如何將GPS融入路橋設計

摘要：GPS全稱全球衛星定位系統，是通過人造衛星對地面對象進行觀測的一種導航系統。全球衛星定位系統在地面觀測方面，能夠為用戶提供包括三維空間坐標在內的多種精密測量數據，是一種全球性、連續性的動態測量工具。本文將對GPS的工作原理與傳統測量進行基本的對比，參考國內路橋設計工作的應用特點，討論如何在路橋設計中發揮GPS的優勢。

關鍵詞：GPS；路橋設計；應用

一、GPS的工作原理與傳統測量的對比

GPS系統主要由空間衛星，地面控制和用戶設備三個部分組成。空間衛星在距離地面約20000公里的近地軌道上，以約12個小時的運行周期繞行地球。在軌道上的衛星一般不是均勻分布的，在軌道上的不同位置以不同速度運行，以確保地面控制能夠持續獲得可用信號。空間衛星主要設備是高穩定性的銣原子鐘和銫原子鐘，以確保傳回數據的準確性和時效性。空間衛星主要用于接收地面的各種控制信號，在控制信號下調整各項工作的狀態，另外衛星會進行全天候的導航電文播發。地面控制系統中，人們以GPS 衛星作為已知信息參考，結合定位算法來提供準確的定位信息。用戶設備指的是各種可以通過無線電或計算機網絡作為為支撐的，GPS信息接收和處理設備。能夠隨時隨地的進行GPS 信號收發和處理，而且接受功率較低，能夠接受非常弱的GPS衛星信號，以確保GPS設備能在任何環境下工作。

GPS系統測量工作過程中需要至少三顆用于定位的衛星，五顆用于導航的衛星，首先假定一顆已知衛星的位置，通過衛星測定了監測站或GPS設備與待測點A的距離，那么A點肯定是位于以衛星為中心，以測量距離為半徑的幾何球體上。那么我們進一步確定A點與另一衛星的距離，那么A點與該點形成的測量幾何球體與前面形成的幾何球體相交于一個圓環，繼續測量A點與第三個衛星的距離，那么上一步得到的圓環與第三個測量球體交于兩點，通過地理和物理知識可以排出其中不合理的位置，利用另一點即可完成測量。當然，還可以選擇更多的衛星進行更加精密的定位。

在路橋設計工作中，涉及到很多測量工作，這些測量數據對于工程設計而言尤為重要。針對路橋工程在城市建設中的重要地位，測量工作的準確性也變的尤為重要。傳統的測量方法在面對更高要求的路橋工程時，出現了一些不足。測量規法對符合線的長度有嚴格要求，對于高等級公路的要求更高，因此測量過程中導線不能超過十公里，這樣的要求對一般的測量工作而言很難達到。對于測量點的搜集和選取因為國測或城測混雜變得難以統一，這就出現了在測量系統不兼容的問題，不兼容必然會導致測量質量下降。而且目前我國眾多大地觀測點遭到了破壞，這些點在破壞后無法使用，找不到合適的觀測點也就讓測量變得更加困難。GPS測量系統相比傳統測量而言，上述問題都有很好的解決方案。從衛星對店面對象進行觀測，測量點從宏觀的角度更加便于選擇，對于破壞的大地檢測點也能夠通過模擬恢復進行使用。

二、GPS在路橋設計中的應用

在道路工程中，GPS主要用于對公路網外測控點的監理。高速公路的設計和測量，因為設計長度長，已知測量參考點較少，傳統測量手段已經不能滿足測量需求，所以采用GPS測量技術對高速公路網進行高進度處理，利用GPS建立高速公路監控網，十幾公里范圍內的測量誤差已經可以控制在厘米精度內，這樣的測量精度對于道路工程的設計很有幫助。借助GPS設計公路網，精細化各項工程數據，相比傳統的測量工作而言大大縮短了工期，也讓公路工程建設過程中減少失誤，通過道路網在道路建成后進行更好的管理。

GPS在橋梁工程中的應用相對道路工程來說更為廣泛，對于特大型橋梁工程的測控，GPS同樣發揮著重要的作用。橋梁控制測量過程中，GPS可以形成更加具體的立體化網形，立體點位精度也跟高，值得一提的是對于常規測量量指點的檢測更為有效。在以往的橋梁工程設計過程中，常規方法來測量橋梁高度邊網，現在我們還可以利用GPS對高度邊網進行毫米級別的檢查，這比傳統精確測量更為準確，設計和施工過程中效果也更好。

