公路橋梁施工控制測(cè)量中GPS的應(yīng)用與技術(shù)分析

蘇俊東

摘 要：近年來，國(guó)內(nèi)交通建設(shè)不斷加速，每年都有許多公路、橋梁項(xiàng)目破土動(dòng)工。而要保障公路、橋梁的施工質(zhì)量，就必須抓好路橋施工控制測(cè)量。在路橋施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)，可以節(jié)省外業(yè)施測(cè)的時(shí)間，提高路橋控制測(cè)量的精度。本文將分析如何在公路、橋梁施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;施工;控制測(cè)量;GPS技術(shù);應(yīng)用;分析

中圖分類號(hào)：U448.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）10-0100-02

大型路橋工程施工離不開控制測(cè)量，而先進(jìn)的GPS技術(shù)則可以使施工控制測(cè)量的水平邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

1 控制測(cè)量

控制測(cè)量指的是，在某一個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)，按照測(cè)量任務(wù)要求的精度，測(cè)定一系列控制點(diǎn)的平面位置及其高程，建立起質(zhì)量控制網(wǎng)，作為地形測(cè)量、工程測(cè)量的依據(jù)。在本文中，控制測(cè)量特指在道路、橋梁工程施工區(qū)域內(nèi)，為地形測(cè)量、工程測(cè)量建立控制網(wǎng)所進(jìn)行的測(cè)量。

控制測(cè)量包括平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量、三維控制測(cè)量三個(gè)方面。平面控制測(cè)量主要測(cè)量控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，高程控制測(cè)量主要測(cè)量控制點(diǎn)的高程，三維控制測(cè)量則須測(cè)定控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)[1]。

長(zhǎng)期以來，路橋工程施工控制測(cè)量沿用的是傳統(tǒng)外業(yè)模式，主要依靠測(cè)距儀、經(jīng)緯儀、全站儀進(jìn)行。而路橋工程施工現(xiàn)場(chǎng)往往面積較大，地形復(fù)雜，給外業(yè)施測(cè)帶來了一定的難度。此外，外業(yè)施測(cè)易受雨、霧等氣候條件影響，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作量大;而應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行路橋施工控制測(cè)量則可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)外業(yè)模式的不足。

2 GPS技術(shù)

2.1 GPS的由來

一九五九年，美蘇爭(zhēng)霸日趨激烈，雙方都在絞盡腦汁研發(fā)洲際導(dǎo)彈的導(dǎo)航與定位技術(shù)。在這一背景下，美國(guó)霍布金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室于當(dāng)年提出衛(wèi)星導(dǎo)航的設(shè)想（子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于一九六四年進(jìn)行首次試驗(yàn)，大獲成功。實(shí)驗(yàn)證明：只要能在地球上任何地點(diǎn)觀測(cè)到衛(wèi)星，便可接收到衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行單點(diǎn)定位或雙點(diǎn)聯(lián)測(cè)定位。但子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)定位，定位精度有限。有鑒于此，五角大樓于一九七三年決定建立全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的英語全稱為Global Positioning System，首字母縮寫為GPS。

一九九四年，經(jīng)過二十多年的努力，前后耗資300億美元的24顆GPS衛(wèi)星全部布置到位，至此，GPS系統(tǒng)正式建立。

2.2 GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)、用戶三部分組成。

2.2.1 衛(wèi)星

在太空中，運(yùn)行著21顆GPS工作衛(wèi)星與3顆GPS備用衛(wèi)星。它們均勻分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面上都有3～4顆GPS衛(wèi)星，兩個(gè)軌道面之間成60度的平角，對(duì)赤道面成55度的傾角，軌道高度在20000公里左右。每顆GPS衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間大約為12小時(shí)。通過這樣的太空布局，可以確保無論地球如何轉(zhuǎn)動(dòng)，在地球上任何一個(gè)地點(diǎn)、任何一個(gè)時(shí)間，都可以同時(shí)接收到4顆以上GPS衛(wèi)星的信號(hào)。

GPS衛(wèi)星配有原子鐘，并向地面實(shí)時(shí)發(fā)射L1載波信號(hào)（頻率為1575.42MHz）與L2載波信號(hào)（頻率為1227.60MHz）。

2.2.2 地面控制系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)的中樞是地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)共有一個(gè)主控站（位于美國(guó)科羅拉多州）、3個(gè)注入站（分別位于大西洋、太平洋、印度洋）、5個(gè)監(jiān)測(cè)站。地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持GPS衛(wèi)星的正常運(yùn)行，計(jì)算星歷，調(diào)整衛(wèi)星原子鐘的誤差，控制衛(wèi)星漂移[2]。

2.2.3 用戶

GPS用戶首先必須配備GPS接收機(jī)。常見的GPS接收機(jī)包括導(dǎo)航型接收機(jī)、測(cè)地型接收機(jī)、授時(shí)型接收機(jī)，單頻接收機(jī)（只能接收L1載波信號(hào)）、雙頻接收機(jī)（可以同時(shí)接收L1、L2載波信號(hào)）。用戶使用GPS接收機(jī)，可以進(jìn)行靜態(tài)定位，動(dòng)態(tài)定位，隨時(shí)獲得自己的三維位置、三維速度、一維時(shí)間。

