GPS及RTK在橋梁復(fù)測(cè)中的精度探討

朱軍桃,孫昌瑜,焦元元

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

GPS及RTK在橋梁復(fù)測(cè)中的精度探討

朱軍桃,孫昌瑜,焦元元

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

探討了應(yīng)用GPS及RTK技術(shù)對(duì)橋梁施工控制網(wǎng)以及橋梁軸線復(fù)測(cè)的精度,并與常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行比較分析,得出了GPS及RTK技術(shù)可應(yīng)用于橋梁控制網(wǎng)的建立和橋梁軸線點(diǎn)位的基礎(chǔ)測(cè)量工作中.

GPS;RTK;精度;比較

0 前 言

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展,橋梁建設(shè)已經(jīng)邁入了一個(gè)新的歷史階段,正由橋梁大國向技術(shù)強(qiáng)國邁進(jìn).各種特大型橋梁飛跨南北,成為國家交通網(wǎng)絡(luò)中的重要樞紐.在這些科技含量高、工程規(guī)模浩大的橋梁建設(shè)中,測(cè)繪作為建設(shè)的先行,貫穿整個(gè)橋梁建設(shè)的始終.但我國在建和擬建的許多特大型橋梁中,由于其工期時(shí)間長、地理?xiàng)l件復(fù)雜,施工工藝和精度要求高,所以在橋梁施工過程中,對(duì)已有測(cè)量成果進(jìn)行定期的復(fù)測(cè)是十分必要的.下面筆者以郴汝高速公路第22合同段的王子塘水庫大橋復(fù)測(cè)為例對(duì)GPS及RTK的精度進(jìn)行了分析比較.

1 GPS及RTK的工作原理

1.1 GPS的工作原理

GPS通常采用測(cè)距的方法來提供各種數(shù)據(jù).除此之外,還可采用多普勒定位與測(cè)速法、載波相位法和干涉法定位.

GPS用戶設(shè)備接收衛(wèi)星發(fā)布的信號(hào),根據(jù)星歷表信息,可以求得每顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置.用戶設(shè)備還測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間,并求出衛(wèi)星到觀測(cè)點(diǎn)的距離.如果用戶設(shè)備有與GPS系統(tǒng)時(shí)間同步時(shí)鐘,那么僅用三顆衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航,這時(shí)以三顆衛(wèi)星為中心,以所求得的三顆衛(wèi)星的距離為半徑作三個(gè)球面,觀測(cè)點(diǎn)就位于球面的交點(diǎn)處.由于測(cè)量存在著誤差,通常采用觀測(cè)四顆以上衛(wèi)星的方法測(cè)其偽距,建立方程組,就能比較精確的解得觀測(cè)點(diǎn)的三維位置和用戶鐘誤差.

1.2 RTK的工作原理

RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,它實(shí)現(xiàn)的是實(shí)時(shí)全球定位,又稱載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù).它能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度.其工作原理是將基準(zhǔn)站采集的GPS衛(wèi)星載波相位觀測(cè)值通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行編碼和調(diào)試,經(jīng)電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈法射出去.而移動(dòng)站在對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并采集載波相位觀測(cè)值的同時(shí),也接收來自基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào).移動(dòng)站通過解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)值,再利用OTF技術(shù)對(duì)由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站采集的載波相位觀測(cè)值所確定的差分改正數(shù)動(dòng)態(tài)求解整周模糊度.在整周未知數(shù)解固定后,對(duì)每個(gè)歷元進(jìn)行實(shí)時(shí)處理.只要能保證4顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的衛(wèi)星幾何圖形,移動(dòng)站可根據(jù)給定的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位精度.

2 GPS及 RTK在王子塘水庫大橋復(fù)測(cè)中的精度分析

2.1 工程概況

王子塘水庫大橋是汝郴高速公路22合同段的項(xiàng)目,是由湘潭路橋公司所承建,全長0.5 km的曲線高架橋 .其大致位于東經(jīng) 113°04′,北緯 25°34′左右.這個(gè)測(cè)區(qū)所屬投影分帶為 6°帶的第19°帶,3°帶的第38°帶.該項(xiàng)目選用 3°帶投影方式,其中央子午線為114°,根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》的技術(shù)要求,GPS相對(duì)定位測(cè)量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)選用北京―54坐標(biāo)系.

該地段兩岸地勢(shì)高低起伏,地物稀少,地面和空間通視條件較好,無明顯遮蓋物,符合GPS及RTK觀測(cè)條件的要求,故采用GPS及RTK對(duì)橋梁施工過程中的已有成果進(jìn)行復(fù)測(cè).

2.2 GPS測(cè)量與常規(guī)控制測(cè)量點(diǎn)位精度的比較

(1)常規(guī)平面控制測(cè)量的平差精度

王子塘水庫大橋首級(jí)控制網(wǎng)的建立是按照一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量的的精度要求進(jìn)行布設(shè).采用拓普康GTS330N全站儀(測(cè)角精度為2″測(cè)距精度:±(2mm+2 ppm*D))對(duì)各個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)測(cè)回的角度及邊長的測(cè)量,形成附和導(dǎo)線,其中已知點(diǎn)坐標(biāo)為D1(30250.424,8078.387,646.9600)、D2(29943.487,8233.887,655.7084)、D3(31520.411,7192.889,628.758)、D4(32016.102,6984.541,603.960),已知方位角為 α12=153°07′57″,α34=337°12′08″.外業(yè)測(cè)量完成后,將其控制點(diǎn)及加密導(dǎo)線點(diǎn)之間的角度和邊長輸入到平差易軟件后,設(shè)置相應(yīng)的平差參數(shù),經(jīng)導(dǎo)線網(wǎng)平差得各導(dǎo)線點(diǎn)的中誤差如表1所示.

