GPS在路橋設計與監測中的應用研究①

陳利平 左玲

摘 要:首先介紹了GPS的工作原理與基本組成,然后介紹了GPS在路橋設計與沉降變形監測中的應用情況,總結了GPS在路橋設計與監測應用中的優點。

關鍵詞:GPS路橋設計變形監測

中圖分類號:U442 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0022-02

1GPS概述

GPS(Global Positioning System,簡稱GPS)全球定位系統:1973年12月起,美國歷經20余年,投資300億美元,建立起來的服務于全球的衛星導航與定位系統。其從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導航及定位問題。

一般來說,GPS系統主要由空間星座、地面控制與用戶設備三個部分。

1.1 空間星座部分

主要是24(21+3)顆衛星組成,其中,21工作衛星,另外3個備用衛星組成GPS系統星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道面上,每個軌道面四顆衛星。根據時間和地點的不同,一般至少有四個可以看到,多的時候高達11。GPS信號導航定位,要計算點的經度,緯度和海拔,至少4個GPS定位衛星可用。由于地理和環境因素或圖形結構不佳,在某處,可能難以測得精確坐標點,這個時間稱為“間隙段”。但是,這種差距段很短,不會影響絕大多數GPS工作。三個備用衛星,根據指示,必要時礦可以更換出現故障的衛星,從而提高工作效率和可靠性。

1.2 地面監控部分

該部分主要由分布在全球的不同地方的6個地面站組成,其中包括衛星監測站、主控站、備用主控站與信息注入站,分別位于科羅拉多、蓋茨堡、夏威夷、南大西洋的阿松森群島、印度洋的迭哥伽西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。地面監控部分負責收集由衛星傳回的信息,并計算衛星星歷、相對距離,大氣校正等數據。

1.3 用戶設備部分

該部分主要設備就是GPS接收機,即一種特制的無線電接收機。該部分的主要作用是接收衛星導航發出的信號,并對接收的衛星信號進行處理,從而獲得需要的數據,以確定位置。根據不同用戶所需要的功能,需要配置不同類型的GPS接收機。它們的性能結構,形狀,大小和價格也有很大的不同。比如,航海與航空使用的導航型接收機,要具有與存儲暑或其它媒介相互通訊的功能,因為其中存有電子導航圖等資料;測地用的接收機就要求具有很高的精度,并能快速采集和存儲數據;軍用的接收機,要附加解碼模塊,如果用于地面部隊則要求較高的機動性。

2GPS在橋梁設計中的應用

GPS技術在應用于特大橋梁的控制測量中,可構成較好的網形,能提高定位精度,同時對檢測傳統常規測量的支點也非常的有效。例如在江蘇省江陰市長江大橋設計與建設中,首先用傳統常規測量方法建立高精度的邊角網,然后利用GPS對該邊角網進行檢測,GPS的檢測網可達毫米級精度,比傳統常規的精度網的效果要好。

2.1 GPS靜態相對定位在橋梁設計中的應用

GPS靜態相對定位的一般方法,就是將1臺GPS接收機安置在已知坐標的地面點(已知點)上;另1臺或多臺GPS接收機安置在未知坐標的地面點(待定點)上,并保持各接收機固定不動,同步連續觀測相同的GPS衛星星座,用以求得未知點相對于已知點的坐標增量(基線矢量),從而由已知點坐標,推求各未知點坐標的方法。由于進行連續觀測,取得了充分的多余觀測量,因而可獲得非常高的定位精度。GPS靜態相對定位是一種較為經典的精密定位模式,自1990 年初開始應用于特大橋梁工程平面控制網的測量中。與傳統的測量方法相比,具有效率高、精度高與成本低等優點,因此,GPS被廣泛應用于各種橋梁工程的平面控制測量與變形監測工作中。近年來,GPS相對靜態定位測量與快速靜態相對定位測量技術,也在特大型跨海橋梁工程設計與施工測量定位中發揮著重要作用,成功的解決了以前傳統測量技術無法完成的長距離施工測量精確定位技術難題[1]。

2.2 GPS動態相對定位在橋梁設計中的應用

所謂GPS動態相對定位,就是將一臺GPS接收機安置于已知坐標的同定觀測站(也稱基準站或參考站)上,并同步觀測相同的衛星;基準接收機將瞬時觀測量與由基準站已知坐標求得的相應結果進行比較,得出瞬時校正值,并用該瞬時校正值改正流動接收機的瞬時觀測培,從而求得流動站乃相對于基準站五的瞬時位置。GPS動態相對定位精度可達±1m。在橋梁工程中,GPS動態相對定位技術與數字回聲測深技術相結合,可以快速和高品質的完成內江湖泊水下地形圖測繪工作,以解決傳統測量手段幾乎不可能完成的大型跨海橋址水下地形圖測繪,并充分實現內部和外業測量自動化和成果數字化。據估計,利用GPS技術比傳統的前方交會定位方法,可以降低成本和提高效率三倍以上[1]。

