公路桥梁施工控制测量中GPS的应用与技术分析

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　　摘 要：近年来，国内交通建设不断加速，每年都有许多公路、桥梁项目破土动工。而要保障公路、桥梁的施工质量，就必须抓好路桥施工控制测量。在路桥施工控制测量中应用GPS技术，可以节省外业施测的时间，提高路桥控制测量的精度。本文将分析如何在公路、桥梁施工控制测量中应用GPS技术。
　　关键词：公路桥梁;施工;控制测量;GPS技术;应用;分析
　　中图分类号：U448.14 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0100-02
　　大型路桥工程施工离不开控制测量，而先进的GPS技术则可以使施工控制测量的水平迈上一个新的台阶。
　　1 控制测量
　　控制测量指的是，在某一个测量区域内，按照测量任务要求的精度，测定一系列控制点的平面位置及其高程，建立起质量控制网，作为地形测量、工程测量的依据。在本文中，控制测量特指在道路、桥梁工程施工区域内，为地形测量、工程测量建立控制网所进行的测量。
　　控制测量包括平面控制测量、高程控制测量、三维控制测量三个方面。平面控制测量主要测量控制点的平面坐标，高程控制测量主要测量控制点的高程，三维控制测量则须测定控制点的三维空间坐标[1]。
　　长期以来，路桥工程施工控制测量沿用的是传统外业模式，主要依靠测距仪、经纬仪、全站仪进行。而路桥工程施工现场往往面积较大，地形复杂，给外业施测带来了一定的难度。此外，外业施测易受雨、雾等气候条件影响，作业时间长，劳动强度高，工作量大;而应用GPS技术进行路桥施工控制测量则可以弥补传统外业模式的不足。
　　2 GPS技术
　　2.1 GPS的由来
　　一九五九年，美苏争霸日趋激烈，双方都在绞尽脑汁研发洲际导弹的导航与定位技术。在这一背景下，美国霍布金斯大学应用物理实验室于当年提出卫星导航的设想（子午卫星导航系统），子午卫星导航系统于一九六四年进行首次试验，大获成功。实验证明：只要能在地球上任何地点观测到卫星，便可接收到卫星信号进行单点定位或双点联测定位。但子午卫星导航系统无法进行实时连续定位，定位精度有限。有鉴于此，五角大楼于一九七三年决定建立全球定位系统，该系统的英语全称为Global Positioning System，首字母缩写为GPS。
　　一九九四年，经过二十多年的努力，前后耗资300亿美元的24颗GPS卫星全部布置到位，至此，GPS系统正式建立。
　　2.2 GPS系统
　　GPS系统由卫星、地面控制系统、用户三部分组成。
　　2.2.1 卫星
　　在太空中，运行着21颗GPS工作卫星与3颗GPS备用卫星。它们均匀分布在6个轨道平面上，每个轨道平面上都有3～4颗GPS卫星，两个轨道面之间成60度的平角，对赤道面成55度的倾角，轨道高度在20000公里左右。每颗GPS卫星绕地球运行一周的时间大约为12小时。通过这样的太空布局，可以确保无论地球如何转动，在地球上任何一个地点、任何一个时间，都可以同时接收到4颗以上GPS卫星的信号。
　　GPS卫星配有原子钟，并向地面实时发射L1载波信号（频率为1575.42MHz）与L2载波信号（频率为1227.60MHz）。
　　2.2.2 地面控制系统
　　GPS系统的中枢是地面控制系统。地面控制系统共有一个主控站（位于美国科罗拉多州）、3个注入站（分别位于大西洋、太平洋、印度洋）、5个监测站。地面控制系统负责维持GPS卫星的正常运行，计算星历，调整卫星原子钟的误差，控制卫星漂移[2]。
　　2.2.3 用户
　　GPS用户首先必须配备GPS接收机。常见的GPS接收机包括导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机，单频接收机（只能接收L1载波信号）、双频接收机（可以同时接收L1、L2载波信号）。用户使用GPS接收机，可以进行静态定位，动态定位，随时获得自己的三维位置、三维速度、一维时间。
　　2.3 GPS技术的特点
　　使用GPS技术进行定位，可以不受时间、不受地点、不受天气条件的限制。使用GPS技术进行测量，无须进行点与点之间的通视。GPS技术精度高（测速精度可达0.1米/秒，测时精度可达100毫微秒以下，在100～500公里基线上，定位精度可达10-6～10-7。）、速度快、操作简单（无须再学习复杂、繁琐的全站仪操作规程）、自动化程度高。
　　3 在道路桥梁施工控制测量中应用GPS技术
　　3.1 在桥梁施工控制测量中应用GPS技术
　　桥梁工程施工现场面积往往达到几平方公里～几十平方公里，桥梁平面控制网布测范围纵向距离可达0.2～10公里，横向距离可达0.1～2公里，点位密度大，精度要求高，控制点使用频繁，而且易受施工的干扰，控制点之间难以进行相互通视。应用GPS技术，则可以补上这一短板。
　　3.1.1 选择GPS控制网精度
　　根据国家发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》，GPS网精度可分AA、A、B、C、D、E六个等级，大型桥梁GPS控制网宜选用C等级，具体地说：相邻点平均距离10～15公里，固定误差应小于10毫米，桥墩中心在桥轴線方向上的误差小于2厘米，点位中误差小于8毫米。
　　3.1.2 选择GPS控制网网形
　　GPS控制网，可选择跟踪站式、会战式、同步图形扩展式（又细分为点连式、网连式、边连式、混连式）等各种网形。具体到大型桥梁的GPS控制网，宜选用混连式布网，可将网形设计为三角形或环形。
