淺析GPS定位技術(shù)在長山大橋施工測量中的應(yīng)用

燕雪峰 鄂思臣

【摘 要】GPS定位技術(shù)應(yīng)用于工程測量是一項(xiàng)重大革命，GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)，使其在大地測量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合長山大橋施工測量的特點(diǎn)，主要介紹GPS系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)，分析了GPS的靜態(tài)與動態(tài)兩種方式的定位精度以及在橋梁施工中的應(yīng)用，對于跨海大橋施工測量選擇不同的GPS定位方式給出了自己的看法。

【關(guān)鍵詞】GPS靜態(tài)定位 原理 RTK

1 長山大橋工程概況

長山大橋工程路線全長3.380km，其中大橋的橋梁部分全長1.79 km，跨海部位約1690m；跨海部分的大橋控制點(diǎn)（設(shè)計(jì)院提供）中最近的兩個點(diǎn)距離約1.784 km，可見采用常規(guī)的三角測量方法實(shí)測大橋平面控制網(wǎng)和大橋細(xì)部結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)難度相當(dāng)大，而且定位精度很難達(dá)到。結(jié)合本橋的施工實(shí)際情況，我們采用GPS定位技術(shù)和全站儀放樣結(jié)合的方式來進(jìn)行本大橋的測量控制工作。鑒于全站儀放樣大家都比較熟悉，下面本文主要對GPS定位技術(shù)原理以及本大橋測量中的應(yīng)用進(jìn)行分析和闡述。

2 GPS 構(gòu)成

GPS 主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

（1）GPS 空間衛(wèi)星星座由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成。24 顆衛(wèi)星均勻地分布在 6 個軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為 55°，衛(wèi)星的平均高度為20180km，運(yùn)行周期為 11 h 58 min。衛(wèi)星用 L 波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時刻，在高度角 15°以上，平均可同時觀測到 6 顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到 9 顆。

（2）GPS 地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對 GPS 衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器中。

（3）GPS 用戶設(shè)備由 GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對信號進(jìn)行交換、放大與處理，再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、GPS 網(wǎng)平差，求出 GPS 接收機(jī)中心的三維坐標(biāo)。

3 GPS定位原理

GPS定位簡單講，就是用戶用地面的接收設(shè)備接受衛(wèi)星發(fā)射的測距碼，解算出待定點(diǎn)與衛(wèi)星之間的距離，由已知的衛(wèi)星坐標(biāo)推算出待定點(diǎn)的坐標(biāo)。按照定位方式它又分為絕對定位和相對定位。

3.1 絕對定位

GPS定位是根據(jù)測量中的距離交會定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。例如：在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，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(dǎo)航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時刻GPS接收機(jī)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(biāo)）。從而用距離交會的方法求得 P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（Xp，Yp，Zp），其數(shù)學(xué)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(biāo)。

3.2 相對定位

相對定位是用兩臺接受機(jī)分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對位置或基線向量。同樣，多臺接收機(jī)安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過同步觀測GPS衛(wèi)星可以確定多條基線向量。在一個端點(diǎn)坐標(biāo)已知的情況下，可以用基線向量推求另一個待定點(diǎn)的坐標(biāo)。

相對定位有靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位之分。

圖（1）

相對定位實(shí)現(xiàn)的原理是，見圖（1）在兩個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測量的不同組合（求差）進(jìn)行相對定位，可有效的消除或減弱相關(guān)誤差的影響，從而提高相對定位的精度。相對定位實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型分為：①單次差分模型；②二次差分模型；③三次差分模型。

4 GPS測量在大橋施工測量中的應(yīng)用

4.1 GPS靜態(tài)測量在橋梁控制網(wǎng)測量中的應(yīng)用

長山大橋的控制點(diǎn)共有九個點(diǎn)，分別分布在橋梁的南北兩側(cè)，其中北岸埋設(shè)了五個控制點(diǎn)，南岸埋設(shè)了四個控制點(diǎn)，南北兩岸控制點(diǎn)最近的兩個點(diǎn)距離達(dá)到了1.784 km。所以本橋如果采用傳統(tǒng)的三角測量復(fù)測全橋控制網(wǎng)，很顯然受地理環(huán)境，溫度，氣壓，折光系數(shù)等不利的外界條件影響，測量出來的成果精度不會很高，即使通過選擇精度較高的儀器，選擇好的觀測條件，增加測回?cái)?shù)等方面來復(fù)測控制網(wǎng)，也會使控制測量增加人力，物力，時間等使得控制網(wǎng)復(fù)測變的很繁瑣，但結(jié)果卻不一定理想。下圖為本橋控制網(wǎng)布置圖。

圖（2）

見圖（2）控制點(diǎn)分布圖中平面點(diǎn)按設(shè)計(jì)院交樁等級C級GPS網(wǎng)進(jìn)行測量，復(fù)測組網(wǎng)以三角形為基本構(gòu)網(wǎng)圖形按邊聯(lián)式組成帶狀網(wǎng)。由4臺GPS接收機(jī)利用靜態(tài)測量進(jìn)行同步觀測，觀測2個時段，每個時段60分鐘。整個作業(yè)僅花費(fèi)1天半的時間，其效率非常之高，經(jīng)過平差處理后，二維約束平差中最弱邊精度為1/189000，最弱邊方向中誤差為0.86″，點(diǎn)位中誤差4.6mm，其精度完全滿足C級GPS網(wǎng)精度。精度比常規(guī)測量要高許多，且誤差穩(wěn)定分布均勻。大橋測量控制點(diǎn)成果見表1。