2.3 GPS技術(shù)的特點(diǎn)

使用GPS技術(shù)進(jìn)行定位，可以不受時(shí)間、不受地點(diǎn)、不受天氣條件的限制。使用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，無須進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)之間的通視。GPS技術(shù)精度高（測(cè)速精度可達(dá)0.1米/秒，測(cè)時(shí)精度可達(dá)100毫微秒以下，在100～500公里基線上，定位精度可達(dá)10-6～10-7。）、速度快、操作簡(jiǎn)單（無須再學(xué)習(xí)復(fù)雜、繁瑣的全站儀操作規(guī)程）、自動(dòng)化程度高。

3 在道路橋梁施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)

3.1 在橋梁施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)

橋梁工程施工現(xiàn)場(chǎng)面積往往達(dá)到幾平方公里～幾十平方公里，橋梁平面控制網(wǎng)布測(cè)范圍縱向距離可達(dá)0.2～10公里，橫向距離可達(dá)0.1～2公里，點(diǎn)位密度大，精度要求高，控制點(diǎn)使用頻繁，而且易受施工的干擾，控制點(diǎn)之間難以進(jìn)行相互通視。應(yīng)用GPS技術(shù)，則可以補(bǔ)上這一短板。

3.1.1 選擇GPS控制網(wǎng)精度

根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》，GPS網(wǎng)精度可分AA、A、B、C、D、E六個(gè)等級(jí)，大型橋梁GPS控制網(wǎng)宜選用C等級(jí)，具體地說：相鄰點(diǎn)平均距離10～15公里，固定誤差應(yīng)小于10毫米，橋墩中心在橋軸線方向上的誤差小于2厘米，點(diǎn)位中誤差小于8毫米。

3.1.2 選擇GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形

GPS控制網(wǎng)，可選擇跟蹤站式、會(huì)戰(zhàn)式、同步圖形擴(kuò)展式（又細(xì)分為點(diǎn)連式、網(wǎng)連式、邊連式、混連式）等各種網(wǎng)形。具體到大型橋梁的GPS控制網(wǎng)，宜選用混連式布網(wǎng)，可將網(wǎng)形設(shè)計(jì)為三角形或環(huán)形。

3.1.3 選擇控制點(diǎn)，布設(shè)GPS橋梁控制網(wǎng)

布設(shè)GPS橋梁控制網(wǎng)，須仔細(xì)選擇控制點(diǎn)。控制點(diǎn)四周須視野開闊，在地面大于十五度的范圍內(nèi)不允許出現(xiàn)任何障礙物;控制點(diǎn)四周不能有大幅巖石、廣告牌等強(qiáng)反射面。每一個(gè)控制點(diǎn)都不得出現(xiàn)支點(diǎn)。每個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)與兩個(gè)方向保持通視[3]。

3.1.4 GPS控制網(wǎng)施測(cè)

（1）宜選用單頻GPS接收機(jī)（接收L1載波），接收機(jī)須外觀良好、部件、附件齊備;測(cè)量人員還須對(duì)接收機(jī)進(jìn)行通電檢驗(yàn)，檢測(cè)其信號(hào)燈、按鍵、顯示系統(tǒng)是否工作正常，是否能夠迅速鎖定衛(wèi)星信號(hào);然后，測(cè)量人員須在不同的基線上對(duì)接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平進(jìn)行檢驗(yàn)（可采用零基線測(cè)試法），還須測(cè)試GPS接收機(jī)的不同測(cè)程精度，并且檢驗(yàn)天線相位中心的穩(wěn)定性。

（2）外業(yè)實(shí)施。1）選點(diǎn)埋石。根據(jù)設(shè)計(jì)網(wǎng)形選擇GPS點(diǎn)，然后在每個(gè)GPS點(diǎn)設(shè)置一塊標(biāo)石，再在每塊標(biāo)石上設(shè)置中心標(biāo)志，標(biāo)石與標(biāo)志都必須穩(wěn)固、牢靠。2）選擇外業(yè)模式。GPS橋梁控制網(wǎng)外業(yè)宜采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。靜態(tài)相對(duì)定位模式須組織測(cè)量人員，將2臺(tái)或2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)分別布置于一條或幾條基線的前后兩端，然后通過手機(jī)命令各基線兩端的測(cè)量人員同步觀測(cè)4顆以上的GPS衛(wèi)星，觀測(cè)時(shí)間須超過45分鐘。采用該模式作業(yè)，可使觀測(cè)基線構(gòu)成完整的閉合環(huán)，觀測(cè)精度高，可靠性強(qiáng)。3）處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。技術(shù)人員通過隨機(jī)配置軟件，將測(cè)量人員每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)下載到電腦，然后使用隨機(jī)基線解算軟件，采用相位觀測(cè)值雙差分技術(shù)解算外業(yè)基線，并對(duì)同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)的外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不合格，必須要求重新進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)。4）處理GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)。使用專用平差軟件，選取坐標(biāo)系中一個(gè)已知點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)GPS網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差，檢查各坐標(biāo)分量改正數(shù)是否大于3σ。若各坐標(biāo)分量改正數(shù)小于3σ，則將三維平差后的GPS平面控制點(diǎn)成果轉(zhuǎn)換到不同的坐標(biāo)系中，為橋梁施工提供放樣基準(zhǔn)。

