定位导航作业.doc

G P S 技术在土木工程施工领域的应用现状与展望 邢桓滋 南京理工大学 理学院 1111250152摘要：论述 GP S 技术在土木工程施工领域的 应用现状及意义, 并结合实际问题展望其应用前景。关键词：测量技术; 卫星定位; GP S 技术; 土木工程; 施工引言：目前, G PS 技术在土木工程勘察、 设计、 施工等方面的应用已开始起步, 特别是在土木工程施工领域的应用已越来越多。可以预见, 随着 G P S 技术基础理论及其设备的进一步完善, 其广泛应用于土木工程这一传统产业已为时不远。1 . G PS卫星定位原理GPS 系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统, 具有全能性( 陆地、海洋、航空和航天) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时 的功能, 能提供精密的三维坐标、 速度和时间参数。GPS卫星的基本参数是: 卫星数 2 1+ 3, 卫星轨道面数 6,卫星高度 20200k m, 轨道倾角 55 , 卫星运行周期为11h58min ( 恒 星 时 12h ) , 载波频率为157 5G Hz 和1227G Hz。卫星通过天顶时, 可见时间 为 5h 。在地球表面上任何地点、任何时刻, 在高度角 15 以上, 平均可同时观测到 6 颗卫星, 最多可达 9 颗卫星。G PS卫星通过 12 根螺旋形天线组成的阵列天线发射张角大约为 30 的电磁波束, 覆盖卫星可见地面。卫星姿态的调整采用三轴稳定方式, 由 4 个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统, 致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星可见地面, 从而达到实时定位的目的。2 .G PS 技术的特点GP S 技术具有如下特点: ! 观测站之间无需通视 GP S 测量不要求观测站之间相互通视, 只需保持观测站上空开阔即可。因此可大量节省造标费用( 造标费约占总费用的 30% 5 0% ) , 点位位置可根据需要灵活布设, 也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作; 定位精度高 G PS 的相对定位精 度在 50 km 以内 可 达 10- 6, 100 5 00km 可达10- 7, 1000k m 以 上可达 10- 9。在 3 00 1 500m 工程精密定位中, 1h 以上观测的解其平均平面误差小于1 mm。GP S 的基准传递任何高度绝对位置平面精度为 5 mm, 高程精度为 # 8 mm; 观测时间短 目前,20k m 以内相对静态定位, 仅需 15 20min; 快速静态相对定位测量时, 当每个流动站与基准站相距 15 km以内时, 流动站观测时间只需 1 2min; 动态相对定位测量时, 流动站出发时观测时间只需 1 2 mi n , 然后随即定位, 每站观测时间仅需几秒钟; % 提供三维坐标 经典大地测量将平面和高程采用不同的方法分别施测。而 GP S 测量在精确测定观 测站平面位置时, 还可以精确测定观测站的大地高程; & 操作简便 G P S 测量的自动化程度非常高, 有的已达到 傻瓜化( 的程度, 操作员只需安装并开关仪器、 量取仪器高度和监视仪器工作状态, 其它工作则由 G PS 自动完成; ) 全天候作业 G PS 观测可在任何时间任何地点连续进行, 且不受天气状况的影响; 功能多, 应用广 G PS 系统不仅可用于测距、 导航, 还可用于测速、 测时。测速的精度可达 0 1m s, 测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域正不断扩大。3 . G PS 技术在土木工程施工领域的应用现状近年来, 工业、 交通、 能源和建筑系统等部门都引进了 G PS 接收机, 促进了 GP S 技术在 我国的 发展, 制 定 了+ 全 球 定 位 系 统 城 市测 量 技 术 规 程,CJJ73 79 和+ 全 球定 位系 统 ( G PS ) 测 量 技术 规 范,CH2001 92 等标准。G P S 技术在土木工程施工领域的应用主要表现在建筑、 大坝、 桥梁、 隧道、 公路等的测量及定位控制。3.1 大坝变形监测隔河岩水库位于湖北省长阳县境内, 是清江中游的一个水利水电工程。其大坝为三圆心变截面重力拱坝, 坝长 6 53m, 坝高 151 m。隔河岩大坝 G PS 变形监测系统于 1998 年 3 月投入使用, 整个系统包括数据采集、数据传输、数据处理等三大部分。该系统在 1 998 年 8 月的特大 洪水期间的监 测运行表明,GP S 系 统安 全可 靠, 抗干 扰能 力强, 监测精度高,1hG PS 观测资料解算的监测点位水平精度优于1mm, 垂直度精度优于 1. 5 mm; 6hG PS 观测资料解算的监测点位水平精度优于 0. 5 mm, 垂直度精度优于1mm。数据处理分析及时, 反应时间小于 15mi n , 能够快速反映大坝在超高蓄水下的 3D 变形, 既确保了大坝安全, 又成功地实现了洪水错峰, 为防洪减灾起到了关键性的作用。3.2 机场轴线的GP S定位机场跑道中心轴线方位的精度, 因机场等级而异, 最高应优于 # 1 , 最低也应优于 # 6 。在施测时主要应注意: 在方位精度要求为 # 1 时, 应采用 G PS基线解算精密软件; 提供大地方位角时, 要考虑平面子午线收敛角和方向改变的影响;提供天文方位角时, 还要考虑垂直偏差的影响。