橋梁檢測中GPS 差分定位技術的應用

徐富強

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽110111）

1 GPS 差分定位技術

1.1 差分定位原理

在GPS 定位方式中一般可分為單點和差分兩種定位方式。前一種方式主要是基于監測1 臺接收機中的有關數據，以自測量導航衛星的偽距測量為定位數據源，此方式的定位精度在一定程度上還達不到較高的標準，可在車船概略導航等不具有較高定位精度要求的領域中應用。與單點定位模式不同的是，相對定位是一種通過監測2 臺以上接收器的數據對觀測點位置進行確定的方法，具有較高的定位精度，該方法已廣泛應用于工程測量中。另外電離層干擾、路徑效應等因素會對單點定位模式有一定程度的影響，也增大了定位數據的誤差。而后一種方式基于測量雙頻接收機的數據，使公共誤差的降低幅度較大，使測量數據的精準度得到了提高。針對應用過程中具有定位精準度較高要求的一些領域，接收器之間距離較大及大氣影響測量過程較明顯的條件下，測量可利用差分定位方法。對差分定位方式的最初應用中，達不到較寬的控制區域是亟待完善地地方，只能采取建設更多基準站的方式擴大相應的控制面積。隨著技術發展的日新月異及對定位精度要求的日益提高，在定位技術中研發了本地差分及廣域差分系統等很多先進系統，并取得了廣泛應用。該技術研發使差分定位中存在的傳輸問題得到明顯改善，控制差分定位的區域也在一定程度上逐步擴大。

1.2 差分定位技術分類

差分定位（DGPS）技術按照作用范圍可分為以下兩類：一類是局域DGPS 定位技術。主要分為數據基站、用戶站及數據通信鏈三部分內容。但該技術只提供綜合DGPS 改正信息，因此只能應用于較小的領域。另一類是廣域DGPS 定位技術。該技術主要分為差分信號播發站、衛星跟蹤站、通信網絡記憶用戶接收器及監測站點幾部分內容。相對于上一類技術而言，應采用模型化方法處理好定位中存在的誤差源，再分別發送給用戶接收器一些數據，進一步修正接收到的數據，減小數據之間存在的誤差，使定位測量精度得到明顯提高。

基準站發送信息主要有三類方式：第一類是位置差分，該方法是較為簡單的一種基礎方法。對4 顆衛星的觀測數據采用GPS 接收機進行四維定位，通過分析相關數據結果顯示，因大氣影響等一些氣候因素作用的影響，向導航衛星傳播衛星數據的過程中有一些誤差難以避免，基準站可采取相應的修正措施降低數據的誤差程度而使其明顯縮小，數據由用戶端接收可使精確度有效提高。第二類是偽距差分，其技術原理主要是比較導航衛星與接收機之間的距離和存在誤差的測量值，對存在的誤差與有關數據相結合進行計算，向用戶傳輸誤差測距，用戶根據誤差程度進一步修正測距，提高位置數據的精準度。該技術具有較高的定位精準度和較廣的適用范圍；因此，具有商業用途的大部分GPS 接收器的設計都應用該類技術。第三類是載波相位差分，該技術的定位精準度相對更高一些，測量結果的精準度可高達厘米級。數據以兩個監測站的載波相位為主要來源，經分析得到目標的三維定位，較高實時性和較高準確性等優勢。盡管在技術分類中劃分出不同的運作方法，但都具有一致的核心基礎：經基準站將改正數發送給用戶，用戶站修正測量值后得到的定位數值精準度相對更高?；鶞收景l送的內容不同則是不同劃分方式的主要依據，最后位置數據存在的精準度也各有差異。隨著日益發展并完善的差分技術，在定位目標位置數據中不斷提高了精準度，也明顯減小了誤差，可使用戶對定位導航的需求大部分能夠得以實現，并在交通運輸工程中GPS 的應用范圍將日益擴大。

2 橋梁檢測中GPS 差分定位技術的應用

2.1 GPS 差分定位技術的優勢

相對于傳統橋梁監測技術而言，GPS 差分定位技術具有較為突出的優勢。若有障礙物遮擋兩個檢測點之間區域將不能進行監測，增大了檢測工作的難度。GPS 定位無需通視，對目標物位置數據的獲得主要采用三維坐標形式。環境條件對GPS 定位只有較小的限制條件，能夠實現24 小時不間斷的實時監測。

通常情況下，GPS 橋梁監測點在橋梁兩側分布，監測點每側布置一個。若橋跨較大、墩身較高，可對監測點適當增加。GPS 一般采用混合網布置方式，通信網絡系統為GPS 系統提供相應支持，數據控制中心可整合分析源自系統的有關數據。因GPS 差分定位特點可對橋梁變形或位移等問題進行實時觀測。若橋梁安全在使用過程中發生各類問題，GPS 觀測數據在維修中將發揮重要作用。

2.2 橋梁檢測試驗中GPS 差分定位技術的應用

橋梁檢測采用測量技術應達到厘米級標準，需準備兩臺接收器分別用于基準站和流動站。基準站主要是對載波相位觀測量和監測站坐標進行采集，應用數據鏈實時發送給流動站。流動站不只是接收基準站載波相位，還要接受導航衛星載波相位，接收完成相關數據后，對數據組成相位差分的觀測值進行分析處理，可以獲得精確度為厘米級的定位數據信息。該測量技術的主要優點是具有較高精確度，可在大跨度橋梁及特殊結構橋梁等具有較高精準度要求的領域中應用。

3 橋梁檢測技術應用的具體實例

某大橋橋長1.3 千米，橋寬28 米。該橋因故停工3 年，現準備復工，因此應檢測大橋結構，以提高橋梁施工的安全性。主要采用的設備為電子全站儀和實時動態GPS 接收器。

3.1 測量控制

在橋梁鄰近區域設置用于使測量數值提高精確度的平面和高程控制網。平面控制測量計算邊長過程中應修正溫度、氣壓等相關氣象數據。高程控制測量采用近距離測距方法，在兩個高程控制點之間對三角高程測量2 次，線路1.35 千米長，2 次測量存在5 毫米的高差，各點高程通過計算結果就能獲得。

3.2 測量放樣

在測量放樣過程中一般是利用實時動態GPS 接收機，應達到0.5cm+1ppm 的測量精度。放樣測量應對參考點進行科學合理地選擇提高架設基準站的便利性，使基準站盡量架設在較為空曠的地區，避免附近的建筑物影響測量的實際效果，參考站在較高地形的位置進行架設是最適宜的，能夠使信號的傳輸效果增強。與采樣樣本附近的實際環境相結合，在河壩上設立相應的基準站，將其位置選定后即可啟動，能夠實現實時采集載波相位等一些數據，還能進行單點測量，數據由流動站進行接收。利用衛星測得的坐標與位置坐標數據進行計算后得到轉換坐標系參數，可轉換衛星數據坐標到施工坐標系下而得到設計樁平面位置坐標?，F場放樣橋墩樁基平面位置，并對相應高程數據進行采集，標記好放樣點位并進行編號，便于后續施工。

應用厘米級測量技術明顯提高了檢測工作效率，也在一定程度上使檢測結果明顯提高了準確度。應用近距離測距往返三角高程測量方法可達到三四等水準的測量精度。

4 結論

綜上所述，GPS 差分定位技術比傳統橋梁檢測技術擁有更多優點，快速發展的GPS 定位技術有利促進其應用，為相關決策的制定、橋梁工程建設及養護維修創造了有利條件，在橋梁檢測中深入開展GPS 差分定位技術的應用研究具有重要價值。