3.2 在公路施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)

3.2.1 在公路平面控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)

（1）選擇GPS控制網(wǎng)精度。根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》，道路GPS控制網(wǎng)宜選用D等級(jí)，具體地說：相鄰點(diǎn)平均距離為0.5～4公里，固定誤差應(yīng)小于10毫米。

（2）選擇GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形。采用邊連式布網(wǎng)，確保相鄰的兩個(gè)三角網(wǎng)之間只有兩個(gè)公共點(diǎn)相連。

（3）選擇控制點(diǎn)，布設(shè)GPS平面控制網(wǎng)。每隔5公里布設(shè)兩個(gè)GPS控制點(diǎn)，兩個(gè)控制點(diǎn)之間應(yīng)保持相互通視。每個(gè)控制點(diǎn)四周都不允許出現(xiàn)強(qiáng)反射面或大型地物。

（4）采用靜態(tài)定位模式進(jìn)行外業(yè)施測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)施測(cè)時(shí)，必須確保GPS衛(wèi)星高度角大于或等于15度，數(shù)據(jù)采集間隔必須大于或等于15秒，靜態(tài)定位觀測(cè)時(shí)間必須在90分鐘以上，重復(fù)測(cè)量的最少基線數(shù)必須超過5條，施測(cè)時(shí)段數(shù)必須在兩個(gè)以上，可有效觀測(cè)的GPS衛(wèi)星總數(shù)必須達(dá)到6顆。

可分兩天對(duì)GPS平面控制網(wǎng)進(jìn)行三角觀測(cè)。各觀測(cè)小組之間通過手機(jī)保持實(shí)時(shí)聯(lián)系，測(cè)量人員還須隨時(shí)查看接收機(jī)的觀測(cè)指標(biāo)是否符合定位精度的要求，若不達(dá)標(biāo)則延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

（5）處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。每天GPS靜態(tài)定位外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，技術(shù)人員均須通過隨機(jī)配置軟件下載全部接收機(jī)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù);然后便要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。

1）基線解算。技術(shù)人員使用隨機(jī)基線解算軟件進(jìn)行基線解算：選擇一個(gè)固定點(diǎn)作為起算點(diǎn)（該起算點(diǎn)坐標(biāo)絕對(duì)誤差必須在20米以上，否則無法達(dá)到GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度1cm+（1～2）ppm），再對(duì)每一個(gè)觀測(cè)時(shí)段解算基線，評(píng)定觀測(cè)結(jié)果是否滿足精度要求。基線解算的結(jié)果還須進(jìn)行同一基線成果互差檢驗(yàn)與同步環(huán)閉合差檢驗(yàn)。

2）GPS平面控制網(wǎng)平差。選擇不同時(shí)段的基線組成異步閉合環(huán)，檢驗(yàn)它們的閉合環(huán)誤差是否滿足規(guī)范要求。若滿足規(guī)范要求，則選擇閉合環(huán)差較小的閉合環(huán)進(jìn)行無約束平差。控制網(wǎng)無約束平差后，分析GPS基線向量網(wǎng)的基線向量改正值，確保基線向量改正值在2ppm以下。然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.2.2 在公路高程控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)

（1）布設(shè)GPS高程控制網(wǎng)。宜逐級(jí)布設(shè)GPS高程控制網(wǎng)，根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況確定高程控制點(diǎn)的數(shù)量（若線路較長(zhǎng)，須增大聯(lián)測(cè)點(diǎn)的密度），每隔1～1.5公里設(shè)置一個(gè)高程控制點(diǎn)，各個(gè)控制點(diǎn)應(yīng)均勻分布。各控制點(diǎn)之間應(yīng)保持互相通視。

（2）進(jìn)行外業(yè)施測(cè)。組織測(cè)量人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外業(yè)施測(cè)，獲取各控制點(diǎn)的大地高數(shù)值。

（3）計(jì)算正常高。采用等值線圖法（其它方法有地球模型法、高程擬合法、加權(quán)平均擬合法、非參數(shù)回歸法等等，可根據(jù)實(shí)際情況自行選擇），選擇控制點(diǎn)進(jìn)行解算，計(jì)算出正常高。

4 結(jié)語

路橋控制測(cè)量在路橋工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)管等各個(gè)階段都發(fā)揮著重要的作用。而GPS技術(shù)具有精度高、施測(cè)快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在公路、橋梁施工控制測(cè)量中應(yīng)用GPS技術(shù)，可以降低外業(yè)施測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高控制測(cè)量的效率與精度，助力路橋建設(shè)更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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