表1

點(diǎn)名稱 交樁坐標(biāo) 復(fù)測值 較差

X（m） Y（m） X（m） Y（m） △X（mm） △Y（mm）

CSDQ01 4347962.062 470132.033 4347962.070 470132.032 -2 -1

CSDQ02 4348204.046 470890.587 4348204.046 470890.587 0 0

CSDQ03 4347025.630 470692.527 4347025.628 470692.525 -2 -2

CSDQ04-1 4345253.286 470899.641 4345253.279 470899.646 -7 5

CSDQ05 4344919.742 471407.324 4344919.742 471407.324 0 0

CSDQ06-1 4344955.497 470928.186 4344955.488 470928.194 -9 8

CSDQ07 4347553.238 470550.588 4347553.237 470550.589 -1 1

CSDQ08 4345001.823 470751.709 4345001.824 470751.717 1 8

CSDQ09 4347447.659 470736.561 4347447.658 470736.566 -1 5

4.2 GPS-RTK定位測量在橋梁下部基礎(chǔ)放樣的應(yīng)用

RTK定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實(shí)時差分GPS定位技術(shù)，實(shí)施動態(tài)測量。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，同時通過輸入的相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，實(shí)時得到流動站的三維坐標(biāo)及精度。

（1）求取地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS84和北京54坐標(biāo)（或地方獨(dú)立網(wǎng)格坐標(biāo)）以及高程的公共點(diǎn)，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為RTK動態(tài)測量做好準(zhǔn)備。由于控制點(diǎn)均為自設(shè)點(diǎn)，沒有精確的WGS84坐標(biāo)，先用接收機(jī)在一控制點(diǎn)上連續(xù)觀測一天，處理得的比較準(zhǔn)確的WGS84坐標(biāo)。選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時要注意以下兩個問題：①要選測區(qū)四周及中心的控制點(diǎn)，均勻分布；②為提高轉(zhuǎn)化精度，最好選4個以上的點(diǎn)，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）進(jìn)行點(diǎn)校正。通常所用的坐標(biāo)系統(tǒng)和大地水準(zhǔn)面模型不考慮投影中的當(dāng)?shù)仄?，因此要通過點(diǎn)校正來減少這些偏差，獲得更精確的當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格坐標(biāo)，可以利用GPS-RTK工作手簿的點(diǎn)校正功能進(jìn)行測定，在作業(yè)時要注意以下三個問題：①要選測區(qū)四周及中心的控制點(diǎn)，均勻分布，且點(diǎn)位要能包圍住整個測區(qū)；②要用Planning軟件查看多項(xiàng)預(yù)測指標(biāo)，選擇衛(wèi)星分布較好的時間段測量。③要用三角架、對點(diǎn)基座架設(shè)衛(wèi)星天線，每個點(diǎn)必須連續(xù)觀測十分鐘以上。

（3）基準(zhǔn)站和流動站設(shè)置?；鶞?zhǔn)站設(shè)置除滿足GPS靜態(tài)觀測的條件外，還應(yīng)設(shè)在地勢較高，四周開闊的位置，便于電臺的發(fā)射。具體作業(yè)先將基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上，開機(jī)后進(jìn)行必要的系統(tǒng)設(shè)置、無線電設(shè)置及天線高等輸入工作。流動站接收機(jī)開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、無線電設(shè)置，輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，再進(jìn)行流動站的設(shè)置和初始化工作。

在GPS基站和流動站設(shè)置好后就可以用于本大橋的施工放樣中，①海上棧橋樁及鉆孔平臺樁的插打時通過在打樁船上設(shè)立兩個臨時測量點(diǎn)，該測量點(diǎn)和打樁船的打樁架中心（即插打樁中心）形成一個相對關(guān)系，通過計(jì)算測量兩個臨時點(diǎn)反算出樁中心的坐標(biāo)，然后調(diào)整打樁船位置，GPS-RTK測量能夠快速準(zhǔn)確的提供點(diǎn)位坐標(biāo)，保證打樁工作能夠順利的開展；②鉆孔樁鋼護(hù)筒的插打和承臺鋼套箱的下放定位時對于距離大橋測量控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的主墩鉆孔樁和承臺套箱的定位通過全站儀來直接測量定位是滿足不了施工要求的，且受到海上大風(fēng)大霧以及不通視等不利因素的影響，利用GPS-RTK測量技術(shù)就可以直接定位待放樁位的位置，而且在下放承臺鋼套箱時可以實(shí)時動態(tài)的監(jiān)控測量，保證下放準(zhǔn)確無誤，并不受白天黑夜的時間限制；③在承臺以上的結(jié)構(gòu)物放樣中，考慮到GPS-RTK的定位精度 （RTK定位精度經(jīng)實(shí)地復(fù)核點(diǎn)位誤差能達(dá)到15mm以內(nèi)）以及規(guī)范要求，采用GPS靜態(tài)測量轉(zhuǎn)點(diǎn)到已有承臺上，然后利用全站儀來交回測量定位，轉(zhuǎn)點(diǎn)時靜態(tài)測量按規(guī)范進(jìn)行測量。從整個過程來看，RTK定位技術(shù)運(yùn)用到橋梁的施工放樣中有很多優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時提供測點(diǎn)三維坐標(biāo)，大大提高了放樣效率，現(xiàn)場及時對觀測質(zhì)量進(jìn)行檢查，避免外業(yè)出現(xiàn)返工。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，在橋梁施工平面控制網(wǎng)測量中以及橋梁下部基礎(chǔ)定位放樣應(yīng)用GPS技術(shù)是切實(shí)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(qiáng)度，節(jié)省測量的費(fèi)用，使測量工作更為輕松容易。另外，隨著科技不斷進(jìn)步，未來的測量技術(shù)將會是由GPS技術(shù)與GIS集成、實(shí)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(qiáng)將是其主要特點(diǎn)。

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