　　3.1.3 选择控制点，布设GPS桥梁控制网
　　布设GPS桥梁控制网，须仔细选择控制点。控制点四周须视野开阔，在地面大于十五度的范围内不允许出现任何障碍物;控制点四周不能有大幅岩石、广告牌等强反射面。每一个控制点都不得出现支点。每个控制点应与两个方向保持通视[3]。 　　3.1.4 GPS控制网施测
　　（1）宜选用单频GPS接收机（接收L1载波），接收机须外观良好、部件、附件齐备;测量人员还须对接收机进行通电检验，检测其信号灯、按键、显示系统是否工作正常，是否能够迅速锁定卫星信号;然后，测量人员须在不同的基线上对接收机内部噪声水平进行检验（可采用零基线测试法），还须测试GPS接收机的不同测程精度，并且检验天线相位中心的稳定性。
　　（2）外业实施。1）选点埋石。根据设计网形选择GPS点，然后在每个GPS点设置一块标石，再在每块标石上设置中心标志，标石与标志都必须稳固、牢靠。2）选择外业模式。GPS桥梁控制网外业宜采用静态相对定位模式。静态相对定位模式须组织测量人员，将2台或2台以上的GPS接收机分别布置于一条或几条基线的前后两端，然后通过手机命令各基线两端的测量人员同步观测4颗以上的GPS卫星，观测时间须超过45分钟。采用该模式作业，可使观测基线构成完整的闭合环，观测精度高，可靠性强。3）处理观测数据。技术人员通过随机配置软件，将测量人员每天的观测数据及时下载到电脑，然后使用随机基线解算软件，采用相位观测值双差分技术解算外业基线，并对同步环、独立环的外业数据进行检核。若发现数据不合格，必须要求重新进行外业观测。4）处理GPS控制网数据。使用专用平差软件，选取坐标系中一个已知点作为基准点，对GPS网进行三维无约束平差，检查各坐标分量改正数是否大于3σ。若各坐标分量改正数小于3σ，则将三维平差后的GPS平面控制点成果转换到不同的坐标系中，为桥梁施工提供放样基准。
　　3.2 在公路施工控制测量中应用GPS技术
　　3.2.1 在公路平面控制测量中应用GPS技术
　　（1）选择GPS控制网精度。根据国家发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》，道路GPS控制网宜选用D等级，具体地说：相邻点平均距离为0.5～4公里，固定误差应小于10毫米。
　　（2）选择GPS控制网网形。采用边连式布网，确保相邻的两个三角网之间只有两个公共点相连。
　　（3）选择控制点，布设GPS平面控制网。每隔5公里布设两个GPS控制点，两个控制点之间应保持相互通视。每个控制点四周都不允许出现强反射面或大型地物。
　　（4）采用静态定位模式进行外业施测。在现场进行外业施测时，必须确保GPS卫星高度角大于或等于15度，数据采集间隔必须大于或等于15秒，静态定位观测时间必须在90分钟以上，重复测量的最少基线数必须超过5条，施测时段数必须在两个以上，可有效观测的GPS卫星总数必须达到6颗。
　　可分两天对GPS平面控制网进行三角观测。各观测小组之间通过手机保持实时联系，测量人员还须随时查看接收机的观测指标是否符合定位精度的要求，若不达标则延长观测时间。
　　（5）处理观测数据。每天GPS静态定位外业观测结束后，技术人员均须通过随机配置软件下载全部接收机的卫星定位数据;然后便要进行内业处理。
　　1）基线解算。技术人员使用随机基线解算软件进行基线解算：选择一个固定点作为起算点（该起算点坐标绝对误差必须在20米以上，否则无法达到GPS接收机标称精度1cm+（1～2）ppm），再对每一个观测时段解算基线，评定观测结果是否满足精度要求。基线解算的结果还须进行同一基线成果互差检验与同步环闭合差检验。
　　2）GPS平面控制网平差。选择不同时段的基线组成异步闭合环，检验它们的闭合环误差是否满足规范要求。若满足规范要求，则选择闭合环差较小的闭合环进行无约束平差。控制网无约束平差后，分析GPS基线向量网的基线向量改正值，确保基线向量改正值在2ppm以下。然后进行坐标转换。
　　3.2.2 在公路高程控制测量中应用GPS技术
　　（1）布设GPS高程控制网。宜逐级布设GPS高程控制网，根据测区的实际情况确定高程控制点的数量（若线路较长，须增大联测点的密度），每隔1～1.5公里设置一个高程控制点，各个控制点应均匀分布。各控制点之间应保持互相通视。
　　（2）进行外业施测。组织测量人员在现场进行外业施测，获取各控制点的大地高数值。
　　（3）计算正常高。采用等值线图法（其它方法有地球模型法、高程拟合法、加权平均拟合法、非参数回归法等等，可根据实际情况自行选择），选择控制点进行解算，计算出正常高。
　　4 结语
　　路桥控制测量在路桥工程设计、施工、运管等各个阶段都发挥着重要的作用。而GPS技术具有精度高、施测快、操作简单等优点。在公路、桥梁施工控制测量中應用GPS技术，可以降低外业施测的劳动强度，提高控制测量的效率与精度，助力路桥建设更好的发展。
　　参考文献
　　[1] 岳志斌.基于公路桥梁施工控制测量中GPS的应用[J].建筑技术开发，2018，45（19）：91-92.
　　[2] 王建.GPS技术在大型桥梁测量控制中的运用分析[J].城市道桥与防洪，2018（01）：124-126+17.
　　[3] 李思安.GPS在公路桥梁施工控制测量中的应用[J].黑龙江交通科技，2013，36（02）：101+103.
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