個軌道平面上，每個軌道平面上都有3～4顆GPS衛(wèi)星，兩個軌道面之間成60度的平角，對赤道面成55度的傾角，軌道高度在20000公里左右。每顆GPS衛(wèi)星繞地球運行一周的時間大約為12小時。通過這樣的太空布局，可以確保無論地球如何轉動，在地球上任何一個地點、任何一個時間，都可以同時接收到4顆以上GPS衛(wèi)星的信號。

GPS衛(wèi)星配有原子鐘，并向地面實時發(fā)射L1載波信號（頻率為1575.42MHz）與L2載波信號（頻率為1227.60MHz）。

2.2.2 地面控制系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)的中樞是地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)共有一個主控站（位于美國科羅拉多州）、3個注入站（分別位于大西洋、太平洋、印度洋）、5個監(jiān)測站。地面控制系統(tǒng)負責維持GPS衛(wèi)星的正常運行，計算星歷，調整衛(wèi)星原子鐘的誤差，控制衛(wèi)星漂移[2]。

2.2.3 用戶

GPS用戶首先必須配備GPS接收機。常見的GPS接收機包括導航型接收機、測地型接收機、授時型接收機，單頻接收機（只能接收L1載波信號）、雙頻接收機（可以同時接收L1、L2載波信號）。用戶使用GPS接收機，可以進行靜態(tài)定位，動態(tài)定位，隨時獲得自己的三維位置、三維速度、一維時間。

2.3 GPS技術的特點

使用GPS技術進行定位，可以不受時間、不受地點、不受天氣條件的限制。使用GPS技術進行測量，無須進行點與點之間的通視。GPS技術精度高（測速精度可達0.1米/秒，測時精度可達100毫微秒以下，在100～500公里基線上，定位精度可達10-6～10-7。）、速度快、操作簡單（無須再學習復雜、繁瑣的全站儀操作規(guī)程）、自動化程度高。

3 在道路橋梁施工控制測量中應用GPS技術

3.1 在橋梁施工控制測量中應用GPS技術

橋梁工程施工現(xiàn)場面積往往達到幾平方公里～幾十平方公里，橋梁平面控制網(wǎng)布測范圍縱向距離可達0.2～10公里，橫向距離可達0.1～2公里，點位密度大，精度要求高，控制點使用頻繁，而且易受施工的干擾，控制點之間難以進行相互通視。應用GPS技術，則可以補上這一短板。

3.1.1 選擇GPS控制網(wǎng)精度

根據(jù)國家發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，GPS網(wǎng)精度可分AA、A、B、C、D、E六個等級，大型橋梁GPS控制網(wǎng)宜選用C等級，具體地說：相鄰點平均距離10～15公里，固定誤差應小于10毫米，橋墩中心在橋軸線方向上的誤差小于2厘米，點位中誤差小于8毫米。

3.1.2 選擇GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形

GPS控制網(wǎng)，可選擇跟蹤站式、會戰(zhàn)式、同步圖形擴展式（又細分為點連式、網(wǎng)連式、邊連式、混連式）等各種網(wǎng)形。具體到大型橋梁的GPS控制網(wǎng)，宜選用混連式布網(wǎng)，可將網(wǎng)形設計為三角形或環(huán)形。

3.1.3 選擇控制點，布設GPS橋梁控制網(wǎng)

布設GPS橋梁控制網(wǎng)，須仔細選擇控制點?？刂泣c四周須視野開闊，在地面大于十五度的范圍內不允許出現(xiàn)任何障礙物;控制點四周不能有大幅巖石、廣告牌等強反射面。每一個控制點都不得出現(xiàn)支點。每個控制點應與兩個方向保持通視[3]。

3.1.4 GPS控制網(wǎng)施測

（1）宜選用單頻GPS接收機（接收L1載波），接收機須外觀良好、部件、附件齊備;測量人員還須對接收機進行通電檢驗，檢測其信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)是否工作正常，是否能夠迅速鎖定衛(wèi)星信號;然后，測量人員須在不同的基線上對接收機內部噪聲水平進行檢驗（可采用零基線測試法），還須測試GPS接收機的不同測程精度，并且檢驗天線相位中心的穩(wěn)定性。

（2）外業(yè)實施。1）選點埋石。根據(jù)設計網(wǎng)形選擇GPS點，然后在每個GPS點設置一塊標石，再在每塊標石上設置中心標志，標石與標志都必須穩(wěn)固、牢靠。2）選擇外業(yè)模式。GPS橋梁控制網(wǎng)外業(yè)宜采用靜態(tài)相對定位模式。靜態(tài)相對定位模式須組織測量人員，將2臺或2臺以上的GPS接收機分別布置于一條或幾條基線的前后兩端，然后通過手機命令各基線兩端的測量人員同步觀測4顆以上的GPS衛(wèi)星，觀測時間須超過45分鐘。采用該模式作業(yè)，可使觀測基線構成完整的閉合環(huán)，觀測精度高，可靠性強。3）處理觀測數(shù)據(jù)。技術人員通過隨機配置軟件，將測量人員每天的觀測數(shù)據(jù)及時下載到電腦，然后使用隨機基線解算軟件，采用相位觀測值雙差分技術解算外業(yè)基線，并對同步環(huán)、獨立環(huán)的外業(yè)數(shù)據(jù)進行檢核。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不合格，必須要求重新進行外業(yè)觀測。4）處理GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)。使用專用平差軟件，選取坐標系中一個已知點作為基準點，對GPS網(wǎng)進行三維無約束平差，檢查各坐標分量改正數(shù)是否大于3σ。若各坐標分量改正數(shù)小于3σ，則將三維平差后的GPS平面控制點成果轉換到不同的坐標系中，為橋梁施工提供放樣基準。