自 1 992 年开始, 国内各城市新建的机场, 其跑道的定位都采用 GP S 来施测, 如南京禄口国际机场、 武汉天河国际机场、 济南机场、 贵阳机场等。3.3 桥梁施工的GP S测量桥梁施工 GP S 测量的主要 工作是建立控 制网( 包括 水平控 制网和 高程控 制) 和进 行施 工放样。GP S 定位获得的成果属于 WG S 84 坐标系, 由 WG S 84 坐标系变换为桥梁的 独立坐标系, 转换模型为:X T = ( 1+ m ) X S + X D + RXS 。这个多参数模型限制了 G PS 在施工测量中的应用。西南交通大学 教师提出的高斯投影方案, 边角网或导线网方案和测边网方案, 较好地解决三维坐标与平面二维坐标的转换, 避免了由于转换参数求定误差而带来的系统误差和地面测量误差的干扰, 保持 G PS 相对定位原有的高精度。G PS 技术提供的三维定位信息, 对高程控制, 尤其是解决跨河 水准问题 显示出巨 大潜力。由 GP S直接获得的大地高 H 是一几何量, 桥梁施工采用的高程系统是正常高 h , 它是地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离, 是一个物理量。不考虑垂线偏差的影响, 二者的关系为: h i = H i - i , 式中 i 称为i 点的高程异常, 是似大地水准面至椭球面的距离。因此, 只要能以一定的精度求得站点的高程异常差值, 就能将 GP S 点的大地高 转换为正常高。目前,利用 G PS 进行 桥梁施工放样的工程还很 少。虎门大桥的试验研究报告表明: 放样点的平面和高程精度均能满足大桥施工要求。3 . 4 G PS 在线路勘测及隧道贯通测量中的应用线路勘测、 管线测量及隧道贯通测量是铁路、 交通、 输电、 通讯等工程建设中的重要工作。由于该类测量控制网大多以狭长形式布设, 并且很多工程穿越山林, 周围已知控制点很少, 用传统测量方法作业时间较长, 直接影响工程建设工期。自将 GP S 技术引入该领域以来, 其测量效率及测量精度极大提高。例如, 西安 - 南京线、 秦 岭某隧道贯通 和北京地铁等。3 . 5 G PS 技术在高层建筑施工中的应用G PS 技术在高层建筑施工中的应用刚刚起步,仅限于个别工程。厦门建设银行大厦为国内首次采用 G PS 技术进行施工定位及监测的工程, 在该工程中已形成以 G P S 技术确定和建立施工控制网, 以传统方式实施 结构施 工放 样的 G P S 建筑 测量技 术。其主要工作内容为: ! 设立建筑物外的临时观测基准点; 使用 GP S 测定施工测量基准 点, 获得准确的大地坐标系与施工坐标系的换算关系, 确保 GP S建立的控制网与建筑工程坐标系及城市坐标系相吻合; 使用 GP S 技术对建筑物的日照变形和振动变形实施连续观测, 获得准确的变形数据。通过该工程可以看出, G P S 在超高层建筑施工中应用有如下特点: ! 施工测量控制网一次测定到位, 无误差的传递和积累, 测定精度高; 数据测定和分析均使用计算机处理, 避免了人为误差; 观测基准点主要用于确定起算点和起算方向, 互相不通视, 变换观测点均不影响观测精度; % 对施工楼层控制网基点的选择约束较少; & 能准确测定建筑物的日照变形和振动变形。4 . G PS 技术在土木工程施工领域的应用展望4.1 应用的障碍与对策GP S 技术的发展既受 G P S 系统本身及其开发的制约, 也受使用单位技术条件的限制。因此, 将 G PS技术推广应用到土木工程领域, 应重视下述问题。( 1) 要重视应用理论研究 鉴于目前对 GP S 采用的选择可用性技术( 即 SA 技 术) , 使 G PS 精度大大降低。研究新的数据处理方法和开发新的软件,是理论工作者的主要任务。如应用 P W技术和 L1与 L2 交叉相关技术, 使 L2 载波相位观测值得到恢复, 使其精度与使用 P 码相同。对土木工程施工应用 GP S 技术的工程条件进行技术和经济研究, 其核心是进行实施 G PS 的方案优化。( 2) 采取切实可行的措施, 进行技术创新 针对SA 技术, 除研究新的数据处理方法和开发新的软件外, 还可以有如下措施: ! 研制能同时接 收 GP S 和GL O N ASS 信号 的接 收机。俄 罗斯 G LO N ASS 无 SA技术, 即无需考虑对精度的降低和对精密信号的加密, 这种接收机改善了 GP S 系统的有效性、 完整性和定位精度, 从而保证了在有障碍环境中的工程观测精度; 发展 D GP S 和 W AD GP S 差分 GP S 系统, 提高实时定位 精度; 建 立独立的 GP S 卫 星测轨 系统, 精密测定卫星轨道, 为用户提供精密星历服务;% 建立独立的卫星导航与定位系统。完全摆脱对美国 G PS 的依赖, 但这是一项技术复杂且耗资巨大的工程。目前只有俄罗斯和欧洲航天局拥有自己独立的卫星导航与定位系统。( 3) 产学研相结合 是 G PS 技术在土木工程施工领域应用的关键。我国科技界和教育界正加大改革力度, 强化科技是第一生产力, 强调科技创新, 并从政策上加以引导。可以预见, 在施工企业中开展G PS 应用工作, 将得到强有力的技术支持。( 4) 提高工程单位技术人员素质 长期以来, 受行业特点的制约, 土木工程领域劳动力密集, 技术更新速度慢, 从业人员科技文化素质相对较低。因此,企业要加大从业科技人员的知识更新工作力度。4 .2 G PS 技术在土木工程施工领域的应用前景G PS 技术作为一种全新的测量手段, 在工程控制测量中已逐步得到使用, 其技术的先进性、 优越性已为众多的工程技术人员所认同。随着 GP S 技术的进一步开发, 特别是有关土木工程施工领域的应用技术, 包括基础理论的研