GPS靜態相對測量技術，是一種經典的高精度測量模式，在大型橋梁設計中被廣泛使用。傳統橋梁設計中多采用兩角測量，但是兩角測量在面對超大型的橋梁設計時出現了精度不足、時間花費較高的問題。因此采用GPS靜態相對測量技術來替代兩角測量，精度更高效率也得到了不錯的提升。GPS靜態相對測量在跨海大橋的設計中作用尤其突出，更好的解決的長距離無法人工測量的問題，在橋梁平面設計的控制和形變控制工作中也有著更好的應用。

GPS實時動態差分測量是一項先進的測量技術，通過在待測點上安放運動的GPS信號接收機，與地面已知基站形成同步工作，與GPS測量衛星實現同步數據接收，在動態過程中事實差分處理測量數據，對于運動點軌跡的測量和矯正有很高的精度，相比于單點運動測量精度提升到米級。橋梁設計中利用這一技術，結合回聲探測可以將水下或其他無法直接測量的地形數據測量出來，對于一些跨海的大型橋梁設計水下圖形部分有很好的解決方案。利用該模式，還能夠數字化立體化測量結果，對于水下情況有很好的處理效果。

GPS-RTK測量技術是在靜態測量的基礎上，增加了動態精度數據處理形成。GPS測量方式無論是靜態還是動態，想要得到厘米級精確數據需要得到計算機系統的處理計算，這樣的測量效率較低。RTK測量技術能夠在測量環境中實時獲得厘米級精確數據，通過載波相位動態分析法在測量過程中獲得詳細數據。GPS技術可以結合這樣的數據處理模式來獲得更快速的準確數據，通過GPS和RTK相結合的模式，解決了測量環境中數據處理較慢的問題。

三、GPS測量的優點

1、通規問題。測量工作的一大重點問題就是通規，如何在不同的測量站之間統一測量標準，一直是影響測量精準度的難題。GPS全球衛星定位系統在測量中可以很好的避免不同測量站之間的通規，在使用過程中沒有過多的限制，使得使用更加快捷和高效。在不同的測量站對測量數據進行接受和處理時，一定要保證信號正常，對于信號干擾要進行一定的矯正，這樣測量得到的數據能夠得到最大程度的準度，讓數據在不同測量站之間可以更好的利用。

2、測量更加精準。測量工作最看中的就是測量數據的準確度，因為其直接關系到工程或者相關工作的質量。一般來說，采用無線電技術進行地面測量，雙頻GPS基站對于數據的解析度高達5×10-6mm級別，紅外線測量技術的精準度也達到了5×10-6mm±5mm的級別，對于地面對象的測量來說，這樣的精確度已經能夠保證相關數據的有效性。GPS測量的精準度隨著測量距離的增加而愈發明顯。通過長時間GPS測量經驗，在小于五十公里的測量相對精度為1.2×10-5mm，而五百公里的測量相對精度就達到了10-7級別。

3、測量更加高效。因為通過衛星遙感和地面計算機技術的配合，長距離的測量也變的十分快捷。

4、三維測量能力。GPS測量能夠提供三維坐標數據，對于一些工程測量來說，三維坐標的相關數據非常重要。GPS衛星測量在平面位置觀測的基礎上，還能通過大地高程測量來確定更加精確的測量參數，這也是采用GPS測量的一個突出優點。

5、操作簡單。對于專業測量人員來說，測量技術要求很高，測量工作的難度也相對更高。而利用GPS測量系統，能夠通過高度自動化的系統完成復雜的測量工作。測量人員只需要按照測量站安裝要求布置好地面測量基站，對相關儀器做出準確度調整，其他的測量工作都有衛星和地面計算機系統完成。高度自動化、集成度高的測量系統大大降低了測量人員的工作難度，另外計算機測量比人工測量更加精準，也更加便于儲存和處理。

6、全天候工作。對于一些地面測量數據的測量而言，有時需要全時段的檢測，但人工測量存在時間限制，還會受到天氣和測量環境的限制，這大大降低了測量工作的效率。而GPS通過衛星和地面計算機系統進行組合工作，接觸了自然條件和時間的限制。

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