淺析GPS定位技術在長山大橋施工測量中的應用

燕雪峰 鄂思臣

【摘 要】GPS定位技術應用于工程測量是一項重大革命，GPS定位技術具有高精度、高效率和低成本的優點，使其在大地測量學及其相關學科領域得到了較為廣泛的應用。本文結合長山大橋施工測量的特點，主要介紹GPS系統的工作原理、特點，分析了GPS的靜態與動態兩種方式的定位精度以及在橋梁施工中的應用，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。

【關鍵詞】GPS靜態定位 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（設計院提供）中最近的兩個點距離約1.784 km，可見采用常規的三角測量方法實測大橋平面控制網和大橋細部結構物特征點難度相當大，而且定位精度很難達到。結合本橋的施工實際情況，我們采用GPS定位技術和全站儀放樣結合的方式來進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定位技術原理以及本大橋測量中的應用進行分析和闡述。

2 GPS 構成

GPS 主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成。

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

（2）GPS 地面監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測站組成。主控站根據各監測站對 GPS 衛星的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。

（3）GPS 用戶設備由 GPS 接收機、數據處理軟件及其終端設備等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，跟蹤衛星的運行，并對信號進行交換、放大與處理，再通過計算機和相應軟件，經基線解算、GPS 網平差，求出 GPS 接收機中心的三維坐標。

3 GPS定位原理

GPS定位簡單講，就是用戶用地面的接收設備接受衛星發射的測距碼，解算出待定點與衛星之間的距離，由已知的衛星坐標推算出待定點的坐標。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定位是根據測量中的距離交會定點原理實現的。例如：在需要的位置P點架設GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了3顆以上的GPS衛星（A、B、C）所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星的空間位置（三維坐標）。從而用距離交會的方法求得 P點的三維坐標（Xp，Yp，Zp），其數學公式為：

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）分別為衛星A，B，C 在時刻ti的空間直角坐標。

3.2 相對定位

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

相對定位有靜態相對定位和動態相對定位之分。

圖（1）

相對定位實現的原理是，見圖（1）在兩個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛星的情況下，衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機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性，利用這些觀測量的不同組合（求差）進行相對定位，可有效的消除或減弱相關誤差的影響，從而提高相對定位的精度。相對定位實現的數學模型分為：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用

4.1 GPS靜態測量在橋梁控制網測量中的應用

長山大橋的控制點共有九個點，分別分布在橋梁的南北兩側，其中北岸埋設了五個控制點，南岸埋設了四個控制點，南北兩岸控制點最近的兩個點距離達到了1.784 km。所以本橋如果采用傳統的三角測量復測全橋控制網，很顯然受地理環境，溫度，氣壓，折光系數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，增加測回數等方面來復測控制網，也會使控制測量增加人力，物力，時間等使得控制網復測變的很繁瑣，但結果卻不一定理想。下圖為本橋控制網布置圖。

圖（2）

見圖（2）控制點分布圖中平面點按設計院交樁等級C級GPS網進行測量，復測組網以三角形為基本構網圖形按邊聯式組成帶狀網。由4臺GPS接收機利用靜態測量進行同步觀測，觀測2個時段，每個時段60分鐘。整個作業僅花費1天半的時間，其效率非常之高，經過平差處理后，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″，點位中誤差4.6mm，其精度完全滿足C級GPS網精度。精度比常規測量要高許多，且誤差穩定分布均勻。大橋測量控制點成果見表1。

表1

點名稱 交樁坐標 復測值 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放樣的應用

RTK定位技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS定位技術，實施動態測量。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時通過輸入的相應的坐標轉換參數和投影參數，實時得到流動站的三維坐標及精度。

（1）求取地方坐標轉換參數。合理選擇控制網中已知的WGS84和北京54坐標（或地方獨立網格坐標）以及高程的公共點，求解轉換參數，為RTK動態測量做好準備。由于控制點均為自設點，沒有精確的WGS84坐標，先用接收機在一控制點上連續觀測一天，處理得的比較準確的WGS84坐標。選擇轉換參數時要注意以下兩個問題：①要選測區四周及中心的控制點，均勻分布；②為提高轉化精度，最好選4個以上的點，利用最小二乘法求解轉換參數。

（2）進行點校正。通常所用的坐標系統和大地水準面模型不考慮投影中的當地偏差，因此要通過點校正來減少這些偏差，獲得更精確的當地網格坐標，可以利用GPS-RTK工作手簿的點校正功能進行測定，在作業時要注意以下三個問題：①要選測區四周及中心的控制點，均勻分布，且點位要能包圍住整個測區；②要用Planning軟件查看多項預測指標，選擇衛星分布較好的時間段測量。③要用三角架、對點基座架設衛星天線，每個點必須連續觀測十分鐘以上。

（3）基準站和流動站設置?；鶞收驹O置除滿足GPS靜態觀測的條件外，還應設在地勢較高，四周開闊的位置，便于電臺的發射。具體作業先將基準站接收機設在基準點上，開機后進行必要的系統設置、無線電設置及天線高等輸入工作。流動站接收機開機后首先進行系統設置、無線電設置，輸入轉換參數，再進行流動站的設置和初始化工作。

在GPS基站和流動站設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立兩個臨時測量點，該測量點和打樁船的打樁架中心（即插打樁中心）形成一個相對關系，通過計算測量兩個臨時點反算出樁中心的坐標，然后調整打樁船位置，GPS-RTK測量能夠快速準確的提供點位坐標，保證打樁工作能夠順利的開展；②鉆孔樁鋼護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較遠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，且受到海上大風大霧以及不通視等不利因素的影響，利用GPS-RTK測量技術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時動態的監控測量，保證下放準確無誤，并不受白天黑夜的時間限制；③在承臺以上的結構物放樣中，考慮到GPS-RTK的定位精度 （RTK定位精度經實地復核點位誤差能達到15mm以內）以及規范要求，采用GPS靜態測量轉點到已有承臺上，然后利用全站儀來交回測量定位，轉點時靜態測量按規范進行測量。從整個過程來看，RTK定位技術運用到橋梁的施工放樣中有很多優點。實時提供測點三維坐標，大大提高了放樣效率，現場及時對觀測質量進行檢查，避免外業出現返工。

5 結語

實踐證明，在橋梁施工平面控制網測量中以及橋梁下部基礎定位放樣應用GPS技術是切實可行的，GPS作業模式，可以提高測量作業效率，降低工作人員的勞動強度，節省測量的費用，使測量工作更為輕松容易。另外，隨著科技不斷進步，未來的測量技術將會是由GPS技術與GIS集成、實時控制、綜合自動化聯合作業的新技術，其測量系統將比現有技術更優越，精度更高、初始化速度更快、環境限制性更小、抗干擾性更強將是其主要特點。

參考文獻：

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