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摘要：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。随着测量技术不断发展，我们将GPS技术应用于桥梁工程测量中，并取得理想的效果。本文主要介绍GPS系统的工作原理、特点及其在桥梁平面控制测量中的应用。
关键词：GPS；桥梁；平面控制测量；平差
Abstract: GPS technology has high precision, high efficiency and low cost advantages, in the geodesy and related subject areas to be a wide range of applications. Along with the measurement technology development, we will GPS technology applied in bridge engineering measurement, and obtain the ideal effect. This paper mainly introduces the GPS system of the working principles, characteristics and bridge in the measurement of the plane control application.
Keywords: GPS; Bridge; Plane control measurement; Adjustment with
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
1前言
GPS系统是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，研制的最初目的是为海陆空三军提供实时、全天侯和全球性的导航、核爆监测、情报收集、爆破定位以及应急通讯等服务。而对GPS技术的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到当初的目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号还能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位、米级至亚米级精度的动态定位、亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。随着科学技术的不断进步，目前，GPS已被广泛地应用于经济建设和科学技术的许多领域，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。
2工程概况
某大桥位于城市郊区，全长约1138m，主跨360 m。整个测区地形起伏大，最高处达海拔250 m左右，最低处(河床)仅海拔40余m，两岸悬崖陡立，房屋及树木遮挡严重，控制点间通视困难，采用常规三角测量方法施测桥梁施工平面控制网的难度相当大。
3GPS系统的特点
GPS系统功能多、应用广，不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，还可同时精确测定测站点的三维坐标。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。大量实验证明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。
由于GPS定位是由星站距离确定点位的，而无需测站点间互相通视，所以CPS定位不同于传统测量方法，它更利于测量人员将测站点位选在工程建设最需要的位置。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，GPS系统还具有观测时间短的优势。目前，流动站与基准站相距在20km以内相对静态定位仅需l5～20min；在15km以内只需1～2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
GPS系统操作的自动化程度越来越高，测量人员工作时只需将接收机在点位上进行对中整平、量取天线高、观察接收机的工作状态即可，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，操作十分简便，并可全天侯作业。目前，GPS观测在一天24h内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
4GPS的工作原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。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。
5GPS的应用
在桥梁施工中，测量所担负的主要任务是控制网的布设、测量、检核和结构物的放样。根据桥梁自身的特点，桥梁施工控制网边长一般较长，特别是特大型桥梁，更具有跨度大的特点，用传统的桥梁平面控制网通常布设成三角网或导线网，采用经纬仪配合测距仪或利用全站仪进行外业数据采集，往往需要耗费大量的人力物力，测量难度非常大。GPS系统与常规的测量仪器(全站仪和水准仪)相结合的测量方法是当前桥梁测量的最佳选择。
5.1 选点布网
根据GPS测量无需观测站之间互相通视的特点，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去传统测量中的传算点、过渡点的测量工作。
