GNSS接收機在橋梁控制測量的應用及精度分析

孫 玉 強

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

0 引言

隨著我國經濟建設的發展和城市農村脫貧攻堅戰的要求，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，在我國西南云貴川地區、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。

超級工程的出現對施工技術以及測量技術都提出了非常高的要求。“工程施工、測繪先行”，為了達到該類工程的精度要求，精密工程測量起了非常大的作用。主要以經典的測繪理論為基礎作為平臺，運用現代大地測量技術、方法為模型，應用最新的儀器和科技為技術，最后完成具體的工程，形成“一平臺、一模型、一技術、一項目”的超級工程測量模式。科技進步為精密測量帶來了先進儀器和技術，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、掃描測量技術、VR測量技術。粒子加速器準直測量、建立高精度三維控制網、建立高精度隧道控制網、磁鐵精密安裝測量、工業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的布設、外業數據采集、模型選擇、基線解算及檢核。采用工程獨立坐標系進行數據解算，利用各種方法處理數據提高解算的精度，使成果精度滿足工程要求，得出在橋梁施工控制網建設過程中獨立坐標系解算的數據精度可靠，最優點位中誤差SD08為0.13 cm，最弱點位中誤差SD05為0.17 cm；最優基線中誤差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。能夠用于后續施工和運營管理階段，也為同類工程根據項目要求選擇合適的解算方法提供了技術支持。

1 GNSS技術原理與發展

GNSS技術是各國以及區域進行導航定位應用于軍方和民用的方法，也是在當前階段空間領域技術的對抗，是Global Navigation Satellite System縮寫，現行運行的系統主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的BDS以及部分商業衛星系統，日本的基于多功能衛星的星基增強系統(MSAS)和印度的GAGAN系統屬于GPS星基增強系統，由多個衛星導航定位及其增強型系統所拼湊組成的大系統。主要應用于導航定位、技術研究、工程服務、各種工程測繪、災害救援與重建、各類移動設備導航、智能通信、物聯網大數據、智能物流、人工智能、無人機領域等[3-6]。具體如圖1所示。

2 GNSS工程橋梁控制網建立

GNSS控制網按B級網要求布設，共布設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控制網，統一平差計算；控制網點布設范圍覆蓋測區及施工區域，所有控制點布設時充分考慮控制點間的距離，合理布設，相鄰點間距控制在2 km～3 km，根據現場情況，控制網點的點位布設于基礎穩固、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 外業數據獲取

3.1 控制網觀測技術指標

GNSS靜態觀測數據采集使用6臺Trimble R8雙頻GNSS接收機，其標稱精度為5 mm+1 ppm，觀測按照B級控制網執行。本文中采用的接收機都是高精度的美國天寶接收機，GNSS控制網觀測的原始觀測數據為了統一使用和處理，由系統自帶的.dat格式轉換成標準的Rinex格式，補全觀測點的人員、點號、位置、天線高類型及數據等信息[7-10]。具體執行作業技術參數見表1。

表1 GNSS控制網觀測基本技術指標一覽表

3.2 觀測時段設置

本控制網外業觀測工作于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，每個點平均設站率為3.25，網中每點應至少有3條獨立基線與之相連接，因此整個網形圖形強度高[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

本論文所布控制網采用高精度GNSS數據處理軟件GAMIT軟件，該軟件伴隨著GNSS技術的應用在國內外高精度空間基準框架、地殼運動觀測網絡、大地水準面精化，各層次科研結構、地震監測中心、城市CORS建設、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用。控制點利用控制網內部的同步測站進行解算衛星截止高度角為10°，歷元間隔為30″；且不考慮衛星軌道誤差，即固定IGS軌道。基線解算結果中，每個觀測時段的GAMIT基線解為對應的o文件(o file)，將o文件轉化為Trimble數據交換格式.asc基線文件，再進行后續平差計算[7-10]。

4.2 基線檢測

為了檢驗控制網的符合精度，本文采用常規測量方法加測了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、氣象儀器等配套設備，每條邊往返觀測各6個測回，加入氣象改正、常數改正、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，對應邊為SD10-SD04。

5 數據處理

本論文中采用工程獨立坐標系，CGCS2000坐標系橢球參數，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，對其他點進行約束處理的平差模式建立獨立坐標系[7-10]。通過把CGCS2000三維坐標進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。解算分析結果如圖4，表3，表4所示。

表3 坐標分量精度統計表

表4 基線精度統計表

由圖4，表3和表4可以看出：最優點位中誤差SD08為0.13 cm，最弱點位中誤差SD05為0.17 cm；最優基線中誤差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(GPS)測量規范規定的相應等級的精度要求。本論文控制網工程獨立坐標系平差結果滿足JTG C10—2018公路勘測規范規定的相應等級的精度要求。

6 結論

1)采用LeicaTM30 0.5″全站儀及配套棱鏡、氣象儀器等配套設備量取的距離與GNSS基線長度對比分析，得出GNSS控制網基線精度可靠。2)利用工程獨立坐標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，數據處理精度可靠。本文控制網工程獨立坐標系平差結果滿足JTG C10—2018公路勘測規范規定的相應等級的精度要求。3)本文設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借鑒。