GPS技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用

1、GPS技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用作者:日期:GPS技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用福建鐵路建設(shè)有限公司 洪淮斌摘要本文詳細(xì)介紹了在橋、隧工程施工控制網(wǎng)及工程施工復(fù)測中如何應(yīng)用GPS測量技術(shù)，筆者還結(jié)合大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了 GPS測量技術(shù)在實(shí)際工程施工應(yīng)用中存在的 問題以及應(yīng)注意的事項(xiàng)。關(guān)鍵詞GPS測量技術(shù)工程施工應(yīng)用1 GPS系統(tǒng)簡介1.1 GPS系統(tǒng)概況GPS系統(tǒng)的全稱是衛(wèi)星測時(shí)導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System）,它是美國國防部于 1973年12月批準(zhǔn)研制的以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定

2、位系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由三大部 分組成一一空間GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設(shè)備 GPS接收機(jī)。該 系統(tǒng)具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的 導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能，它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供三維坐 標(biāo)、速度及時(shí)間信息。2000年5月以來，美國政府取消了“ SA"、“AS'等限 制民用精度的政策，并研發(fā)了一系列提高民用精度的技術(shù)（L2載波上增加C/A 碼、加入第三民用頻率L5）,進(jìn)一步改善系統(tǒng)的可用性、安全性和可靠性，使 得該系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)載工具的導(dǎo)航以及高精度的大地測量、精密 工程測量等領(lǐng)域。1.2 GPS系統(tǒng)的主要特點(diǎn)（1）

3、定位精度高。實(shí)踐證明，用載波相位觀測量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位在小于 50km的基線上可達(dá)1ppm; 3001500m工程精密定位中，平面位置誤差小于 1mm （1h以上觀測）；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）可達(dá)厘米級(jí)的精度。(2) 觀測時(shí)間短。目前，20km以內(nèi)靜態(tài)相對(duì)定位的時(shí)間僅需 1520min, 快速靜態(tài)定位只需2min左右，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位每站觀測12s就可完成。(3) 測站間無需通視。這是 GPS技術(shù)區(qū)別于常規(guī)測量的最大優(yōu)點(diǎn)，尤其是布設(shè)長大隧道施工控制網(wǎng)時(shí)，可省去大量的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測量，大大減少測量作業(yè)時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)也使選點(diǎn)布網(wǎng)變得非常靈活。(4) 操作簡便。GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度非常高，外業(yè)觀

4、測時(shí)，測量人員的 任務(wù)只是安置儀器、連接線纜(一體化機(jī)則不需要)、量取天線高、開關(guān)機(jī)及 監(jiān)視儀器工作狀態(tài)，野外測量工作輕松愉快。(5) 全球全天候測量。目前衛(wèi)星數(shù)已達(dá) 30顆，正常情況下隨時(shí)都可以進(jìn)行 測量定位。除雷電、臺(tái)風(fēng)天氣不宜觀測外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不 影響，這一點(diǎn)也是常規(guī)測量所無法比擬的。2 GPS技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用GPS定位的基本原理是根據(jù)幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛(wèi)星及其與地面點(diǎn)間距離來交會(huì)出地面點(diǎn)位置，從測量的角度來說，它與測距 后方交會(huì)法相似.為了減少衛(wèi)星本身及信號(hào)傳播過程產(chǎn)生的各種誤差、克服美 國的限制政策，人們經(jīng)過多年研究和實(shí)踐，總結(jié)出多種不同用

5、途、不同精度 的定位技術(shù)和方法，在工程施工中應(yīng)用較多的主要是經(jīng)典靜態(tài)相對(duì)定位(載波相位靜態(tài)相對(duì)定位)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(RTK兩種。2.1經(jīng)典靜態(tài)相對(duì)定位兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的接收機(jī)分別安置在一條基線或數(shù)條基線的端點(diǎn)，同步觀測45min以上，測量精度和可靠性很高(可達(dá)5mm 1ppn)，但其定位結(jié)果需 通過測后處理來獲得，不能實(shí)時(shí)地給出，而且無法實(shí)時(shí)校核觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、定位的精度，故難免會(huì)采集到一些不合格的數(shù)據(jù)而造成返工重測。這種模式 主要應(yīng)用于建立高精度的長大線路、橋隧工程施工控制網(wǎng)。2.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位RTK測量技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量技術(shù)，它的基本思想是選取點(diǎn)位精度

