GNSS接收機在橋梁控制測量的應(yīng)用及精度分析

孫 玉 強

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和城市農(nóng)村脫貧攻堅戰(zhàn)的要求，大型橋梁、跨海大橋、海底隧道等大型工程如雨后春筍般的出現(xiàn)，在我國西南云貴川地區(qū)、港珠澳大橋、跨長江天險、入黃河隧道、杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋以及在論證階段的一系列超級工程。

超級工程的出現(xiàn)對施工技術(shù)以及測量技術(shù)都提出了非常高的要求。“工程施工、測繪先行”，為了達(dá)到該類工程的精度要求，精密工程測量起了非常大的作用。主要以經(jīng)典的測繪理論為基礎(chǔ)作為平臺，運用現(xiàn)代大地測量技術(shù)、方法為模型，應(yīng)用最新的儀器和科技為技術(shù)，最后完成具體的工程，形成“一平臺、一模型、一技術(shù)、一項目”的超級工程測量模式。科技進(jìn)步為精密測量帶來了先進(jìn)儀器和技術(shù)，激光掃描儀、測量機器人、各種高精度(Global Navigation Satellite System)接收機、超級全站儀、多傳感器測量技術(shù)、掃描測量技術(shù)、VR測量技術(shù)。粒子加速器準(zhǔn)直測量、建立高精度三維控制網(wǎng)、建立高精度隧道控制網(wǎng)、磁鐵精密安裝測量、工業(yè)測量等精密控制測量典型案例[1,2]。

本文主要就橋梁工程的施工控制網(wǎng)的布設(shè)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、模型選擇、基線解算及檢核。采用工程獨立坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，利用各種方法處理數(shù)據(jù)提高解算的精度，使成果精度滿足工程要求，得出在橋梁施工控制網(wǎng)建設(shè)過程中獨立坐標(biāo)系解算的數(shù)據(jù)精度可靠，最優(yōu)點位中誤差SD08為0.13 cm，最弱點位中誤差SD05為0.17 cm；最優(yōu)基線中誤差SD01-SD04和最弱基線中誤差為SD03-SD08，相對誤差均滿足誤差最大允許值。能夠用于后續(xù)施工和運營管理階段，也為同類工程根據(jù)項目要求選擇合適的解算方法提供了技術(shù)支持。

1 GNSS技術(shù)原理與發(fā)展

GNSS技術(shù)是各國以及區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)航定位應(yīng)用于軍方和民用的方法，也是在當(dāng)前階段空間領(lǐng)域技術(shù)的對抗，是Global Navigation Satellite System縮寫，現(xiàn)行運行的系統(tǒng)主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的BDS以及部分商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)，日本的基于多功能衛(wèi)星的星基增強系統(tǒng)(MSAS)和印度的GAGAN系統(tǒng)屬于GPS星基增強系統(tǒng)，由多個衛(wèi)星導(dǎo)航定位及其增強型系統(tǒng)所拼湊組成的大系統(tǒng)。主要應(yīng)用于導(dǎo)航定位、技術(shù)研究、工程服務(wù)、各種工程測繪、災(zāi)害救援與重建、各類移動設(shè)備導(dǎo)航、智能通信、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、智能物流、人工智能、無人機領(lǐng)域等[3-6]。具體如圖1所示。

2 GNSS工程橋梁控制網(wǎng)建立

GNSS控制網(wǎng)按B級網(wǎng)要求布設(shè)，共布設(shè)10個點，最短邊長大于2.2 km、平均邊長約2.8 km；編號按由北向南，自東向西的順序進(jìn)行。編號形式為“SD01”,其中，“SD”為橋梁的首寫字母，“01”為點號編碼。

在施工前期按圖紙和實地布設(shè)控制網(wǎng)，統(tǒng)一平差計算；控制網(wǎng)點布設(shè)范圍覆蓋測區(qū)及施工區(qū)域，所有控制點布設(shè)時充分考慮控制點間的距離，合理布設(shè)，相鄰點間距控制在2 km～3 km，根據(jù)現(xiàn)場情況，控制網(wǎng)點的點位布設(shè)于基礎(chǔ)穩(wěn)固、便于保存的地方盡量選取相互通視的位置，以利于后期施工放樣。圖2為觀測墩與接收機安置。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

3.1 控制網(wǎng)觀測技術(shù)指標(biāo)

GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)采集使用6臺Trimble R8雙頻GNSS接收機，其標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm，觀測按照B級控制網(wǎng)執(zhí)行。本文中采用的接收機都是高精度的美國天寶接收機，GNSS控制網(wǎng)觀測的原始觀測數(shù)據(jù)為了統(tǒng)一使用和處理，由系統(tǒng)自帶的.dat格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式，補全觀測點的人員、點號、位置、天線高類型及數(shù)據(jù)等信息[7-10]。具體執(zhí)行作業(yè)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 GNSS控制網(wǎng)觀測基本技術(shù)指標(biāo)一覽表

3.2 觀測時段設(shè)置

本控制網(wǎng)外業(yè)觀測工作于2018年5月19日～5月25日，為期6 d，共觀測了6個時段，每個時段采用6臺Trimble接收機同步觀測，每個點平均設(shè)站率為3.25，網(wǎng)中每點應(yīng)至少有3條獨立基線與之相連接，因此整個網(wǎng)形圖形強度高[7-10]。每個時段的觀測時間均大于23 h，歷元采樣間隔為30 s，衛(wèi)星截止高度角為10°，儀器高三次測量較差不超過±3 mm，測前測后量高之差不超過±2 mm，儀器對中誤差不大于±2 mm。

4 基線解算及檢核

4.1 基線解算過程

本論文所布控制網(wǎng)采用高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT軟件，該軟件伴隨著GNSS技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)外高精度空間基準(zhǔn)框架、地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)、大地水準(zhǔn)面精化，各層次科研結(jié)構(gòu)、地震監(jiān)測中心、城市CORS建設(shè)、精密工程測量、超級工程等重大工程項目中得到了較為廣泛的應(yīng)用。控制點利用控制網(wǎng)內(nèi)部的同步測站進(jìn)行解算衛(wèi)星截止高度角為10°，歷元間隔為30″；且不考慮衛(wèi)星軌道誤差，即固定IGS軌道。基線解算結(jié)果中，每個觀測時段的GAMIT基線解為對應(yīng)的o文件(o file)，將o文件轉(zhuǎn)化為Trimble數(shù)據(jù)交換格式.asc基線文件，再進(jìn)行后續(xù)平差計算[7-10]。

4.2 基線檢測

為了檢驗控制網(wǎng)的符合精度，本文采用常規(guī)測量方法加測了4條高精度測距邊，測距邊觀測采用LeicaTM30 0.5″全站儀及配套棱鏡、氣象儀器等配套設(shè)備，每條邊往返觀測各6個測回，加入氣象改正、常數(shù)改正、歸心改正、投影改正[7-10]。表2為TM30測距邊與GNSS邊對比情況，圖3為距離對比分析圖。

表2 TM30測距邊與GNSS邊比對情況

測距邊與GNSS邊最大平距較差為1.1 mm，小于限差±13.1 mm；測距邊與GNSS邊最大斜距較差為1.1 mm，小于限差±13.1 mm，對應(yīng)邊為SD10-SD04。

5 數(shù)據(jù)處理

本論文中采用工程獨立坐標(biāo)系，CGCS2000坐標(biāo)系橢球參數(shù)，中央子午線117°03′，投影面正常高：32 m。采用固定方位與固定點作為起算方向，對其他點進(jìn)行約束處理的平差模式建立獨立坐標(biāo)系[7-10]。通過把CGCS2000三維坐標(biāo)進(jìn)行高斯投影獲取固定點SD01(5 288.323 5，312.221 5)及起算方位角SD01→SD10。解算分析結(jié)果如圖4，表3，表4所示。

表3 坐標(biāo)分量精度統(tǒng)計表

表4 基線精度統(tǒng)計表

由圖4，表3和表4可以看出：最優(yōu)點位中誤差SD08為0.13 cm，最弱點位中誤差SD05為0.17 cm；最優(yōu)基線中誤差SD01-SD04和最弱基線中誤差為SD03-SD08，相對誤差均滿足誤差最大允許值。最弱點位精度與最弱基線精度均滿足GB/T 18314—2016全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)等級的精度要求。本論文控制網(wǎng)工程獨立坐標(biāo)系平差結(jié)果滿足JTG C10—2018公路勘測規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)等級的精度要求。

6 結(jié)論

1)采用LeicaTM30 0.5″全站儀及配套棱鏡、氣象儀器等配套設(shè)備量取的距離與GNSS基線長度對比分析，得出GNSS控制網(wǎng)基線精度可靠。2)利用工程獨立坐標(biāo)系采用一點一方位的解算方案，最弱點位和最弱基線誤差均在允許的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)處理精度可靠。本文控制網(wǎng)工程獨立坐標(biāo)系平差結(jié)果滿足JTG C10—2018公路勘測規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)等級的精度要求。3)本文設(shè)計的觀測方案和解算方案，能夠為同類工程項目提供一定的技術(shù)借鑒。