GNSS接收机在桥梁控制测量的应用及精度分析

孙 玉 强

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

0 引言

随着我国经济建设的发展和城市农村脱贫攻坚战的要求，大型桥梁、跨海大桥、海底隧道等大型工程如雨后春笋般的出现，在我国西南云贵川地区、港珠澳大桥、跨长江天险、入黄河隧道、杭州湾跨海大桥、胶州湾跨海大桥以及在论证阶段的一系列超级工程。

超级工程的出现对施工技术以及测量技术都提出了非常高的要求。“工程施工、测绘先行”，为了达到该类工程的精度要求，精密工程测量起了非常大的作用。主要以经典的测绘理论为基础作为平台，运用现代大地测量技术、方法为模型，应用最新的仪器和科技为技术，最后完成具体的工程，形成“一平台、一模型、一技术、一项目”的超级工程测量模式。科技进步为精密测量带来了先进仪器和技术，激光扫描仪、测量机器人、各种高精度(Global Navigation Satellite System)接收机、超级全站仪、多传感器测量技术、扫描测量技术、VR测量技术。粒子加速器准直测量、建立高精度三维控制网、建立高精度隧道控制网、磁铁精密安装测量、工业测量等精密控制测量典型案例[1,2]。

本文主要就桥梁工程的施工控制网的布设、外业数据采集、模型选择、基线解算及检核。采用工程独立坐标系进行数据解算，利用各种方法处理数据提高解算的精度，使成果精度满足工程要求，得出在桥梁施工控制网建设过程中独立坐标系解算的数据精度可靠，最优点位中误差SD08为0.13 cm，最弱点位中误差SD05为0.17 cm；最优基线中误差SD01-SD04和最弱基线中误差为SD03-SD08，相对误差均满足误差最大允许值。能够用于后续施工和运营管理阶段，也为同类工程根据项目要求选择合适的解算方法提供了技术支持。

1 GNSS技术原理与发展

GNSS技术是各国以及区域进行导航定位应用于军方和民用的方法，也是在当前阶段空间领域技术的对抗，是Global Navigation Satellite System缩写，现行运行的系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的BDS以及部分商业卫星系统，日本的基于多功能卫星的星基增强系统(MSAS)和印度的GAGAN系统属于GPS星基增强系统，由多个卫星导航定位及其增强型系统所拼凑组成的大系统。主要应用于导航定位、技术研究、工程服务、各种工程测绘、灾害救援与重建、各类移动设备导航、智能通信、物联网大数据、智能物流、人工智能、无人机领域等[3-6]。具体如图1所示。

2 GNSS工程桥梁控制网建立

GNSS控制网按B级网要求布设，共布设10个点，最短边长大于2.2 km、平均边长约2.8 km；编号按由北向南，自东向西的顺序进行。编号形式为“SD01”,其中，“SD”为桥梁的首写字母，“01”为点号编码。

在施工前期按图纸和实地布设控制网，统一平差计算；控制网点布设范围覆盖测区及施工区域，所有控制点布设时充分考虑控制点间的距离，合理布设，相邻点间距控制在2 km～3 km，根据现场情况，控制网点的点位布设于基础稳固、便于保存的地方尽量选取相互通视的位置，以利于后期施工放样。图2为观测墩与接收机安置。

3 外业数据获取

3.1 控制网观测技术指标

GNSS静态观测数据采集使用6台Trimble R8双频GNSS接收机，其标称精度为5 mm+1 ppm，观测按照B级控制网执行。本文中采用的接收机都是高精度的美国天宝接收机，GNSS控制网观测的原始观测数据为了统一使用和处理，由系统自带的.dat格式转换成标准的Rinex格式，补全观测点的人员、点号、位置、天线高类型及数据等信息[7-10]。具体执行作业技术参数见表1。

表1 GNSS控制网观测基本技术指标一览表

3.2 观测时段设置

本控制网外业观测工作于2018年5月19日～5月25日，为期6 d，共观测了6个时段，每个时段采用6台Trimble接收机同步观测，每个点平均设站率为3.25，网中每点应至少有3条独立基线与之相连接，因此整个网形图形强度高[7-10]。每个时段的观测时间均大于23 h，历元采样间隔为30 s，卫星截止高度角为10°，仪器高三次测量较差不超过±3 mm，测前测后量高之差不超过±2 mm，仪器对中误差不大于±2 mm。

4 基线解算及检核

4.1 基线解算过程

本论文所布控制网采用高精度GNSS数据处理软件GAMIT软件，该软件伴随着GNSS技术的应用在国内外高精度空间基准框架、地壳运动观测网络、大地水准面精化，各层次科研结构、地震监测中心、城市CORS建设、精密工程测量、超级工程等重大工程项目中得到了较为广泛的应用。控制点利用控制网内部的同步测站进行解算卫星截止高度角为10°，历元间隔为30″；且不考虑卫星轨道误差，即固定IGS轨道。基线解算结果中，每个观测时段的GAMIT基线解为对应的o文件(o file)，将o文件转化为Trimble数据交换格式.asc基线文件，再进行后续平差计算[7-10]。

4.2 基线检测

为了检验控制网的符合精度，本文采用常规测量方法加测了4条高精度测距边，测距边观测采用LeicaTM30 0.5″全站仪及配套棱镜、气象仪器等配套设备，每条边往返观测各6个测回，加入气象改正、常数改正、归心改正、投影改正[7-10]。表2为TM30测距边与GNSS边对比情况，图3为距离对比分析图。

表2 TM30测距边与GNSS边比对情况

测距边与GNSS边最大平距较差为1.1 mm，小于限差±13.1 mm；测距边与GNSS边最大斜距较差为1.1 mm，小于限差±13.1 mm，对应边为SD10-SD04。

5 数据处理

本论文中采用工程独立坐标系，CGCS2000坐标系椭球参数，中央子午线117°03′，投影面正常高：32 m。采用固定方位与固定点作为起算方向，对其他点进行约束处理的平差模式建立独立坐标系[7-10]。通过把CGCS2000三维坐标进行高斯投影获取固定点SD01(5 288.323 5，312.221 5)及起算方位角SD01→SD10。解算分析结果如图4，表3，表4所示。

表3 坐标分量精度统计表

表4 基线精度统计表

由图4，表3和表4可以看出：最优点位中误差SD08为0.13 cm，最弱点位中误差SD05为0.17 cm；最优基线中误差SD01-SD04和最弱基线中误差为SD03-SD08，相对误差均满足误差最大允许值。最弱点位精度与最弱基线精度均满足GB/T 18314—2016全球定位系统(GPS)测量规范规定的相应等级的精度要求。本论文控制网工程独立坐标系平差结果满足JTG C10—2018公路勘测规范规定的相应等级的精度要求。

6 结论

1)采用LeicaTM30 0.5″全站仪及配套棱镜、气象仪器等配套设备量取的距离与GNSS基线长度对比分析，得出GNSS控制网基线精度可靠。2)利用工程独立坐标系采用一点一方位的解算方案，最弱点位和最弱基线误差均在允许的范围内，数据处理精度可靠。本文控制网工程独立坐标系平差结果满足JTG C10—2018公路勘测规范规定的相应等级的精度要求。3)本文设计的观测方案和解算方案，能够为同类工程项目提供一定的技术借鉴。