GPS技術(shù)在工程施工技術(shù)中應(yīng)用

1、GPS技術(shù)在工程施工中地應(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(cè)中如何應(yīng)用 GPSGPS 測(cè)量技術(shù), , 筆者還結(jié)合大量地工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了 GPSGPS 測(cè)量技術(shù)在實(shí)際工程施工應(yīng)用中存在地問(wèn)題 以及應(yīng)注意地事項(xiàng) . .關(guān)鍵詞 GPSGPS 測(cè)量技術(shù) 工程施工應(yīng)用1GPS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1GPS 系統(tǒng)簡(jiǎn)況GPS 系 統(tǒng) 地 全 稱 是 衛(wèi) 星 測(cè) 時(shí) 導(dǎo) 航 全 球 定 位 系 統(tǒng) （ NavigationSatellite Timing And Ranging/Global Positioning System） , 它是美國(guó)國(guó)防部于 1973 年

2、 12 月批準(zhǔn)研制地以衛(wèi)星為基礎(chǔ)地?zé)o線電導(dǎo)航定位系統(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)性地導(dǎo)航 . 定位和定時(shí)地功能 , 它可以向數(shù)目不限地全球用戶連續(xù)地提供 三維坐標(biāo). 速度及時(shí)間信息 .2000 年 5 月以來(lái),美國(guó)政府取消了“ SA”. “AS” 等限制民用精度地政策 ,并研發(fā)了一系列提高民用精度地技術(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)地可用性 . 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)載工具地導(dǎo)航以及

3、高精度地大地測(cè)量.精密工程測(cè)量等領(lǐng)域 .1.2GPS 系統(tǒng)地主要特點(diǎn)（1）定位精度高 .實(shí)踐證明 ,用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位在小于50km 地基線上可達(dá) 1ppm; 3001500m 工程精密定位中，平面位置誤差小于 1mm（1h 以上觀測(cè)）；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）可達(dá)厘 M 級(jí)地精度.(2)觀測(cè)時(shí)間短.目前,20km 以內(nèi)靜態(tài)相對(duì)定位地時(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(cè) 12s 就可完成.(3)測(cè)站間無(wú)需通視 .這是 GPS 技術(shù)區(qū)別于常規(guī)測(cè)量地最大優(yōu)點(diǎn) ,尤其是布 設(shè)長(zhǎng)大隧道施工控制網(wǎng)時(shí) ,可省去大量地傳算點(diǎn) .過(guò)渡點(diǎn)地測(cè)量 ,大大減

4、少測(cè)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(jiǎn)便 .GPS 接收機(jī)自動(dòng)化程度非常高 ,外業(yè)觀測(cè)時(shí) ,測(cè)量人員地任務(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(cè)量工作輕松愉快 .(5)全球全天候測(cè)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(cè) 量定位.除雷電 .臺(tái)風(fēng)天氣不宜觀測(cè)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(cè)量所無(wú)法比擬地 .2GPS 技術(shù)在工程施工中地應(yīng)用GPS 定位地基本原理是根據(jù)幾何與物理地一些基本原理，利用空間分布地衛(wèi)星及其與地面點(diǎn)間距離來(lái)交會(huì)出地面點(diǎn)位置 , 從測(cè)量

5、地角度來(lái)說(shuō) , 它與測(cè)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(guò)程產(chǎn)生地各種誤差 . 克服美 國(guó)地限制政策 , 人們經(jīng)過(guò)多年研究和實(shí)踐 , 總結(jié)出多種不同用途 . 不同精度地 定位技術(shù)和方法 , 在工程施工中應(yīng)用較多地主要是經(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)以上地接收機(jī)分別安置在一條基線或數(shù)條基線地端點(diǎn) , 同步 觀測(cè)45min 以上, 測(cè)量精度和可靠性很高(可達(dá) 5mm1ppm), 但其定位結(jié)果 需通過(guò)測(cè)后處理來(lái)獲得 , 不能實(shí)時(shí)地給出 , 而且無(wú)法實(shí)時(shí)校核觀測(cè)數(shù)據(jù)地質(zhì)量 定位地精度 , 故難免會(huì)采集到一些不