6、較高的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，在其上安置一臺(tái)接收機(jī)連續(xù)觀測所有可見衛(wèi)星，并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送給流動(dòng)站接收 機(jī)，流動(dòng)站接收機(jī)同時(shí)接收來自衛(wèi)星和基準(zhǔn)站無線電臺(tái)的信號(hào)，根據(jù)相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示測點(diǎn)的三維坐標(biāo)（基準(zhǔn)站所確立的坐標(biāo)系）及精度。這 種模式的瞬時(shí)點(diǎn)位精度可達(dá)平面1cnn+ 1ppn、高程2cnn+ Ippnm相對(duì)于基準(zhǔn)站）， 可用于線路施工控制網(wǎng)的擴(kuò)展和加密、線路測量放樣、孔樁定位、地形或斷 面測量等.與常規(guī)測量相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)是沒有誤差累積問題、作業(yè)范圍大（一個(gè)基準(zhǔn)站的作業(yè)半徑一般可達(dá)低丘平原8km以上、山區(qū)2km）、測量速度快（測量放樣24s、控制點(diǎn)加密3min）、不需要通

7、視等.2.3 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)在工程施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用工程設(shè)計(jì)控制網(wǎng)，尤其是鐵路工程大多仍采用較低等級(jí)的全站儀導(dǎo)線作 為線路控制網(wǎng)，橋隧沒有單獨(dú)作測量設(shè)計(jì)，這給我們布設(shè)橋隧施工控制網(wǎng)帶 來很多不便，最大的問題就是缺少高等級(jí)控制點(diǎn)，且又必須保證線路前后銜 接平順.如何解決這些問題，使控制網(wǎng)能滿足工程要求呢？我們通過查閱大量 資料和咨詢、調(diào)查，并通過棲霞山隧道、襄滁特大橋（全長10.8km）以及溫福鐵路青岙隧道（6.8km）、五工區(qū)橋隧群（7。6km）等工程的實(shí)測對(duì)照、驗(yàn)證， 形成一套完整、可行的解決辦法。具體步驟如下：（1）準(zhǔn)備工作。包括收集規(guī)范、設(shè)計(jì)圖等資料，用GPS接收機(jī)測量測區(qū)概略的地理坐

8、標(biāo)(經(jīng)緯度)，并接收最新的星歷文件，檢查接收機(jī)狀態(tài)。橋隧工程施工GPS空制網(wǎng)一般應(yīng)由三角形或四邊形構(gòu)成，因此，接收機(jī)的 數(shù)量一般為36臺(tái)，且宜采用雙頻接收機(jī)。(2) 布網(wǎng)方案。工程施工控制網(wǎng)的精度和可靠性要求高，因此 ,GPS控制網(wǎng) 的圖形多采用邊連式或網(wǎng)連式；控制網(wǎng)精度等級(jí)一般采用 C級(jí)，隧道長度超 過6km應(yīng)采用B級(jí)；同時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：i. GPS測量對(duì)控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度沒有特別要求，但宜避免連續(xù)幾個(gè)點(diǎn)接近于 成一條直線，尤其是位于長大直線段的橋梁工程控制網(wǎng)。ii. 線路、橋梁控制網(wǎng)每12km布設(shè)一對(duì)控制點(diǎn)，兩點(diǎn)間距離盡量控制在 300500m隧道則在每個(gè)洞口布設(shè)3個(gè)以上的控制點(diǎn)，并盡可能

9、相互通視.iii. 為了保證橋隧軸線與設(shè)計(jì)位置相吻合，并與相鄰構(gòu)筑物銜接平順，應(yīng)盡量采用設(shè)計(jì)控制點(diǎn)，并向相鄰標(biāo)段延伸兩個(gè)控制點(diǎn)，且距離不短于500m(3) 選點(diǎn)及埋樁.所有控制點(diǎn)應(yīng)滿足GPS觀測要求，便于施工放樣或常規(guī)測 量聯(lián)測、擴(kuò)展，點(diǎn)位穩(wěn)定、堅(jiān)固。(4) 編制觀測計(jì)劃.為了保證觀測作業(yè)高效、有序、結(jié)果準(zhǔn)確可靠，減少返工，在外業(yè)觀測前應(yīng)制定周密的計(jì)劃.i. 編制依據(jù)：控制網(wǎng)的精度、衛(wèi)星星歷文件(不得超過 20天)、接收機(jī)數(shù) 量以及交通狀況。ii. 確定最佳觀測時(shí)段：首先設(shè)置測區(qū)地理位置和衛(wèi)星高度角，選擇衛(wèi)星多 于5顆且分布均勻、衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度 PDOP直小于6的時(shí)段。iii. 編制內(nèi)容：