2.3 GPS-RTK定位在橋梁設計中的應用

GPS-RTK定位是基于載波相位測量的動態相對定位方法。該方法從20世紀90年代中期以來,隨著快速確定整周未知數方法的進步,已發展成為一種實時的、高精度的動態相對定位技術測量系統。它采用了載波相位動態實時差分的方法,是近年來GPS技術的一種新突破,它的出現為橋梁設計工程帶來了新的血液,可以極大提高了外業作業效率[1]。

3GPS在橋梁沉降變形監測的應用

目前,中國已建立了很多跨河或者跨海的大型或者超大型橋梁。大跨度橋梁在長期的使用中,受不同載荷和材料老化,管理和使用不當等因素的影響,可能會導致結構性的損傷,導致災難性的后果。因此,為了確保大橋能夠安全運行,必須進行變形監測以提高設計壽命。

變形監測通常使用傳統工程測量方法。工程測量變形監測方法具有精度高,可靠的優勢,但工作量大,工作效率低,需要監測點與基點通視,受氣候影響較大,不容易實現連續監測與測量過程的自動化觀測,這些缺點對變形監測非常不利。GPS測量具有高精度三維定位能力,可以實現連續工作,為橋梁的動態和靜態變形監測提供了的有效手段與方法。另外,建立三維監測網簡單,不需要測站間通視。因此,在對大規模的公路和橋梁進行變形監測中,GPS比使用傳統的測量工程方法有更好的準確性和效率[2]。

全長36km的杭州灣跨海大橋,位于沿海通道咽喉,是世界上的強潮海灣地區之一,容易受強潮汐影響。因此,橋梁基礎結構的穩定性是確保橋梁安全運行的重要條件。橋梁的沉降會造成許多不利影響。太大的解決,尤其是基礎不均勻沉降會引起附加內力的橋梁結構,橋線性惡化和橋梁附屬設施(支座,伸縮縫,欄桿等)的損害。過大的沉降變形,特別是橋梁基礎的不均勻沉降更會引起橋梁結構產生較大的附加內力、橋梁線形的破壞以及橋梁附屬設施的損毀。因此,確保大橋建成后能健康、安全地運營,保證其耐久性,是橋梁管理的首要任務。為了大橋在運營期間的健康運行,了解在沖刷及汽車載重狀態下大橋的每個墩臺的沉降情況,必須要進行大橋的沉降監測工作。

本研究結合杭州灣跨海大橋橋梁健康與安全監測系統的總體框架,對南、北航道橋的沉降形變進行實時監測;另外對非通航孔及高墩區部分,由于引橋的非通航孔部分很長,采用實時監控方案造價過于昂貴,且數據量很大難以實時處理,因此,可以考慮平面位移采用GPS靜態定期觀測,沉降變形采用GPS配合常規精密水準測量方法來進行,并可把各期監測數據上傳到健康監測系統中進行統一的分析與研究。同時,對引橋施工期間的沉降變形過大的重點部位使用GPS進行重點觀測,實時了解北岸引橋的不均勻沉降[3,4]。

4結語

GPS是近年來發展較快的新一代衛星導航與定位系統,它具在全球性、全天候的特點,并具有連續精密三維導航與定位能力。GPS定位技術所有具有的高精度、實時工作性與較好的發展潛力引起測繪工作者的極大興趣。隨著GPS測量理論與設備的不斷發展,使得GPS測量技術日趨完善[5,6]。近年來,隨著GPS技術的不斷發展,其測量功能更加完善,應用面也越來越廣,操作也更簡便,這使GPS測量更實用化。在我國的路橋設計中使用GPS技術,可以減少設計成本,彌補常規傳統測量方法的不足,提高設計精度與設計效率。此外,在道路和橋梁的沉降變形監測方面,GPS監測方法比傳統的工程測量方法具有更快的速度、更高的效率和更高的精度,在中國的道路和橋梁的設計以及監測方面具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 肖木來,王繼輝.GPS在路橋設計中的應用[J].工程技術,2008(31):51.

[2] 王江.GPS在杭州灣跨海大橋變形監測中的應用[J].鐵道建筑技術,2010(s1):278-281.

[3] 宋錄彬.全球衛星定位系統(GPS)在高速公路測量中的應用[J].內蒙古公路與運輸,2006(1):83-84.

[4] 吳迪軍.GPS在現代橋梁工程測量中的應用綜述[J].鐵道勘察,2006(2):1-2.

[5] 劉飛燕,陳再輝.GPS技術在工程變形監測中的應用[J].水資源與水工程學報,2006,17(5):84-86.

[6] 林宗云,劉宗泉,余文斌.用GPS技術建立橋梁變形監測平面基準[J].地理空間信息,2005,3(1):47-48.