选点的原则：选点时充分考虑本工程特点，兼顾多个高程面；视野开阔，便于接收机的安装和操作；附近没有强烈反射卫星信号的物件；交通方便，便于施工单位使用；地面基础稳定，易于点的保护。如图1所示，全桥共设11个平面控制点，其中，桥中线控制点6个(DQ1～DQ6)。
图1施工平面图控制网示意图
5.2 造标埋石
现场灌注混凝土基底及标石。6个中线控制点埋设普通混凝土标石，DQ7设于二层房顶，DQ8、DQll建造强制归心观测标墩。
5.3 观测
根据测区条件及控制网特点，采用以GPS静态测量为主，全站仪测量为辅的方法，对全桥平面控制网进行观测。除中线点DQ3和DQ5外，其余9个控制点共同构成GPS控制网，采用4台GPS接收机，按C级网精度观测8个时段。观测时，有效卫星总数不少于6颗，高度截止角15°，数据采集间隔为15s，GDOP不大于6，每时段长度为90mm。在观测前后正确测记天线高度，量得的天线高互差不大于2mm。DQ3和DQ5受障碍物遮挡严重，无法实施GPS测量，故采用全站仪精密测量DQl～DQ6、DQ1～DQ2、DQ2～DQ11、DQ4～DQ9的距离，其中DQ1～DQ6作为GPS网的起算边，其余作为检核边。观测技术要求见下表：
采用GPS的静态定位法进行桥梁控制网的测量，因其不受外界环境干扰，所以可大大缩短外业观测时间，提高工作效率。同时，由于静态定位法观测精度可达毫米级，测量成果的可靠性好，其精度完全能满足桥梁施工的需要。
5.4 数据预处理
外业结束后，利用厂家提供的商用基线解算软件解算基线向量，经过同步环、异步环以及重复基线的检验，全部合格表明该网观测中不含有粗差，内符合精度和外符合精度优良。
5.5 平差计算
平差计算是为了检查和评定观测质量，提高觀测精度，根据最小二乘原理消除网中各种矛盾，求出各待定元素的平差值并评定精度。在WGS-84坐标系内先进行三维无约束平差，然后在桥址独立坐标系内加入全站仪测量的一条边长，进行二维约束平差。
5.6 精度指标及评定
GPS定位精度高，在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解，其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。根据有关技术规范的要求，该大桥工程平面控制网按三等精度施测，最弱边的边长相对中误差应小于1/8万，点位中误差不应大于8mm。平差后，该大桥中线边(DQ2～DQ4)的边长相对中误差为1/46万，控制点的平均点位中误差为±0.7mm，完全满足大桥施工的需要。
6结语
实践证明，在桥梁施工平面控制网测量中应用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。GPS定位技术虽然在桥梁平面控制网测量中的应用越来越广泛，但如何更经济、更快速地完成桥梁平面控制网的施测，在网形设计、观测时段的选择上还需进一步探讨。
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] 刘文芳，山区桥梁测量放线中应注意的几个问题[J]，交通世界，2008.11
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：GPS；桥梁；平面控制测量；平差
Abstract: GPS technology has high precision, high efficiency and low cost advantages, in the geodesy and related subject areas to be a wide range of applications. Along with the measurement technology development, we will GPS technology applied in bridge engineering measurement, and obtain the ideal effect. This paper mainly introduces the GPS system of the working principles, characteristics and bridge in the measurement of the plane control application.
Keywords: GPS; Bridge; Plane control measurement; Adjustment with
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
1前言
GPS系统是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，研制的最初目的是为海陆空三军提供实时、全天侯和全球性的导航、核爆监测、情报收集、爆破定位以及应急通讯等服务。而对GPS技术的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到当初的目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号还能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位、米级至亚米级精度的动态定位、亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。随着科学技术的不断进步，目前，GPS已被广泛地应用于经济建设和科学技术的许多领域，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。
2工程概况
某大桥位于城市郊区，全长约1138m，主跨360 m。整个测区地形起伏大，最高处达海拔250 m左右，最低处(河床)仅海拔40余m，两岸悬崖陡立，房屋及树木遮挡严重，控制点间通视困难，采用常规三角测量方法施测桥梁施工平面控制网的难度相当大。