10、包括測量順序及時(shí)間、人員分工、用車計(jì)劃等。(5) 外業(yè)測量。觀測應(yīng)符合規(guī)定的基本技術(shù)要求(時(shí)段長、采樣間隔、重復(fù)設(shè)站數(shù)等），并嚴(yán)格遵照儀器操作規(guī)程、按制定的計(jì)劃實(shí)施。作業(yè)過程中應(yīng) 指定一人擔(dān)任總調(diào)度，以便根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整觀測計(jì)劃。作業(yè)中應(yīng)特別注意：線纜連接牢靠、天線整平置中（對(duì)中誤差小于1mm三方向天線高互差小于3mrjn、點(diǎn)名核對(duì)正確、電池電量充足，避免遮擋或振 動(dòng)天線、防雷電、不在附近使用對(duì)講機(jī)等無線電設(shè)備 ，密切監(jiān)視接收機(jī)狀態(tài)。（6）數(shù)據(jù)預(yù)處理。主要任務(wù)是檢查外業(yè)記錄填寫是否完整、是否按計(jì)劃完成、有無漏測、原始數(shù)據(jù)上傳至電腦并轉(zhuǎn)換為Rinex標(biāo)準(zhǔn)格式，同時(shí)輸入點(diǎn)名和天線高，方便后期數(shù)據(jù)處

11、理。當(dāng)有不同類型的接收機(jī)同步作業(yè)時(shí)，可將每臺(tái)接收機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成Rinex標(biāo)準(zhǔn)格式后，用統(tǒng)一的基線解算軟件進(jìn)行解算；也可以分別進(jìn)行 基線解算后再導(dǎo)入到同一平差軟件進(jìn)行平差。（7）基線解算.首先設(shè)置基線處理形式（衛(wèi)星高度角、電離層改正方式、對(duì)流層改正模型等）；然后進(jìn)行解算，檢查基線質(zhì)量控制參數(shù)（比率 Ratio、參 考變量、均方根RM、有效同步衛(wèi)星數(shù)及同步時(shí)長、殘差是否滿足要求，如不 滿足，則通過調(diào)整衛(wèi)星高度角或?qū)πl(wèi)星信號(hào)進(jìn)行刪減等手段使基線解算結(jié)果 滿足要求；最后導(dǎo)出合格的基線解算結(jié)果.（8）三維無約束平差。在科傻 GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，設(shè)置（輸入）控制網(wǎng)等 級(jí)、測區(qū)平均經(jīng)緯度、大地高

12、、起算點(diǎn)三維坐標(biāo)等 ，然后進(jìn)行平差，檢查重復(fù) 基線差、環(huán)閉合差等是否滿足要求。（9）二維約束平差.輸入已知點(diǎn)坐標(biāo)（施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）和方位角、已 知邊長等約束條件，進(jìn)行約束平差（一點(diǎn)一方向或二維聯(lián)合平差），檢查最弱 點(diǎn)、最弱邊、誤差橢圓等是否滿足測量設(shè)計(jì)要求。(10) 成果整理。2.4 RTK技術(shù)在施工復(fù)測中應(yīng)用我們在泉三高速公路 QA7合同段施工復(fù)測中采用 RTK技術(shù)，僅用了一個(gè) 多星期就完成了全線約14km(山區(qū))的設(shè)計(jì)導(dǎo)線和中樁復(fù)測工作，極大地提高 了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力?，F(xiàn)簡要介紹如下：(1) 采用靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)建立覆蓋全標(biāo)段的首級(jí)控制網(wǎng)。i. 每3km左右選擇一個(gè)滿足G

13、PS觀測要求、樁位穩(wěn)固的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)；為了 保證標(biāo)段間的銜接平順，向相鄰標(biāo)段各延伸一對(duì)點(diǎn)；ii. 控制網(wǎng)等級(jí)采用C級(jí)；iii. 為了使控制網(wǎng)與設(shè)計(jì)線路最大程度地吻合，平差時(shí)選取了多個(gè)起算數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化組合，綜合比較后確定最佳的起算數(shù)據(jù)作為約束條件。iv. 為了保證高程的精度，提高中樁測量效率，選取其中的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn) 聯(lián)測，將水準(zhǔn)測量結(jié)果納入 GPS控制網(wǎng)的約束條件進(jìn)行高程擬合，以獲得控 制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。首級(jí)控制網(wǎng)不僅可作為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)復(fù)測、中線復(fù)測的依據(jù)，還可作為布設(shè)施工控制網(wǎng)的基準(zhǔn)。(2) 采用RTK技術(shù)進(jìn)行中樁測量放樣及其它設(shè)計(jì)控制點(diǎn)復(fù)核.i. 將首級(jí)控制點(diǎn)的坐標(biāo)(WG84坐標(biāo)和施工坐標(biāo)系坐標(biāo)