3.2 在公路施工控制測量中應用GPS技術

3.2.1 在公路平面控制測量中應用GPS技術

（1）選擇GPS控制網(wǎng)精度。根據(jù)國家發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，道路GPS控制網(wǎng)宜選用D等級，具體地說：相鄰點平均距離為0.5～4公里，固定誤差應小于10毫米。

（2）選擇GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形。采用邊連式布網(wǎng)，確保相鄰的兩個三角網(wǎng)之間只有兩個公共點相連。

（3）選擇控制點，布設GPS平面控制網(wǎng)。每隔5公里布設兩個GPS控制點，兩個控制點之間應保持相互通視。每個控制點四周都不允許出現(xiàn)強反射面或大型地物。

（4）采用靜態(tài)定位模式進行外業(yè)施測。在現(xiàn)場進行外業(yè)施測時，必須確保GPS衛(wèi)星高度角大于或等于15度，數(shù)據(jù)采集間隔必須大于或等于15秒，靜態(tài)定位觀測時間必須在90分鐘以上，重復測量的最少基線數(shù)必須超過5條，施測時段數(shù)必須在兩個以上，可有效觀測的GPS衛(wèi)星總數(shù)必須達到6顆。

可分兩天對GPS平面控制網(wǎng)進行三角觀測。各觀測小組之間通過手機保持實時聯(lián)系，測量人員還須隨時查看接收機的觀測指標是否符合定位精度的要求，若不達標則延長觀測時間。

（5）處理觀測數(shù)據(jù)。每天GPS靜態(tài)定位外業(yè)觀測結束后，技術人員均須通過隨機配置軟件下載全部接收機的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù);然后便要進行內業(yè)處理。

1）基線解算。技術人員使用隨機基線解算軟件進行基線解算：選擇一個固定點作為起算點（該起算點坐標絕對誤差必須在20米以上，否則無法達到GPS接收機標稱精度1cm+（1～2）ppm），再對每一個觀測時段解算基線，評定觀測結果是否滿足精度要求。基線解算的結果還須進行同一基線成果互差檢驗與同步環(huán)閉合差檢驗。

2）GPS平面控制網(wǎng)平差。選擇不同時段的基線組成異步閉合環(huán)，檢驗它們的閉合環(huán)誤差是否滿足規(guī)范要求。若滿足規(guī)范要求，則選擇閉合環(huán)差較小的閉合環(huán)進行無約束平差?？刂凭W(wǎng)無約束平差后，分析GPS基線向量網(wǎng)的基線向量改正值，確?；€向量改正值在2ppm以下。然后進行坐標轉換。

3.2.2 在公路高程控制測量中應用GPS技術

（1）布設GPS高程控制網(wǎng)。宜逐級布設GPS高程控制網(wǎng)，根據(jù)測區(qū)的實際情況確定高程控制點的數(shù)量（若線路較長，須增大聯(lián)測點的密度），每隔1～1.5公里設置一個高程控制點，各個控制點應均勻分布。各控制點之間應保持互相通視。

（2）進行外業(yè)施測。組織測量人員在現(xiàn)場進行外業(yè)施測，獲取各控制點的大地高數(shù)值。

（3）計算正常高。采用等值線圖法（其它方法有地球模型法、高程擬合法、加權平均擬合法、非參數(shù)回歸法等等，可根據(jù)實際情況自行選擇），選擇控制點進行解算，計算出正常高。

4 結語

路橋控制測量在路橋工程設計、施工、運管等各個階段都發(fā)揮著重要的作用。而GPS技術具有精度高、施測快、操作簡單等優(yōu)點。在公路、橋梁施工控制測量中應用GPS技術，可以降低外業(yè)施測的勞動強度，提高控制測量的效率與精度，助力路橋建設更好的發(fā)展。

參考文獻

[1] 岳志斌.基于公路橋梁施工控制測量中GPS的應用[J].建筑技術開發(fā)，2018，45（19）：91-92.

[2] 王建.GPS技術在大型橋梁測量控制中的運用分析[J].城市道橋與防洪，2018（01）：124-126+17.

[3] 李思安.GPS在公路橋梁施工控制測量中的應用[J].黑龍江交通科技，2013，36（02）：101+103.