6、合格地?cái)?shù)據(jù)而造成返工重測(cè) . 這種模式主 要應(yīng)用于建立高精度地長(zhǎng)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(cè)量技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)地實(shí)時(shí)差分GPS 測(cè)量技術(shù)，它地基本思想是選取點(diǎn)位精度較高地控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站 , 在其上安置一臺(tái)接收機(jī) 連續(xù)觀測(cè)所有可見衛(wèi)星 , 并將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(lái)自衛(wèi)星和基準(zhǔn)站無(wú)線電臺(tái)地信號(hào) , 根據(jù)相對(duì)定位 原理實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示測(cè)點(diǎn)地三維坐標(biāo)（基準(zhǔn)站所確立地坐標(biāo)系）及精度 . 這 種模式地瞬時(shí)點(diǎn)位精度可達(dá)平面1cm+ 1ppm.高程 2cm+ 1ppm （相對(duì)于基準(zhǔn)站） , 可用于線路施工控制網(wǎng)

7、地?cái)U(kuò)展和加密 . 線路測(cè)量放樣 . 孔樁定位 . 地形或 斷面測(cè)量等 . 與常規(guī)測(cè)量相比 , 它地最大優(yōu)點(diǎn)是沒有誤差累積問(wèn)題 . 作業(yè)范圍 大（一個(gè)基準(zhǔn)站地作業(yè)半徑一般可達(dá)低丘平原 8km 以上. 山區(qū) 2km）. 測(cè)量速 度快（測(cè)量放樣 24s.控制點(diǎn)加密 3min）.不需要通視等.2.3靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)在工程施工控制網(wǎng)中地應(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)地全站儀導(dǎo)線作 為線路控制網(wǎng) , 橋隧沒有單獨(dú)作測(cè)量設(shè)計(jì) , 這給我們布設(shè)橋隧施工控制網(wǎng)帶來(lái) 很多不便 ,最大地問(wèn)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(wèn)題 , 使控制網(wǎng)能滿足工程

8、要求呢？我們通過(guò)查閱大量資料 和咨詢.調(diào)查，并通過(guò)棲霞山隧道.襄滁特大橋（全長(zhǎng) 10.8km）以及溫福鐵路 青岙隧道（6.8km）.五工區(qū)橋隧群（7.6km）等工程地實(shí)測(cè)對(duì)照.驗(yàn)證，形成 一套完整 . 可行地解決辦法 . 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(cè)量測(cè)區(qū)概略 地地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度) ,并接收最新地星歷文件 , 檢查接收機(jī)狀態(tài) .橋隧工程施工 GPS 控制網(wǎng)一般應(yīng)由三角形或四邊形構(gòu)成，因此，接收機(jī)地 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)地精度和可靠性要求高，因此,GPS 控制網(wǎng)地 圖形多采用邊連式或網(wǎng)連式；控制

9、網(wǎng)精度等級(jí)一般采用 C 級(jí), 隧道長(zhǎng)度超過(guò) 6km 應(yīng)采用B 級(jí)；同時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：i.GPS 測(cè)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(zhǎng)大直線段地橋梁工程控制網(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)以上地控制點(diǎn)，并盡可能相互通視.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(cè)要求，便于施工放樣或常

10、規(guī)測(cè) 量聯(lián)測(cè).擴(kuò)展，點(diǎn)位穩(wěn)定.堅(jiān)固.(4)編制觀測(cè)計(jì)劃 . 為了保證觀測(cè)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(cè)前應(yīng)制定周密地計(jì)劃 .i. 編制依據(jù)：控制網(wǎng)地精度 . 衛(wèi)星星歷文件(不得超過(guò) 20 天). 接收機(jī)數(shù) 量以及交通狀況 .ii.確定最佳觀測(cè)時(shí)段：首先設(shè)置測(cè)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)星地幾何圖形強(qiáng)度 PDOP 值小于 6 地時(shí)段.iii.編制內(nèi)容：包括測(cè)量順序及時(shí)間 . 人員分工 . 用車計(jì)劃等 .(5)外業(yè)測(cè)量 . 觀測(cè)應(yīng)符合規(guī)定地基本技術(shù)要求(時(shí)段長(zhǎng) . 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 .

11、按制定地計(jì)劃實(shí)施 .作業(yè)過(guò)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(cè)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 3mm）. 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(wú)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(wú)漏測(cè). 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)處理 .當(dāng)有不同類型地接收機(jī)同步作業(yè)時(shí) , 可將每臺(tái)接收機(jī)接收地原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成Rinex 標(biāo)準(zhǔn)格式后 , 用

12、統(tǒng)一地基線解算軟件進(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 RMS）. 有效同步衛(wèi)星數(shù)及同步時(shí)長(zhǎng) .殘差是否滿足要求 ,如不 滿足, 則通過(guò)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)出合格地基線解算結(jié)果 .（8）三維無(wú)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(cè)區(qū)平均經(jīng)緯度 .大地高. 起算點(diǎn)三維坐標(biāo)等 , 然后進(jìn)行平差 , 檢查