14、)導(dǎo)入到手簿， 執(zhí)行點(diǎn)校正；ii. 將線路平面曲線資料輸入到手簿中；iii. 選擇首級(jí)控制點(diǎn)(最好是參加點(diǎn)校正的點(diǎn))架設(shè)基準(zhǔn)站、啟動(dòng)電臺(tái)， 流動(dòng)站在電臺(tái)作用范圍內(nèi)進(jìn)行放樣、測量中樁高程和設(shè)計(jì)控制點(diǎn)坐標(biāo)等。12人即可作業(yè)，而且實(shí)時(shí)顯示測點(diǎn)坐標(biāo)、偏差及精度，測量、定位速度 快(即時(shí)顯示坐標(biāo)及偏差，測量中樁高程約3s,測控制點(diǎn)坐標(biāo)約3min)。 3 GPS技術(shù)在工程施工中應(yīng)用的問題與思考(1) 儀器選型問題。接收機(jī)型號(hào)、生產(chǎn)廠家眾多，精度和基本功能相似，但穩(wěn)定性、抗干擾能力、接收和處理信號(hào)能力、困難條件下跟蹤能力、初始 化速度相差很大，尤其是 RTK作業(yè)。用于工程施工測量尤其是橋隧控制測量 的儀器，

15、穩(wěn)定和可靠性壓倒一切，因此，應(yīng)多渠道、全方位調(diào)查、了解，并盡 可能通過實(shí)測檢驗(yàn)。我們在購置前在棲霞山隧道試用了國內(nèi)某品牌的GPS接收機(jī)，經(jīng)試用發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性差、抗干擾能力不強(qiáng)、返工率很高，因此，我們又通過各種渠道向兄弟單位咨詢，最終選擇了更可靠的Trimble接收機(jī).(2) 布網(wǎng)問題.控制網(wǎng)應(yīng)采用邊連式和網(wǎng)連式，長大隧道進(jìn)、出口間控制點(diǎn) 聯(lián)接方式最好采用網(wǎng)連式，以增加檢核條件，提高可靠性。(3) 觀測時(shí)段選擇。實(shí)施外業(yè)觀測前應(yīng)收集最新的衛(wèi)星星歷，選擇衛(wèi)星數(shù)大 于5,且PDOR®小于8(B級(jí)網(wǎng)應(yīng)小于6)的時(shí)段安排觀測。(4) 基線解算時(shí)，不僅要看三個(gè)控制參數(shù)(比率、參考變量、方差 RMS

16、，還應(yīng)分析殘差圖，通過對(duì)比所有相關(guān)基線的殘差圖，來決定衛(wèi)星信號(hào)的刪減(刪減哪個(gè)點(diǎn)號(hào)、哪顆衛(wèi)星、哪個(gè)時(shí)間段的信號(hào)).如果某個(gè)時(shí)段大部分基線均不 合格，則應(yīng)考慮調(diào)整衛(wèi)星截止高度角(一般宜為 1520°)。處理時(shí)應(yīng)注意衛(wèi) 星信號(hào)刪除率不應(yīng)大于10% ,且應(yīng)保證有效觀測衛(wèi)星數(shù)、任一衛(wèi)星有效觀測時(shí) 間等滿足規(guī)范要求，否則應(yīng)考慮重測或重新選點(diǎn).(5) 起算點(diǎn)的選擇。為了使 GPS控制網(wǎng)能與設(shè)計(jì)線路較好地吻合，一般應(yīng) 選擇35個(gè)觀測條件好、樁位穩(wěn)固的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)作為平差的約束條件。對(duì)于長大橋、隧控制網(wǎng)，為了避免控制網(wǎng)相對(duì)于設(shè)計(jì)線路旋轉(zhuǎn)太多，應(yīng)盡量選擇 長邊，或者在控制網(wǎng)的兩端各選擇一個(gè)點(diǎn)。(6) 約

17、束條件的選擇.確定約束條件之前，應(yīng)充分了解設(shè)計(jì)控制點(diǎn)的精度及 點(diǎn)位保護(hù)情況，以免因精度低給控制網(wǎng)帶入粗差，破壞 GPS網(wǎng)內(nèi)的精度。比 如，目前鐵路工程設(shè)計(jì)控制點(diǎn)一般采用四、五等導(dǎo)線，長大隧道沒有單獨(dú)作測量設(shè)計(jì)，造成控制點(diǎn)精度不能滿足隧道施工控制要求，所以，宜采用一個(gè)固 定點(diǎn)的平面坐標(biāo)加一個(gè)方位角進(jìn)行二維約束平差。另外，可以用全站儀精測 幾條邊參與平差或作檢核.(7) 選擇科傻GPS平差系統(tǒng)的理由。該系統(tǒng)通過了國家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證；較好地符合規(guī)范要求和工程實(shí)際，能進(jìn)行二維網(wǎng)聯(lián)合平差(多約束條件)，也可進(jìn)行“一點(diǎn)加一方向”平差，滿足在缺少高精度控制點(diǎn)的情況下既最大限度 地與設(shè)計(jì)吻合，又不致于破壞 GPS網(wǎng)內(nèi)精度；平差結(jié)果直觀、報(bào)告齊全. 4結(jié)論實(shí)踐表明，GPS技術(shù)