淺析GPS定位技術(shù)在長(zhǎng)山大橋施工測(cè)量中的應(yīng)用

燕雪峰 鄂思臣

(中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司,江蘇南京 210000)

淺析GPS定位技術(shù)在長(zhǎng)山大橋施工測(cè)量中的應(yīng)用

燕雪峰 鄂思臣

(中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司,江蘇南京 210000)

GPS定位技術(shù)應(yīng)用于工程測(cè)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(cè)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(zhǎng)山大橋施工測(cè)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(dòng)態(tài)兩種方式的定位精度以及在橋梁施工中的應(yīng)用,對(duì)于跨海大橋施工測(cè)量選擇不同的GPS定位方式給出了自己的看法。

GPS靜態(tài)定位 原理 RTK

1　長(zhǎng)山大橋工程概況

長(zhǎng)山大橋工程路線全長(zhǎng)3.380km，其中大橋的橋梁部分全長(zhǎng)1. 79km，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(gè)點(diǎn)距離約1.784km，可見采用常規(guī)的三角測(cè)量方法實(shí)測(cè)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(cè)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(duì)GPS定位技術(shù)原理以及本大橋測(cè)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(gè)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11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)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(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀測(cè)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(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)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(chǔ)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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)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(jiǎn)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(cè)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(duì)定位和相對(duì)定位。

3.1絕對(duì)定位

GPS定位是根據(jù)測(cè)量中的距離交會(huì)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(shí)刻ti同時(shí)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(shí)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(shí)刻這些衛(wèi)星的空間位置(三維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)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(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。

3.2相對(duì)定位

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

相對(duì)定位有靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位之分。

相對(duì)定位實(shí)現(xiàn)的原理是，見圖1在兩個(gè)觀測(cè)站或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)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(duì)流層的折射誤差等對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀測(cè)量的不同組合(求差)進(jìn)行相對(duì)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(duì)定位的精度。相對(duì)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(cè)量在大橋施工測(cè)量中的應(yīng)用

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

表1　

長(zhǎng)山大橋的控制點(diǎn)共有九個(gè)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(gè)控制點(diǎn)，南岸埋設(shè)了四個(gè)控制點(diǎn)，南北兩岸控制點(diǎn)最近的兩個(gè)點(diǎn)距離達(dá)到了1.784km。所以本橋如果采用傳統(tǒng)的三角測(cè)量復(fù)測(cè)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(cè)量出來的成果精度不會(huì)很高，即使通過選擇精度較高的儀器，選擇好的觀測(cè)條件，增加測(cè)回?cái)?shù)等方面來復(fù)測(cè)控制網(wǎng)，也會(huì)使控制測(cè)量增加人力，物力，時(shí)間等使得控制網(wǎng)復(fù)測(cè)變的很繁瑣，但結(jié)果卻不一定理想。圖2為本橋控制網(wǎng)布置圖。

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(jí)C級(jí)GPS網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，復(fù)測(cè)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(tái)GPS接收機(jī)利用靜態(tài)測(cè)量進(jìn)行同步觀測(cè)，觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段60分鐘。整個(gè)作業(yè)僅花費(fèi)1天半的時(shí)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(jí)GPS網(wǎng)精度。精度比常規(guī)測(cè)量要高許多，且誤差穩(wěn)定分布均勻。大橋測(cè)量控制點(diǎn)成果見表1。

4.2GPS-RTK定位測(cè)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(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS定位技術(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)測(cè)量。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)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(shí)得到流動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)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(shí)要注意以下兩個(gè)問題:①要選測(cè)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(gè)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睿虼艘ㄟ^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(cè)定，在作業(yè)時(shí)要注意以下三個(gè)問題:①要選測(cè)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(gè)測(cè)區(qū);②要用Planning軟件查看多項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)，選擇衛(wèi)星分布較好的時(shí)間段測(cè)量。③要用三角架、對(duì)點(diǎn)基座架設(shè)衛(wèi)星天線，每個(gè)點(diǎn)必須連續(xù)觀測(cè)十分鐘以上。

(3)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站設(shè)置。基準(zhǔn)站設(shè)置除滿足GPS靜態(tài)觀測(cè)的條件外，還應(yīng)設(shè)在地勢(shì)較高，四周開闊的位置，便于電臺(tái)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(dòng)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(dòng)站的設(shè)置和初始化工作。

在GPS基站和流動(dòng)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(tái)樁的插打時(shí)通過在打樁船上設(shè)立兩個(gè)臨時(shí)測(cè)量點(diǎn)，該測(cè)量點(diǎn)和打樁船的打樁架中心(即插打樁中心)形成一個(gè)相對(duì)關(guān)系，通過計(jì)算測(cè)量?jī)蓚€(gè)臨時(shí)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(cè)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(tái)鋼套箱的下放定位時(shí)對(duì)于距離大橋測(cè)量控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的主墩鉆孔樁和承臺(tái)套箱的定位通過全站儀來直接測(cè)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GPSRTK測(cè)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(tái)鋼套箱時(shí)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控測(cè)量，保證下放準(zhǔn)確無誤，并不受白天黑夜的時(shí)間限制;③在承臺(tái)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(cè)量轉(zhuǎn)點(diǎn)到已有承臺(tái)上，然后利用全站儀來交回測(cè)量定位，轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)靜態(tài)測(cè)量按規(guī)范進(jìn)行測(cè)量。從整個(gè)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(shí)提供測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，大大提高了放樣效率，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)對(duì)觀測(cè)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(cè)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(cè)量作業(yè)效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省測(cè)量的費(fèi)用，使測(cè)量工作更為輕松容易。另外，隨著科技不斷進(jìn)步，未來的測(cè)量技術(shù)將會(huì)是由GPS技術(shù)與GIS集成、實(shí)時(shí)控制、綜合自動(dòng)化聯(lián)合作業(yè)的新技術(shù)，其測(cè)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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