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

王海明

[摘要]在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的金壇，GPS定位技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，GPS定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于精度高、速度快，還具有全天候的特點(diǎn)，因其彌補(bǔ)了很多傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，所以廣泛應(yīng)用于變形測(cè)量中。也具有廣泛的應(yīng)用前景，為了保障和提高變形監(jiān)測(cè)的完成效果，研究GPS定位技術(shù)在監(jiān)測(cè)中應(yīng)用狀況和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是很有必要的。

[關(guān)鍵詞]GPS定位技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)技術(shù)；路橋設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

隨著GPS定位技術(shù)在不斷地向更實(shí)用化發(fā)展，它的測(cè)量范圍越來(lái)越廣，測(cè)量功能越來(lái)越完善，操作也日益簡(jiǎn)便。在工程應(yīng)用上發(fā)揮著不可替代的作用，越來(lái)越發(fā)揮我國(guó)在做路橋設(shè)計(jì)的時(shí)候常常把GPS定位技術(shù)應(yīng)用進(jìn)去，這樣不僅可以避免傳統(tǒng)測(cè)量方法帶來(lái)的弊端，而且可以降低測(cè)量成本，同時(shí)也提高了精度與效率。GPS定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)急需我們發(fā)展應(yīng)用。

一、GPS定位技術(shù)及變形監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

1、GPS定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GPS定位系統(tǒng)也稱全球定位系統(tǒng)，本來(lái)是用于軍事的衛(wèi)星導(dǎo)航和其定位系統(tǒng)，它以衛(wèi)星為基礎(chǔ)，具有全天候、速度快、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，并且GPS具有良好的保密性及抗干擾性。GPS定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它可以全天候地向全球任意一個(gè)用戶提供某一點(diǎn)的時(shí)間信息和三維坐標(biāo)等參數(shù)，且精密度極高，在各種變形監(jiān)測(cè)中都有很好的應(yīng)用，主要包括大壩變形監(jiān)測(cè)、橋梁變形監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)及礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)等特殊地區(qū)監(jiān)測(cè)。

2、變形監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

在上世紀(jì)八十年代之前，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是指常規(guī)的大地測(cè)量和特殊的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。常規(guī)的大地測(cè)量技術(shù)是指人們利用一些測(cè)量工具，如水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀和測(cè)距儀等，來(lái)進(jìn)行測(cè)量。它可以達(dá)到提供變形整體形態(tài)和有效的絕對(duì)變形信息的目的，可以在不同的檢測(cè)環(huán)境下進(jìn)行，用于不同精度要求和不同變形。但因這一操作不能完全達(dá)到自動(dòng)化而耗費(fèi)人力物力，具有很大的工作量，受外界條件影響，精確度也不那么的理想。特殊變形測(cè)量技術(shù)包括準(zhǔn)直測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量和傾斜測(cè)量三種，這種測(cè)量方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還可以對(duì)變形體內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，但它只能提供相對(duì)變形信息，提供的信息就比較的局部化單一化。而發(fā)展至今，人們常說(shuō)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是由指攝影測(cè)量技術(shù)和GPS定位技術(shù)組成的。攝影測(cè)量技術(shù)主要包括地面攝影測(cè)量技術(shù)及航空攝影測(cè)量技術(shù)兩種，它可以記錄被測(cè)量物體的瞬間狀態(tài)和信息，并被長(zhǎng)久地保存下來(lái)，它的優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)量不可接觸和不規(guī)則體，具有客觀性，操作安全又簡(jiǎn)單易行。但它也具有一定的缺陷：攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量距離要求較近，對(duì)設(shè)備與技術(shù)要求較高，因此它的應(yīng)用就受到了限制。而GPS定位技術(shù)就可以對(duì)攝影監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行很好的技術(shù)上的彌補(bǔ)，并在近年來(lái)?yè)碛辛藦V泛的應(yīng)用，收效頗好。

二、GPS定位技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、應(yīng)用特點(diǎn)

GPS定位系統(tǒng)在變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一、在傳統(tǒng)的測(cè)量方法中，往往需要保持測(cè)點(diǎn)之間的通視才能進(jìn)行測(cè)量，而GPS定位系統(tǒng)卻能彌補(bǔ)這一缺陷，只要測(cè)站上空開(kāi)闊就可以就可以進(jìn)行測(cè)量。二、在傳統(tǒng)測(cè)量方法中，想要水平位移和垂直位移的數(shù)據(jù)需要分開(kāi)測(cè)量，這樣操作周期長(zhǎng)、工作量大不好實(shí)現(xiàn)，而GPS定位技術(shù)可以同時(shí)提供測(cè)點(diǎn)的三維位移信息。三、GPS定位技術(shù)受限制的因素極少，可以全天候監(jiān)測(cè)，不受天氣地形等原因的影響。四、GPS定位技術(shù)可以提供1×10-6的監(jiān)測(cè)精度，精度極高。五、GPS定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

2、應(yīng)用方案

變形監(jiān)測(cè)的作業(yè)及監(jiān)測(cè)模式有周期性重復(fù)測(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及固定連續(xù)GPS測(cè)站陣列三種。在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)國(guó)家規(guī)定的變形監(jiān)測(cè)等級(jí)進(jìn)行劃分，明確相關(guān)的精度和參數(shù)要求。GPS用于監(jiān)測(cè)的方案主要有以下幾種：一、在每個(gè)測(cè)點(diǎn)都安裝一臺(tái)GPS機(jī)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，保證每一點(diǎn)都有一機(jī)。二、如果要進(jìn)行多期監(jiān)測(cè)需要滿足每一期的接收機(jī)臺(tái)數(shù)和型號(hào)都相同。三、要選擇衛(wèi)星較多的時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)注重衛(wèi)星的位置分布。四、基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)之間的距離最好不要超過(guò)5km。

3、GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的應(yīng)用的作業(yè)方式

GPS在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的作業(yè)方式主要有兩種，即周期性和連續(xù)性。周期性監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式相似，變形體的變化相對(duì)緩慢，對(duì)變形體的監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，在這種監(jiān)測(cè)方式下基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇就顯得尤為重要。連續(xù)性監(jiān)測(cè)指的是對(duì)某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)性長(zhǎng)期的觀測(cè)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在這種監(jiān)測(cè)方式下數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，分辨率強(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)的分析測(cè)算有著較高的要求。

4、GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用誤差

在任何測(cè)量中都會(huì)存在一定的誤差，誤差會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)的精度和準(zhǔn)確度有一定的影響。在GPS測(cè)量中按誤差的性質(zhì)可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差主要有衛(wèi)星軌道誤差、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、接收機(jī)鐘差等。偶然誤差則主要是多路徑效應(yīng)引起的誤差及測(cè)量觀測(cè)誤差等。如果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，主要通過(guò)在數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型中引入未知參數(shù)，以及運(yùn)用監(jiān)理系統(tǒng)誤差模型計(jì)算該證書(shū)及同步觀測(cè)數(shù)據(jù)求差等方法，來(lái)消除影響。若出現(xiàn)偶然誤差，則可以通過(guò)增加觀測(cè)系數(shù)、完善觀測(cè)條件和調(diào)整觀測(cè)時(shí)間等途徑對(duì)其影響進(jìn)行減弱。按誤差來(lái)源分為了與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播相關(guān)的誤差，及與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。

5、GPS在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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)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)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，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，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。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。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。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(lái)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(lái)了新的血液，可以極大提高了外業(yè)作業(yè)效率。

結(jié)語(yǔ)

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。本文分析了GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步探討了變形監(jiān)測(cè)中GPS的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)效果的保障等具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)

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