路桥测量中GPS的运用

路桥测量中GPS的运用

郑烨

郑烨

广东省长大公路工程有限公司:510000

摘要：GPS技术的不断发展已在我国公路工程测量中得到普遍应用，但是如何更好地发挥GPS技术及实现公路工程中的较好示范应用作用，从理论到实践还有较大差距。基于此，在分析了公路工程测量中使用GPS技术特点的基础上，对路桥变形检测双频GPS有关推算做一阐述，文章最后，根据作者的工作所得，对GPS的应用前景作了论述。

关键词：公路工程；测量；GPS；静态定位；动态定位

时下，GPS技术的不断发展已在我国公路工程测量中得到普遍应用，但是如何更好地发挥GPS技术及实现公路工程中的较好示范应用作用，提高其工作效率，从理论到实践仍有较大差距。鉴于此，根据实际工作经验得出：GPS技术的诸多优点多数集中体现在精度高,不受天气、通视条件等影响。就目前的高等级公路,尤其对高速公路来说,由于其车速高、全封闭的特点,对线形标准要求很高，相应的沿线经过的地形较为复杂而且影响通视,同时，这些重点工程往往是任务重、时间紧，质量要求高。因此作为先期工作的基础控制测量,采用GPS技术是理想的作业方法。下面先就GPS技术的特点做一阐述。

一、GPS测量的特点

GPS定位技术的应用迅速渗透到工程测量各个领域，并且在科技高速的发展下，实时动态差分GPS（RTK）中载波相位整周模糊度的在航解求，使得这一技术在工程测量中的应用成为可能。实时动态差分GPS具有如下特点：

1、定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

2、测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

3、观测时间短。在小于20公里的短基线上，快速相对定位一般只需5分钟观测时间即可。

4、提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

5、操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

6、全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

二.公路工程测量中路桥变形检测双频GPS有关推算

综合上面的论述和笔者工作经验不难看出，目前GPS测量技术，尤其是路桥等的各类变形监测中处于应用的最前沿，对于路桥的变形检测主要是实时监测工程建筑物的动态变形。这种测量的特点具有采样密度高。下面就公路工程测量中GPS技术的双频P码伪距法做一推算。供同行参考。我们就拿4颗卫星组成搜索空间这个事例来说，首先让这4颗卫星满足以下要求：（1）高度角大于13°；（2）它们构成的DDOC最小，DDOC的定义如公式所示：DDOC=trace

（ATA）-1，式中A是不同的卫星的相位双差所对应的设计矩阵。为了形成这样的双差，选择一颗高度角大且两测站都有相位观测值的卫星作为参考卫星。

第二，测量推算获得这4颗卫星宽波组成双差观的测值，根据此计算宽波模糊度初值，以此初值的±1周组成对应的模糊度空间，再对组合空间进行双差迭代解算，形成候选坐标组合。

第三，通过第二步的计算，已经获得了待定点可能的位置精度，这个时候可以计算同一历元其他宽波相位双差观测整周模糊度。对于每一组模糊度组合，列出宽波相位值已知情况下的双差"固定解"的观测函数，用最小二乘法迭代求解待定点的坐标值，并据此估算单位权中误差值大小。最后我们选择具有最小误差值的解为最佳的答案，并执行分辨率值的验算。

三.GPS技术在公路工程测量中应用

经过笔者的多次实践验证，在我国的公路工程测量工作中主要应用了GPS技术的静态功能和动态功能这两大功能应用。这两种功能应用完全可以满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。

3.1GPS技术在公路工程测量中的静态功能应用

所谓静态功能应用，是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；它是至少有两台接收机同时接收卫星信号，经过卫星信号的处理可精确计算出两点在WGS一84地心坐标系的三维坐标差，根据其中一点的坐标可推算出另一点的坐标，由于静态相对定位精度高，可广泛应用于形变监测、大地测量、城市与工程控制等多领域。

3.2GPS技术在公路工程测量中的动态功能应用

所谓动态功能应用，是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。具体来说，就是将一台GPS接收机置于基准站不动。而另一台（或几台）GPS接收机处于运动状态，根据基准站与流动站信号的差分可解算出流动站各时刻的位置参数。

