浅析GPS定位技术在长山大桥施工测量中的应用

燕雪峰 鄂思臣

【摘 要】GPS定位技术应用于工程测量是一项重大革命，GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在大地测量学及其相关学科领域得到了较为广泛的应用。本文结合长山大桥施工测量的特点，主要介绍GPS系统的工作原理、特点，分析了GPS的静态与动态两种方式的定位精度以及在桥梁施工中的应用，对于跨海大桥施工测量选择不同的GPS定位方式给出了自己的看法。

【关键词】GPS静态定位 原理 RTK

1 长山大桥工程概况

长山大桥工程路线全长3.380km，其中大桥的桥梁部分全长1.79 km，跨海部位约1690m；跨海部分的大桥控制点（设计院提供）中最近的两个点距离约1.784 km，可见采用常规的三角测量方法实测大桥平面控制网和大桥细部结构物特征点难度相当大，而且定位精度很难达到。结合本桥的施工实际情况，我们采用GPS定位技术和全站仪放样结合的方式来进行本大桥的测量控制工作。鉴于全站仪放样大家都比较熟悉，下面本文主要对GPS定位技术原理以及本大桥测量中的应用进行分析和阐述。

2 GPS 构成

GPS 主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

（1）GPS 空间卫星星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成。24 颗卫星均匀地分布在 6 个轨道平面内，轨道平面的倾角为 55°，卫星的平均高度为20180km，运行周期为 11 h 58 min。卫星用 L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角 15°以上，平均可同时观测到 6 颗卫星，最多可达到 9 颗。

（2）GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对 GPS 卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。

（3）GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大与处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、GPS 网平差，求出 GPS 接收机中心的三维坐标。

3 GPS定位原理

GPS定位简单讲，就是用户用地面的接收设备接受卫星发射的测距码，解算出待定点与卫星之间的距离，由已知的卫星坐标推算出待定点的坐标。按照定位方式它又分为绝对定位和相对定位。

3.1 绝对定位

GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。例如：在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗以上的GPS卫星（A、B、C）所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星的空间位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得 P点的三维坐标（Xp，Yp，Zp），其数学公式为：

SAP2=[（ Xp-XA）2+（Yp-YA）2+（Zp+ZA）2]

SBP2=[（ Xp-XB）2+（Yp-YB）2+（Zp+ZB）2]

SCP2=[（ Xp-XC）2+（Yp-YC）2+（Zp+ZC）2]

式中（XA，YA，ZA）， （XB，YB，ZB）， （XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C 在时刻ti的空间直角坐标。

3.2 相对定位

相对定位是用两台接受机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量推求另一个待定点的坐标。

相对定位有静态相对定位和动态相对定位之分。

图（1）

相对定位实现的原理是，见图（1）在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效的消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。相对定位实现的数学模型分为：①单次差分模型；②二次差分模型；③三次差分模型。

4 GPS测量在大桥施工测量中的应用

4.1 GPS静态测量在桥梁控制网测量中的应用

长山大桥的控制点共有九个点，分别分布在桥梁的南北两侧，其中北岸埋设了五个控制点，南岸埋设了四个控制点，南北两岸控制点最近的两个点距离达到了1.784 km。所以本桥如果采用传统的三角测量复测全桥控制网，很显然受地理环境，温度，气压，折光系数等不利的外界条件影响，测量出来的成果精度不会很高，即使通过选择精度较高的仪器，选择好的观测条件，增加测回数等方面来复测控制网，也会使控制测量增加人力，物力，时间等使得控制网复测变的很繁琐，但结果却不一定理想。下图为本桥控制网布置图。

图（2）

见图（2）控制点分布图中平面点按设计院交桩等级C级GPS网进行测量，复测组网以三角形为基本构网图形按边联式组成带状网。由4台GPS接收机利用静态测量进行同步观测，观测2个时段，每个时段60分钟。整个作业仅花费1天半的时间，其效率非常之高，经过平差处理后，二维约束平差中最弱边精度为1/189000，最弱边方向中误差为0.86″，点位中误差4.6mm，其精度完全满足C级GPS网精度。精度比常规测量要高许多，且误差稳定分布均匀。大桥测量控制点成果见表1。

