淺析GPS技術(shù)在橋梁工程測量中的應(yīng)用

顧怡明

【摘 要】在工程測量中，要求施工部門必須要有全站儀，并用于施工控制測量和檢測，以保證控制測量和施工放樣的精度，滿足工程質(zhì)量要求。而GPS定位系統(tǒng)因其所具有的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、地籍測量、物探測量及各種類型的變形監(jiān)測等。本文分析了GPS定位原理及其在工程測量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS定位技術(shù)；工程測量；應(yīng)用

1.GPS定位原理

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)，其是以GPS衛(wèi)星和用戶接收天線之間的幾何距離觀測量為ρ基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標（XS、YS、ZS），確定用戶天線所對應(yīng)的位置，即觀測站的位置。設(shè)接收機天線的相位中心坐標為（X、Y、Z），則衛(wèi)星的瞬時坐標（XS、YS、ZS）可根據(jù)導航電文獲得，所以式中只有X、Y、Z三個未知量，只要同時接收3顆GPS衛(wèi)星，就能解出測站點坐標（X、Y、Z）?？梢钥闯觯珿PS單點定位的實質(zhì)就是空間距離的后方交會。

2.GPS測量的技術(shù)特點

相對于常規(guī)的測量方法來講，GPS測量有以下特點：

（1）測站之間無需通視，使得測量時選點非常靈活，不需建造覘標，作業(yè)成本低，大大降低了費用。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。

（2）GPS定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5 mm+1ppm，紅外儀標稱精度為5 mm+5ppm，GPS定位精度與紅外儀的精度相當。且GPS作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。實踐證明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500 km的基線上可達10-6～10-7。

（3）觀測時間短。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時每個測站上的觀測時間一般在1～2 h左右。為了進一步縮短觀測時間，提高作業(yè)速度，采用快速靜態(tài)定位法，其觀測時間只需1～2min。

（4）GPS定位技術(shù)可實時提供所在位置的三維坐標。GPS測量中，在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。

（5）GPS接收機性能穩(wěn)定，可在任何地點進行全天候工作，一般不受天氣狀況的影響，大大方便了測量作業(yè)，有利于按時、高效地完成控制網(wǎng)的布設(shè)。

（6）GPS定位測量系統(tǒng)可實現(xiàn)自動記錄數(shù)據(jù)、自動平差計算、跟蹤觀測等均由儀器自動完成，操作簡單，可大大提高工作及成果質(zhì)量。

3.GPS定位系統(tǒng)在橋梁工程測量中的應(yīng)用

3.1設(shè)計精度

根據(jù)工程需要和測區(qū)情況，選擇城市或工程二級GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)。要求平均邊長小于1km，最弱邊相對誤差小于1/10000，GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數(shù)b≤20×10-6。

3.2設(shè)計基準和網(wǎng)形

控制網(wǎng)共12個點，其中聯(lián)測已知平面控制點2個，高程控制點5個。采用3臺GPS接收機觀測，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

3.3選擇最佳觀測時段

根據(jù)衛(wèi)星可見預報和天氣預報選擇最佳觀測時段（最佳衛(wèi)星圖形）和大于15°的衛(wèi)星仰角。衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高。衛(wèi)星的分布情況可用GPS平差軟件查看多項預測指標，當衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值<6的情況下，合理編排作業(yè)調(diào)度表，以達到特殊工作的要求和目的。對于個別有較多或較大障礙物的測站，需評估障礙物對GPS觀測可能產(chǎn)生的不良影響。

3.4選點

GPS測量測站點之間無需通視，使得測量選點較為靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但考慮GPS測量的特殊性，在選點時還應(yīng)考慮以下幾個因素：

（1）每點最好與某一點通視。

（2）點應(yīng)選擇在上空開闊、有利擴展、易于保存、視場內(nèi)周圍障礙物的高度角小于15°、無樹木遮擋、無強電磁干擾、多路徑誤差影響小的點位上，以免信號被遮擋或吸收，從而影響對衛(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量。

（3）點位要遠離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，其距離應(yīng)大于200m，以免電磁場對信號的干擾。

（4）點位附近不應(yīng)有大面積水域或?qū)﹄姶挪ǚ瓷洌ɑ蛭眨娏业奈矬w，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。當選點結(jié)束后，按要求埋設(shè)標石，并填寫點之記。

3.5觀測

根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表安排進行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。在3個點上同時安置3臺接收機天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿。然后根據(jù)所得的外業(yè)數(shù)據(jù)及時進行處理，解算出基線向量，并對由合格的基線向量所構(gòu)建成的GPS基線向量網(wǎng)進行平差解算，從而得出網(wǎng)中各點的坐標成果。在測量的過程中，為避免出現(xiàn)測量誤差，應(yīng)嚴格限制高頻及對講機等無線電波的使用，避免環(huán)境對信號的干擾，從而提高GPS本身的定位精度。

4.GPS定位的誤差分析

4.1空間衛(wèi)星的誤差

主要有衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星設(shè)備延遲誤差。其中，衛(wèi)星軌道誤差是當前GPS定位測量的主要誤差來源之一。

在具體的測量中，減小衛(wèi)星軌道誤差的方法有：①忽略軌道誤差：該法是以從導航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準，不再考慮衛(wèi)星軌道實際存在的誤差，用于精度較低的實時單點定位工作中；②采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)：該法是在數(shù)據(jù)處理中引入表征衛(wèi)星軌道偏差的改正參數(shù)，并假設(shè)在短時間內(nèi)這些參數(shù)為常量，將其與其他未知數(shù)一并求解；③同步觀測值求差：該法是利用在2個或多個觀測點，對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，適用于高精度的相對定位。

4.2衛(wèi)星信號傳播誤差

主要有電離層傳播延遲、對流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差等。其中，由于多路徑效應(yīng)誤差對測相偽距的影響可達到厘米級，常導致所接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳，因此，多路徑效應(yīng)誤差是不容忽視的。在具體的測量中，減小多路徑效應(yīng)誤差的方法有：①選擇合適的基線范圍（小于7km）、衛(wèi)星高度角，避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等；②在測量的過程中選擇適宜且屏蔽良好的天線，避免環(huán)境對信號的干擾，從而提高GPS本身的定位精度；③適當延長觀測時間；④在接收機天線下配置抑徑板，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。

4.3接收機誤差

主要有觀測誤差（觀測分辨誤差、接收機天線相對觀測點的安置誤差）、接收機鐘差、天線的相位中心位置誤差和載波相位觀測的整周不定性誤差。

4.4施工本身所導致的誤差

在施工中，電腦操作人員與前方的作業(yè)人員配合不默契，以及測量時操作程序不規(guī)范，致使出現(xiàn)天線對中誤差、天線相位中心偏差、定位精度指標CQ值等誤差。

5.結(jié)束語

綜上所述，GPS定位系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁工程測量中，具有無需通視、定位精度高、觀測時間短、可全天候工作、可提供三維坐標及操作簡單等優(yōu)點，大大提高了工作效率，保證了橋梁工程測量的精度。目前，隨著衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS軟硬件的不斷更新，GPS定位系統(tǒng)在橋梁工程測量中有著廣闊的應(yīng)用前景，為橋梁工程測量質(zhì)量提供了有利的保障，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。 [科]

【參考文獻】

[1]張春雨.GPS定位原理及其在橋梁工程測量中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2007（10）.

[2]張延安，段常在.GPS定位原理及誤差分析概述[J].內(nèi)蒙古水利，2006（2）.