高精度衛星定位系統在橋梁轉體控制中的應用

牛谷巖

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024）

橋梁轉體施工技術是指將在被跨越線路上空完成的作業轉化為在被跨越線路兩側完成，在新建橋梁達到設計強度后，通過以橋墩為圓心的外部機械系統牽引，實現橋梁整體轉動，達到設計軸線位置的施工技術手段。當前應用較多的為平轉法施工，該技術因具有跨越性強（溝谷湍流、鐵路航道等）、施工便利（作業場地具備一定的可選擇性）、結構可靠度高等優點而被廣泛應用于新建線路跨越既有通車、通航線路的橋梁施工中。

當前國內外關于橋梁轉體施工技術的研究主要集中于平面鉸/球鉸靜摩擦系數測量[1-2]、系統稱重[3-5]、澆筑及轉體過程中力學特性分析[6-7]、轉體穩定性控制[8-9]等方面，橋梁轉體過程中實時位置測量方面的研究較少。當前橋梁轉體過程中的實時位置測量主要依靠全站儀跟蹤測量、機械轉盤指針測量，其中全站儀跟蹤測量為最終定位依據，全站儀跟蹤測量通過在橋面安裝固定棱鏡，在轉體過程中由附近通視移動站進行間歇式動態跟蹤測量。該方法具有測量精度高、技術成熟等優點，但其單點式間斷測量及計算延遲等，對動態、實時掌握橋梁當前姿態十分不利。機械轉盤指針測量是通過在轉盤底部粘貼刻度標尺，利用固定指針在標尺上的移動直接讀出轉動角度。該方法數據直觀連續，但存在指針剛度不足、測量誤差較大的問題。基于對現有測量系統的分析，結合高精度衛星定位技術，將衛星定位引入橋梁轉體過程測量中，以實現橋梁轉體過程的高精度（亞毫米級）實時動態測量。

1 系統組成

高精度衛星定位系統由前端監測設備及配套軟件組成，硬件部分主要布設于橋面設計位置，并與橋面可靠連接，轉體過程中與橋體同步運動，通過無線傳輸模塊實時回傳橋梁的位置參數。配套軟件系統主要完成數據的接收、存儲、解算及分析顯示。

1.1 硬件

該系統現場安裝設備由移動站、基站組成。移動站、基站除接收機功能存在細微差別，設備組成相近。設備硬件部分包括衛星天線、接收機、DTU模塊及附屬設施。衛星天線和接收機是數據采集的主要部分；DTU模塊通過內置通訊卡將數據推送給預設服務器地址；附屬設施主要包括安裝腳架、調平對中底座、電源適配器等。

1.2 軟件

軟件系統主要完成數據的接收、存儲、解算及分析顯示。系統支持多模，包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等。解算采用優化的處理整周模糊度的算法、高頻超寬帶大數據并行算法等，可以將準實時解算精度達到亞毫米級。實時解算精度達到3mm以內，滿足橋梁轉體實時控制的精度要求。

2 現場安裝

移動站基站均要求220V市電供電，衛星天線端部水平面向上10～90°范圍內無遮擋。同時要求移動站布設于橋面旋轉端端部，基站布設于施工區域附近穩定位置，具備條件時可在梁體兩端部同時布設移動站，如圖1所示。移動站布設完成后，應對測站中心位置、轉動中心位置進行準確測量。試轉體期間應完成設備的全部調試，并對測量信息復核。

圖1 移動站布設

3 測試數據

轉體施工期間，可實時在系統模型中看到梁體位置信息，并對重點關注的參數位置單獨顯示。該系統可將實測的坐標參數及高程轉化為各工程采用的坐標系或以橋墩轉動中心為原點的極坐標系，自動計算其已轉角度、轉體瞬時速度、轉體平均速度、剩余待轉角度，并結合天窗期剩余時間計算未來最小轉速。

3.1 平面位置及弧線同心

轉體過程中梁體端部移動站實測平面坐標以米為單位，取小數點前兩位生成的坐標圖，如圖2所示。由圖可見，曲線線形順滑，曲線經過同一圓心。

3.2 豎向位置及撓度波動

圖2 移動站平面坐標

轉體過程中梁體端部移動站高程坐標以米為單位，取小數點后兩位生成的坐標圖，如圖3所示。由圖可見，去除系統誤差，梁端撓度在±2cm內波動。平面測量、高程測量結果與全站儀測量成果吻合。

圖3 高程變化

4 系統特點及不足

4.1 特點及優勢

（1）實時測量不間斷。衛星定位具有高精度連續測量被監測體位置坐標的技術優勢，配合云架構并行計算軟件系統的強大數據處理能力，可以實現在5s內完成實測數據解算及坐標轉換計算。克服了以往全站儀測量造成的間斷性及數據處理時間長等問題，實現了橋梁轉體的全程實時測量。

（2）高精度、多測點全面掌握橋體姿態。系統實時解算精度可以達到水平3mm、垂直8mm以內，并可以根據梁體橋面形態及配重布置情況動態增加測點。移動站采用即插即用形式，其施工便利性優勢顯著。

（3）豎向位移反應轉體過程平穩性，預警傾覆。系統具備對高頻率、多測點數據的強大處理能力，支持對多梁體多測點同步解算，并通過定制化功能模塊自主選擇敏感數據進行對比分析。對轉體難度較大的工程，還可通過各測點豎向撓度數據實時監控梁體轉動過程中的平衡性，避免梁體傾覆事故的發生；對有限空間內多橋協同轉體項目，可通過各橋實測位置動態計算、測量梁體間最小距離，避免梁體碰撞事故的發生。

4.2 不足

高精度衛星定位系統相對其他測量技術具備上述3項明顯技術優勢的同時，也存在需要有源供電、設備電臺通信不夠穩定等有待進一步優化完善的方面。

5 結論

隨著國家對各類交通基建的大量投入，跨越既有公路鐵路航道等的大跨度橋梁轉體技術已經成為一種被廣泛應用的常態的施工方法。其精確定位從某種意義上來講，已成為轉體技術是否成功完成的最關鍵的技術指標，定位成功則轉體成功。文章通過將傳統的全站儀定位上升至高精度衛星系統定位，實現了橋梁轉體過程中的高精度（亞毫米級）實施動態測量。隨著系統的不斷完善升級，最大限度地發揮了橋梁轉體的技術優勢，并提高了其潛在的市場價值。