四工程实例

4．1GPS平面施工控制测量。某高架桥地处工程地质条件极差、地势低洼、软土层厚达60m多的海相沉积平原地区，对施工控制测量的精度提出了较高的要求。在布设GPS施工控制同时，控制点位置的选择考虑了桥梁施工的特点，一方面将点的位置于施工便道以外并适于GPS观测要求的位置，另一方面尽可能保持相邻点间相互通视以及邻近线位控制点设站、长边定向的施工放样原则，GPS控制网构网时采取了“边连接”方式，以增加控制网的图形强度。

根据上述布网方案在施工现场共布设了21对GPS施工控制点，并采用4台WILD双频增强型Leica350GPS接收机按快速静态相对定位作业模式进行了观测。观测时，同步观测有效卫星数大于4颗，截止高度角大于15°，由卫星星座和测站组成的图形几何强度（GDOP）小于5，整个观测在两天内完成，共获得336条基线。在对GPS观测基线的三维向量施行三维无约束平差后，经粗差探测，整个观测值不存在粗差。在控制网先验中误差与后验中误差完全相等时，所得到的GPS基线向量的撮大残差为9mm。最弱点的坐标三维位置中误差分别为±3.1、±4.3、±3．3mm，这说明GPS观测基线具有很高的质量。完全可用于二维约束平差。

采用桥墩台平均高程投影面上的长度和桥轴线方位角作为约束条件，以桥轴线与路线两端连接差摄小为目标函数对GPS桥梁施工控制网进行二维约束平差。平差后所得到的GPS施工控制网的坐标成果完全能够满足桥梁施工的精度要求。由于路、桥施工所要求的测量精度不同，致使桥梁两端路线控制点坐标与桥梁控制点坐标之间存在着显著的差异。

根据上述偏差可知：在桥梁与路线的起始端的线位衔接差较小，两者基本一致，不会在接线处产生小偏角，因此也不会对高速行驶的车辆带来影响。在实际作业中，可采用限定路线控制点和桥梁施工控制点放样范围的方法，利用桥梁控制点向路线范围单向“渗透”放样以寻求最佳连接点来解决线位衔接问题。

4．2GPS高程控制测量。GPS能以很高精度获取点间的大地高高差。在将其转化为适于工程测量的正常高（或正高）高差时必须顾及大地水准面的异常改正。这种转换因重力测量资料等因素的限制，目前多采用GPS水准法，即利用同名点上的正常高（或正高）与GPS大地高，根据一定的数学模型获取相互问的换算关系。在该高架桥GPS施工控制网中，采用三等水准连测了6个GPS控制点，连测点位均匀分布，根据顾及地形改正的曲面拟合法得内部拟合中误差为±8mm，外部符合精度为±7mm。所有待插值点处于模型内插控制范围。将GPS水准法高程与四等水准相较，最大误差为-36mm，误差均值为-2mm，中误差为±9mm，GPS水准法的高程精度已达到了四等水准的精度要求，可应用于施工测量。

4．3RTK-GPS桥位放样测量。RTK-GPS实时测量技术是实时动态定位测量的最新成就。GPS技术为公路建设服务最为直观的表现就是控制测量技术已经成熟和利用RTK-GPS进行工程放样已成为可能。将公路桥梁CAD设计的桥位桩位数据文件通过GPS控制器与计算机问通讯，完成待故样数据的上装工作，然后在实地确定GPS坐标转换参数后，便可利用RTK-GPS放样

出桥位中桩．最后重新测定放样好的中桩三维坐标，并绘制纵断面图。实际作业中，将GPS参考站建立于桥梁控制网中间的控制点上，采用2台操动站放样，在控制器中调出桥位坐标，根据流动站事先设定的精度，通过控制器面板上的定位质量精度指标（CQ）和几何图标指示，可方便地将桥墩在实地精确地标定出来。为了选一步检查RTK-GPS放样的精度，首先将已放样桩位采用RTKGPS技术对其位置进行测量．然后与桥位设计的理论坐标进行比较，放样的平面中误差为±19．4mm，高程中误差为±10.4mm；对已放样好的点位采用GPS快速静态观测和水准测量，将两成果进行比较分析，其平面误差和高程误差均在50mm范围内，检测后的平面中误差为±28．4mm，高程中误差为±16.0mm。

结束语

通过GPS在公路和桥梁测量中的应用，GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1／10000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。

参考文献

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