淺談橋梁施工測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用——ＧＰＳ定位系統(tǒng)

吳建明

摘要：介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的組成，分析了GPS系統(tǒng)在施工測(cè)量方面的特點(diǎn)，結(jié)合具體工程實(shí)例，探討了GPS定位系統(tǒng)在橋梁施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS; 橋梁; 施工測(cè)量

GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)，使其在各類大地測(cè)量控制網(wǎng)的加強(qiáng)改造和建立以及在橋梁工程測(cè)量和大型構(gòu)造物的變形測(cè)量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1 GPS的構(gòu)成

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分-GPS星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分-GPS 信號(hào)接收機(jī)。

1.1空間部分

GPS的空間部分是由24 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空均勻分布在6 個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰ΑPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國(guó)軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無(wú)法解讀,主要為美國(guó)軍方服務(wù)。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

1.2地面控制部分

地面控制部分由一個(gè)主控站,5 個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3 個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù),計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3 個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間,但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。

1.3用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。

2 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

定位精度高。在300～1500 m 工程精密定位中，1h以上觀測(cè)的解，其平面位置誤差小于1 mm，與ME一5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定的邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)校差最大 為0.5 mm，校差中誤差為0.3mm。

觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20k m以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15～20 min；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15 km以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1～2 min，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。

測(cè)站間無(wú)須通視。GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視，只需測(cè)站上空開闊即可。由于無(wú)需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作。

可提供三維坐標(biāo)。GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。

操作簡(jiǎn)便。系統(tǒng)操作的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，接收機(jī)的體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕。全天候作業(yè)。目前GPS觀測(cè)可在一天24h內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受 陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。

功能多、應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè) 速的精度可達(dá)0.1 m/s，測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。當(dāng)初設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。但是，后來(lái)的應(yīng)用開發(fā)表明， GP S系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的，而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來(lái) 的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位、米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位、亞米級(jí)至厘米級(jí)精度 的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。

3 GPS技術(shù)在橋梁施工測(cè)量中的應(yīng)用

GPS自20世紀(jì)80年代中葉投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測(cè)量界的控制測(cè)量中起了劃時(shí)代的作用。正因?yàn)樗陟o態(tài)相對(duì)定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視，使人們普遍用來(lái)逐漸代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了可喜的成果。但在精密工程變形監(jiān)測(cè)中還少有應(yīng)用，尚處于理論研究和實(shí)踐摸索之中。

3.1 在橋梁施工測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在橋梁施工中，測(cè)量所擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)是控制網(wǎng)的布設(shè)、測(cè)量、檢核和結(jié)構(gòu)物的放樣。傳統(tǒng)的橋梁，其施工控制網(wǎng)通常布設(shè)成三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)，采用經(jīng)緯儀配合測(cè)距儀或利用全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，往往需要耗費(fèi)大量的人力物力。

由于橋梁自身的特點(diǎn)，橋梁施工控制網(wǎng)邊長(zhǎng)一般較長(zhǎng),特別是跨越大江大河的特大型橋梁,更具有跨度大的特點(diǎn)，這就給傳統(tǒng)的測(cè)量方法增加了一定難度。隨著跨海大橋的出現(xiàn)。GPS 更體現(xiàn)了其無(wú)可替代的優(yōu)越性，所以應(yīng)用GPS方法比用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)量更具優(yōu)勢(shì)。

采用GPS的靜態(tài)定位法進(jìn)行橋梁控制網(wǎng)的測(cè)量,因其不受外界環(huán)境干擾，所以可大大縮短外業(yè)觀測(cè)時(shí)間，提高工作效率。同時(shí)，由于靜態(tài)定位法觀測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)，測(cè)量成果的可靠性好，其精度完全能滿足橋梁施工的需要。

3.2 在橋梁施工測(cè)量中的應(yīng)用

杭州灣跨海大橋全長(zhǎng)36km，是目前世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，杭州灣跨海大橋工程測(cè)量如果單純地運(yùn)用常規(guī)的測(cè)量?jī)x器(全站儀和水準(zhǔn)儀) 進(jìn)行測(cè)量其難度是可想而知的，而僅僅依靠GPS測(cè)量技術(shù)因精度限制因素也無(wú)法完成，只有運(yùn)用GPS技術(shù)同時(shí)借助常規(guī)儀器才能完成其測(cè)量任務(wù)。大海寬闊的海面為傳輸優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)鏈提供了保障，相對(duì)較少的干擾能保證成果質(zhì)量，良好的作業(yè)條件節(jié)省了初始化時(shí)間，提高了GPS工作效率，為GPS技術(shù)的運(yùn)用提供了廣闊的空間。

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鉆孔樁樁位放樣。根據(jù)杭州灣跨海大橋施工規(guī)范中鉆孔樁成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：陸地和灘涂區(qū)樁位偏差為100mm，海中為300 mm。而GPS測(cè)量精度能達(dá)到厘米級(jí)， 所以用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)進(jìn)行樁位放樣完全能達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求， 同樣GPS高程測(cè)量也可用于鉆孔樁。

利用GPS技術(shù)放樣平臺(tái)、棧橋鋼管樁。在兩岸灘涂區(qū)的棧橋鋼管樁和施工平臺(tái)鋼管樁的放樣也可利用GPS測(cè)量實(shí)現(xiàn)。這大大減少了測(cè)量外業(yè)的時(shí)間，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。

GPS測(cè)量質(zhì)量檢查。利用GPS測(cè)量技術(shù)可以對(duì)完成的護(hù)筒和樁位進(jìn)行偏心檢查。 這既能滿足精度要求又能提高工作效率。

GPS和常規(guī)儀器配合放樣承臺(tái)、墩身。杭州灣跨海大橋優(yōu)先施工墩成為GPS測(cè)量向全站儀測(cè)量轉(zhuǎn)變的載體，在每隔1.5 km左右的優(yōu)先施工墩上利用GPS靜態(tài)測(cè)量或快速靜態(tài)完成平面和高程控制點(diǎn)的布設(shè)，再用全站儀進(jìn)行近距離承臺(tái)、墩身的放樣，以確保承臺(tái)、墩身精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

GPS作業(yè)模式，能進(jìn)一步提高測(cè)量作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了測(cè)量費(fèi)用，使測(cè)量變得更輕松容易。另一方面，GPS技術(shù)的強(qiáng)大功能與潛力尚未充分挖掘，與 GIS集成、實(shí)時(shí)控制、綜合自動(dòng)化作業(yè)是其未來(lái)的發(fā)展方向，隨著科技的不斷進(jìn)步，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)的系統(tǒng)將會(huì)很快出現(xiàn)。GPS在橋梁建設(shè)方面的應(yīng)用就將更廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜強(qiáng), GPS定位技術(shù)在跨海大橋外海沉樁施工中的應(yīng)用[J],世界橋梁，2004.08

[2] 楊漢鳳, 曹娥江大閘閘前大橋的施工測(cè)量[J], 橋梁建設(shè)，2007.A01

[3] 肖祥明, GPS定位技術(shù)在橋梁施工測(cè)量中的應(yīng)用[J], 山西建筑.2007.10

[4] 劉文芳, 山區(qū)橋梁測(cè)量放線中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J], 交通世界,2008.11