13、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)系中地坐標(biāo)） 和方位角 . 已 知邊長(zhǎng)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(cè)量設(shè)計(jì)要求 .(10) 成果整理 .2.4RTK 技術(shù)在施工復(fù)測(cè)中應(yīng)用我們?cè)谌咚俟?QA7 合同段施工復(fù)測(cè)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))地設(shè)計(jì)導(dǎo)線和中樁復(fù)測(cè)工作，極大地提 高了工作效率 , 節(jié)省了大量地人力物力 . 現(xiàn)簡(jiǎn)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)段地首級(jí)控制網(wǎng) .i.每 3km 左右選擇

14、一個(gè)滿足 GPS 觀測(cè)要求.樁位穩(wěn)固地設(shè)計(jì)控制點(diǎn)；為了 保證標(biāo)段間地銜接平順 , 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地起算數(shù)據(jù)作為約束條件 .iv.為了保證高程地精度 , 提高中樁測(cè)量效率 , 選取其中地 6 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn) 聯(lián)測(cè),將水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果納入 GPS 控制網(wǎng)地約束條件進(jìn)行高程擬合，以獲得控制 點(diǎn)地三維坐標(biāo) .首級(jí)控制網(wǎng)不僅可作為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)復(fù)測(cè) . 中線復(fù)測(cè)地依據(jù) , 還可作為布設(shè) 施工控制網(wǎng)地基準(zhǔn).(2)采用 RTK 技術(shù)進(jìn)行中樁測(cè)量放樣及其它設(shè)計(jì)控制點(diǎn)復(fù)核

15、.i.將首級(jí)控制點(diǎn)地坐標(biāo)(WGS-84 坐標(biāo)和施工坐標(biāo)系坐標(biāo))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)校正地點(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(cè)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(cè)點(diǎn)坐標(biāo).偏差及精度，測(cè)量.定位速度快 (即時(shí)顯示坐標(biāo)及偏差 , 測(cè)量中樁高程約 3s, 測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)約 3min) .3GPS 技術(shù)在工程施工中應(yīng)用地問(wèn)題與思考(1)儀器選型問(wèn)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

16、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(cè)量尤其是橋隧控制測(cè)量地儀器，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(guò)實(shí)測(cè) 檢驗(yàn).我們?cè)谫?gòu)置前在棲霞山隧道試用了國(guó)內(nèi)某品牌地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(guò)各種渠道向兄 弟單位咨詢 , 最終選擇了更可靠地 Trimble 接收機(jī).(2)布網(wǎng)問(wèn)題 . 控制網(wǎng)應(yīng)采用邊連式和網(wǎng)連式 , 長(zhǎng)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(cè)時(shí)段選擇 . 實(shí)施外業(yè)觀測(cè)前應(yīng)收集最

17、新地衛(wèi)星星歷 , 選擇衛(wèi)星數(shù)大 于 5,且 PDO 值小于 8(B 級(jí)網(wǎng)應(yīng)小于 6)地時(shí)段安排觀測(cè).(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) , 還應(yīng)分析殘差圖 , 通過(guò)對(duì)比所有相關(guān)基線地殘差圖 , 來(lái)決定衛(wèi)星信號(hào)地刪減(刪 減哪個(gè)點(diǎn)號(hào) . 哪顆衛(wèi)星 . 哪個(gè)時(shí)間段地信號(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(cè)衛(wèi)星數(shù) .任一衛(wèi)星有效觀測(cè)時(shí) 間等滿足規(guī)范要求 , 否則應(yīng)考慮重測(cè)或重新選點(diǎn) .(5)起算點(diǎn)地選擇.為了使 GPS 控制網(wǎng)能與設(shè)計(jì)線路

18、較好地吻合，一般應(yīng)選 擇 3 5 個(gè)觀測(cè)條件好 . 樁位穩(wěn)固地設(shè)計(jì)控制點(diǎn)作為平差地約束條件 . 對(duì)于長(zhǎng) 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(zhǎng)邊 , 或者在控制網(wǎng)地兩端各選擇一個(gè)點(diǎn) .(6)約束條件地選擇 .確定約束條件之前 , 應(yīng)充分了解設(shè)計(jì)控制點(diǎn)地精度及 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)地精度.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(zhǎng)大隧道沒有單獨(dú)作測(cè)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)地 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(cè)幾條邊參 與平差或作檢核 .(7)選擇科傻 GPS 平差系統(tǒng)地理由.該系統(tǒng)通過(guò)了國(guó)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)地情況下既最大限度 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)不論是在控制測(cè)量還是施工放樣中 , 都能大大提高測(cè) 量地可靠