表1

点名称 交桩坐标 复测值 较差

X（m） Y（m） X（m） Y（m） △X（mm） △Y（mm）

CSDQ01 4347962.062 470132.033 4347962.070 470132.032 -2 -1

CSDQ02 4348204.046 470890.587 4348204.046 470890.587 0 0

CSDQ03 4347025.630 470692.527 4347025.628 470692.525 -2 -2

CSDQ04-1 4345253.286 470899.641 4345253.279 470899.646 -7 5

CSDQ05 4344919.742 471407.324 4344919.742 471407.324 0 0

CSDQ06-1 4344955.497 470928.186 4344955.488 470928.194 -9 8

CSDQ07 4347553.238 470550.588 4347553.237 470550.589 -1 1

CSDQ08 4345001.823 470751.709 4345001.824 470751.717 1 8

CSDQ09 4347447.659 470736.561 4347447.658 470736.566 -1 5

4.2 GPS-RTK定位测量在桥梁下部基础放样的应用

RTK定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS定位技术，实施动态测量。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时通过输入的相应的坐标转换参数和投影参数，实时得到流动站的三维坐标及精度。

（1）求取地方坐标转换参数。合理选择控制网中已知的WGS84和北京54坐标（或地方独立网格坐标）以及高程的公共点，求解转换参数，为RTK动态测量做好准备。由于控制点均为自设点，没有精确的WGS84坐标，先用接收机在一控制点上连续观测一天，处理得的比较准确的WGS84坐标。选择转换参数时要注意以下两个问题：①要选测区四周及中心的控制点，均匀分布；②为提高转化精度，最好选4个以上的点，利用最小二乘法求解转换参数。

（2）进行点校正。通常所用的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差，因此要通过点校正来减少这些偏差，获得更精确的当地网格坐标，可以利用GPS-RTK工作手簿的点校正功能进行测定，在作业时要注意以下三个问题：①要选测区四周及中心的控制点，均匀分布，且点位要能包围住整个测区；②要用Planning软件查看多项预测指标，选择卫星分布较好的时间段测量。③要用三角架、对点基座架设卫星天线，每个点必须连续观测十分钟以上。

（3）基准站和流动站设置。基准站设置除满足GPS静态观测的条件外，还应设在地势较高，四周开阔的位置，便于电台的发射。具体作业先将基准站接收机设在基准点上，开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输入工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置、无线电设置，输入转换参数，再进行流动站的设置和初始化工作。

在GPS基站和流动站设置好后就可以用于本大桥的施工放样中，①海上栈桥桩及钻孔平台桩的插打时通过在打桩船上设立两个临时测量点，该测量点和打桩船的打桩架中心（即插打桩中心）形成一个相对关系，通过计算测量两个临时点反算出桩中心的坐标，然后调整打桩船位置，GPS-RTK测量能够快速准确的提供点位坐标，保证打桩工作能够顺利的开展；②钻孔桩钢护筒的插打和承台钢套箱的下放定位时对于距离大桥测量控制点较远的主墩钻孔桩和承台套箱的定位通过全站仪来直接测量定位是满足不了施工要求的，且受到海上大风大雾以及不通视等不利因素的影响，利用GPS-RTK测量技术就可以直接定位待放桩位的位置，而且在下放承台钢套箱时可以实时动态的监控测量，保证下放准确无误，并不受白天黑夜的时间限制；③在承台以上的结构物放样中，考虑到GPS-RTK的定位精度 （RTK定位精度经实地复核点位误差能达到15mm以内）以及规范要求，采用GPS静态测量转点到已有承台上，然后利用全站仪来交回测量定位，转点时静态测量按规范进行测量。从整个过程来看，RTK定位技术运用到桥梁的施工放样中有很多优点。实时提供测点三维坐标，大大提高了放样效率，现场及时对观测质量进行检查，避免外业出现返工。

5 结语

实践证明，在桥梁施工平面控制网测量中以及桥梁下部基础定位放样应用GPS技术是切实可行的，GPS作业模式，可以提高测量作业效率，降低工作人员的劳动强度，节省测量的费用，使测量工作更为轻松容易。另外，随着科技不断进步，未来的测量技术将会是由GPS技术与GIS集成、实时控制、综合自动化联合作业的新技术，其测量系统将比现有技术更优越，精度更高、初始化速度更快、环境限制性更小、抗干扰性更强将是其主要特点。

参考文献：

[1]徐绍铨.GPS测量原理及应用.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.

[2]黄劲松 等.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[3]肖祥明.GPS定位技术在桥梁施工测量中的应用[J].山西建筑，2007.10.

[4]倪剑锋.GPS技术在大型桥梁测量控制中的应用[D].河海大学，2005.