3GPS系统的特点
GPS系统功能多、应用广，不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，还可同时精确测定测站点的三维坐标。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。大量实验证明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7。
由于GPS定位是由星站距离确定点位的，而无需测站点间互相通视，所以CPS定位不同于传统测量方法，它更利于测量人员将测站点位选在工程建设最需要的位置。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，GPS系统还具有观测时间短的优势。目前，流动站与基准站相距在20km以内相对静态定位仅需l5～20min；在15km以内只需1～2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
GPS系统操作的自动化程度越来越高，测量人员工作时只需将接收机在点位上进行对中整平、量取天线高、观察接收机的工作状态即可，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，操作十分简便，并可全天侯作业。目前，GPS观测在一天24h内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
4GPS的工作原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。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。
5GPS的应用
在桥梁施工中，测量所担负的主要任务是控制网的布设、测量、检核和结构物的放样。根据桥梁自身的特点，桥梁施工控制网边长一般较长，特别是特大型桥梁，更具有跨度大的特点，用传统的桥梁平面控制网通常布设成三角网或导线网，采用经纬仪配合测距仪或利用全站仪进行外业数据采集，往往需要耗费大量的人力物力，测量难度非常大。GPS系统与常规的测量仪器(全站仪和水准仪)相结合的测量方法是当前桥梁测量的最佳选择。
5.1 选点布网
根据GPS测量无需观测站之间互相通视的特点，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去传统测量中的传算点、过渡点的测量工作。
选点的原则：选点时充分考虑本工程特点，兼顾多个高程面；视野开阔，便于接收机的安装和操作；附近没有强烈反射卫星信号的物件；交通方便，便于施工单位使用；地面基础稳定，易于点的保护。如图1所示，全桥共设11个平面控制点，其中，桥中线控制点6个(DQ1～DQ6)。
图1施工平面图控制网示意图
5.2 造标埋石
现场灌注混凝土基底及标石。6个中线控制点埋设普通混凝土标石，DQ7设于二层房顶，DQ8、DQll建造强制归心观测标墩。
5.3 观测
根据测区条件及控制网特点，采用以GPS静态测量为主，全站仪测量为辅的方法，对全桥平面控制网进行观测。除中线点DQ3和DQ5外，其余9个控制点共同构成GPS控制网，采用4台GPS接收机，按C级网精度观测8个时段。观测时，有效卫星总数不少于6颗，高度截止角15°，数据采集间隔为15s，GDOP不大于6，每时段长度为90mm。在观测前后正确测记天线高度，量得的天线高互差不大于2mm。DQ3和DQ5受障碍物遮挡严重，无法实施GPS测量，故采用全站仪精密测量DQl～DQ6、DQ1～DQ2、DQ2～DQ11、DQ4～DQ9的距离，其中DQ1～DQ6作为GPS网的起算边，其余作为检核边。观测技术要求见下表：
采用GPS的静态定位法进行桥梁控制网的测量，因其不受外界环境干扰，所以可大大缩短外业观测时间，提高工作效率。同时，由于静态定位法观测精度可达毫米级，测量成果的可靠性好，其精度完全能满足桥梁施工的需要。
5.4 数据预处理
外业结束后，利用厂家提供的商用基线解算软件解算基线向量，经过同步环、异步环以及重复基线的检验，全部合格表明该网观测中不含有粗差，内符合精度和外符合精度优良。
5.5 平差计算
平差计算是为了检查和评定观测质量，提高觀测精度，根据最小二乘原理消除网中各种矛盾，求出各待定元素的平差值并评定精度。在WGS-84坐标系内先进行三维无约束平差，然后在桥址独立坐标系内加入全站仪测量的一条边长，进行二维约束平差。
5.6 精度指标及评定
GPS定位精度高，在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测的解，其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。根据有关技术规范的要求，该大桥工程平面控制网按三等精度施测，最弱边的边长相对中误差应小于1/8万，点位中误差不应大于8mm。平差后，该大桥中线边(DQ2～DQ4)的边长相对中误差为1/46万，控制点的平均点位中误差为±0.7mm，完全满足大桥施工的需要。
6结语
实践证明，在桥梁施工平面控制网测量中应用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。GPS定位技术虽然在桥梁平面控制网测量中的应用越来越广泛，但如何更经济、更快速地完成桥梁平面控制网的施测，在网形设计、观测时段的选择上还需进一步探讨。
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] 刘文芳，山区桥梁测量放线中应注意的几个问题[J]，交通世界，2008.11
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。