表1 導(dǎo)線控制網(wǎng)平差精度 單位:mm

(2)常規(guī)高程控制測(cè)量的平差精度

王子塘水庫大橋的橋梁高程控制網(wǎng)的建立是用拓普康DL-111C電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行高差的三等水準(zhǔn)測(cè)量,每公里往返測(cè)高差中誤差為±0.3mm.將觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入到平差易軟件經(jīng)水準(zhǔn)網(wǎng)平差后得中誤差如表2所示.

表2 水準(zhǔn)測(cè)量精度 單位:mm

(3)GPS網(wǎng)的控制測(cè)量平差精度

本次王子塘水庫大橋控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)采用了三臺(tái)華測(cè)X90的GPS.其精度指標(biāo)為:靜態(tài)平面精度:±3mm+1 ppm;靜態(tài)高程精度:±5mm+1 ppm;RTK平面精度:±1cm+1 ppm;RT K高程精度:±2cm+1 ppm.一個(gè)時(shí)段的觀測(cè)時(shí)間為45 min,外業(yè)完成后將觀測(cè)數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī),然后將其導(dǎo)入隨機(jī)攜帶的華測(cè)Compass的GPS平差數(shù)據(jù)處理軟件中,平差之后得到中誤差如表3所示.

表3 GPS控制網(wǎng)平差精度 單位:mm

(4)GPS控制測(cè)量與常規(guī)控制測(cè)量的精度較差

GPS控制測(cè)量與常規(guī)控制測(cè)量的坐標(biāo)、高程精度較差如表4所示.

表4 坐標(biāo)、精度較差 單位:mm

由表4可知:X坐標(biāo)的精度最大較差為0.7mm,Y坐標(biāo)的精度最大較差為0.7mm,高程的精度最大較差為1.4mm.

通過對(duì)上述實(shí)例的比較分析,可以看出,應(yīng)用常規(guī)控制測(cè)量的方法,其平面坐標(biāo)的測(cè)量精度比應(yīng)用GPS的測(cè)量精度低,但在高程控制測(cè)量中,其精度卻高于應(yīng)用GPS的精度.

2.3 RTK測(cè)量與全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量的精度比較

(1)極坐標(biāo)法測(cè)量

王子塘水庫大橋橋梁軸線的檢測(cè)首先是運(yùn)用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行施測(cè).其控制點(diǎn)為R1(30948.9337,7332.8994,629.1650)和R2(31084.0092,7262.1984,632.1509),其方位角為 αR1-R2=152°22′19″.極坐標(biāo)法測(cè)量示意圖如圖1所示.

圖1 極坐標(biāo)法測(cè)量

由圖1可得:

式中αAC=αAB+β.

在運(yùn)用全站儀對(duì)王子塘水庫大橋橋軸線測(cè)量時(shí),其角度測(cè)量兩個(gè)測(cè)回,距離測(cè)量四次.然后按公式(1)式計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo),結(jié)果如表5所示.

表5 極坐標(biāo)法測(cè)量坐標(biāo) 單位:m

(2)RTK測(cè)量與極坐標(biāo)法測(cè)量坐標(biāo)較差的比較

RTK點(diǎn)位測(cè)量的坐標(biāo)結(jié)果在其手薄上顯示,數(shù)據(jù)如表6所示.

表6 RTK測(cè)量坐標(biāo) 單位:m

則RTK測(cè)量與極坐標(biāo)測(cè)量的坐標(biāo)較差如表7所示.

表7 坐標(biāo)較差 單位:mm

由表7可知,X坐標(biāo)的最大較差為21mm,較差值中誤差為 Mx==14mm,Y坐標(biāo)的最大較差為17mm,較差值中誤差為:My==13mm.

以上結(jié)果表明:RTK測(cè)量與全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量的較差值大部分為厘米級(jí),但其精度指標(biāo)都能滿足工程的需要,采用RTK測(cè)量提高了定位精度,確保了測(cè)量成果的可靠性,而且測(cè)量誤差均勻獨(dú)立沒有誤差積累.因此,橋梁施工中的點(diǎn)位基礎(chǔ)測(cè)量工作可以應(yīng)用RTK技術(shù)來實(shí)現(xiàn).

3 結(jié) 論

本論文通過GPS及RTK對(duì)郴汝高速22標(biāo)段的王子塘水庫大橋的復(fù)測(cè),得出了常規(guī)測(cè)量的平面精度與其GPS測(cè)量的精度相當(dāng),但在高程控制測(cè)量中,其精度卻高于應(yīng)用GPS的精度.因此建議在控制測(cè)量中,運(yùn)用GPS定位技術(shù)與常規(guī)控制測(cè)量技術(shù)聯(lián)合測(cè)量的方法,以便得到高精度的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)成果.通過RTK技術(shù)對(duì)橋梁軸線的復(fù)測(cè),得出了RTK測(cè)量的與其全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量都能滿足一般工程的需要,而且RTK技術(shù)又有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),因此可以將RTK技術(shù)應(yīng)用到橋梁施工中的點(diǎn)位基礎(chǔ)測(cè)量工作中.

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Precision of GPS and RTK in Bridge Repetition Measuring

ZHU Jun-tao,SUN Chang-yu,JIAO Yuan-yuan
(Civil Engineering College Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

T his article discusses the precision of GPS and RTK technology in bridge construction control nets and axis measuring,and analyzes the traditional measuring way.It can be concluded that GPS and RTK can be applied in establishing bridge control network and measuring point.

GPS;RTK;precision;comparision

P228

A

1671-119X(2011)01-0089-03

2010-10-08

朱軍桃(1970-),男,副教授,研究方向:工程測(cè)量與數(shù)據(jù)處理.