浅谈桥梁施工测量的技术应用——ＧＰＳ定位系统

吴建明

摘要：介绍了GPS全球定位系统的组成，分析了GPS系统在施工测量方面的特点，结合具体工程实例，探讨了GPS定位系统在桥梁施工中的应用。

关键词：GPS; 桥梁; 施工测量

GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在桥梁工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。

1 GPS的构成

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分-GPS星座；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分-GPS 信号接收机。

1.1空间部分

GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

1.2地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

1.3用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

2 GPS系统的特点

定位精度高。在300～1500 m 工程精密定位中，1h以上观测的解，其平面位置误差小于1 mm，与ME一5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大 为0.5 mm，校差中误差为0.3mm。

观测时间短。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20k m以内相对静态定位，仅需15～20 min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15 km以内时，流动站观测时间只需1～2 min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

测站间无须通视。GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

可提供三维坐标。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

操作简便。系统操作的自动化程度越来越高，接收机的体积越来越小，重量越来越轻。全天候作业。目前GPS观测可在一天24h内的任何时间进行，不受 阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

功能多、应用广。GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测 速的精度可达0.1 m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明， GP S系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来 的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位、米级至亚米级精度的动态定位、亚米级至厘米级精度 的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。

3 GPS技术在桥梁施工测量中的应用

GPS自20世纪80年代中叶投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视，使人们普遍用来逐渐代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。但在精密工程变形监测中还少有应用，尚处于理论研究和实践摸索之中。

3.1 在桥梁施工测量中的应用优势

在桥梁施工中，测量所担负的主要任务是控制网的布设、测量、检核和结构物的放样。传统的桥梁，其施工控制网通常布设成三角网或导线网，采用经纬仪配合测距仪或利用全站仪进行外业数据采集，往往需要耗费大量的人力物力。

由于桥梁自身的特点，桥梁施工控制网边长一般较长,特别是跨越大江大河的特大型桥梁,更具有跨度大的特点，这就给传统的测量方法增加了一定难度。随着跨海大桥的出现。GPS 更体现了其无可替代的优越性，所以应用GPS方法比用传统方法进行测量更具优势。

采用GPS的静态定位法进行桥梁控制网的测量,因其不受外界环境干扰，所以可大大缩短外业观测时间，提高工作效率。同时，由于静态定位法观测精度可达毫米级，测量成果的可靠性好，其精度完全能满足桥梁施工的需要。

3.2 在桥梁施工测量中的应用

杭州湾跨海大桥全长36km，是目前世界上最长的跨海大桥，杭州湾跨海大桥工程测量如果单纯地运用常规的测量仪器(全站仪和水准仪) 进行测量其难度是可想而知的，而仅仅依靠GPS测量技术因精度限制因素也无法完成，只有运用GPS技术同时借助常规仪器才能完成其测量任务。大海宽阔的海面为传输优质数据链提供了保障，相对较少的干扰能保证成果质量，良好的作业条件节省了初始化时间，提高了GPS工作效率，为GPS技术的运用提供了广阔的空间。

GPS实时动态钻孔桩桩位放样。根据杭州湾跨海大桥施工规范中钻孔桩成孔质量标准：陆地和滩涂区桩位偏差为100mm，海中为300 mm。而GPS测量精度能达到厘米级， 所以用GPS实时动态技术进行桩位放样完全能达到质量标准要求， 同样GPS高程测量也可用于钻孔桩。

利用GPS技术放样平台、栈桥钢管桩。在两岸滩涂区的栈桥钢管桩和施工平台钢管桩的放样也可利用GPS测量实现。这大大减少了测量外业的时间，减小了劳动强度。

GPS测量质量检查。利用GPS测量技术可以对完成的护筒和桩位进行偏心检查。 这既能满足精度要求又能提高工作效率。

GPS和常规仪器配合放样承台、墩身。杭州湾跨海大桥优先施工墩成为GPS测量向全站仪测量转变的载体，在每隔1.5 km左右的优先施工墩上利用GPS静态测量或快速静态完成平面和高程控制点的布设，再用全站仪进行近距离承台、墩身的放样，以确保承台、墩身精度要求。

4 结语

GPS作业模式，能进一步提高测量作业效率，降低了劳动强度，节省了测量费用，使测量变得更轻松容易。另一方面，GPS技术的强大功能与潜力尚未充分挖掘，与 GIS集成、实时控制、综合自动化作业是其未来的发展方向，随着科技的不断进步，精度更高，初始化速度更快，环境限制性更小， 抗干扰性更强的系统将会很快出现。GPS在桥梁建设方面的应用就将更广泛。

参考文献

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