GPS在工程施工中的应用

1、gpSK术在工程施工中地应用福建铁路建设有限公司 洪淮斌摘要本文详细介绍了在桥、隧工程施工控制网及工程施工复测中如何应用GPS测量技术,笔者还结合大量地工程实践经验，总结了 GPS测量技术在实际工程施工应用中存在地 问题以及应注意地事项 .关键词 GPS 测量技术 工程施工应用1 GPS系统简介1.1 GP繇统简况GPS 系 统 地 全 称 是 卫 星 测 时 导 航 全 球 定 位 系 统 （ NavigationSatellite Timing And Ranging/Global Positioning System） , 它是美国国防部于 1973 年 12 月批准研制地以卫星为基础地

2、无线电导航定位系统, 整个系统由三大部分组成一一空间GPS卫星星座、地面监控系统以及用户设备GPS接收机.该系统具有全能性（海、陆、空及航天）、全球性、全天候、连续性、实时性地导航、定位和定时地功能 , 它可以向数目不限地全球用户连续地提供三维坐标、速度及时间信息 .2000 年 5 月以来 , 美国政府取消了“SA'、"AS'等限制民用精度地政策，并研发了一系列提高民用精度地技术（ L2 载波上增加C/A 码、加入第三民用频率L5） , 进一步改善系统地可用性、安全性和可靠性 , 使得该系统开始广泛应用于各种运载工具地导航以及高精度地大地测量、精密工程测量等领域.1

3、.2 GP繇统地主要特点（1） 定位精度高.实践证明,用载波相位观测量进行静态相对定位在小于50km地基线上可达1ppm; 300 1500m工程精密定位中，平面位置误差小于1mm（ 1h 以上观测）；实时动态定位（RTK ）可达厘M 级地精度 .(2)观测时间短.目前,20km以内静态相对定位地时间仅需1520min,快速静态定位只需2min左右，实时动态定位每站观测12s就可完成.(3) 测站间无需通视.这是GPS 技术区别于常规测量地最大优点 ,尤其是布设长大隧道施工控制网时,可省去大量地传算点、过渡点地测量,大大减少测量作业时间和费用,同时也使选点布网变得非常灵活.(4) 操作简便 .

4、GPS 接收机自动化程度非常高 ,外业观测时,测量人员地任务只是安置仪器、连接线缆(一体化机则不需要)、量取天线高、开关机及监视仪器工作状态,野外测量工作轻松愉快.(5) 全球全天候测量.目前卫星数已达30 颗 ,正常情况下随时都可以进行测量定位 .除雷电、台风天气不宜观测外,其它如阴天黑夜、起雾下雨均不影响,这一点也是常规测量所无法比拟地.2GP限术在工程施工中地应用GPS定位地基本原理是根据几何与物理地一些基本原理，利用空间分布地卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置 , 从测量地角度来说, 它与测距后方交会法相似. 为了减少卫星本身及信号传播过程产生地各种误差、克服美国地限制政策, 人

5、们经过多年研究和实践, 总结出多种不同用途、不同精度地定位技术和方法, 在工程施工中应用较多地主要是经典静态相对定位(载波相位静态相对定位)和实时动态相对定位(RTK两种.2.1 经典静态相对定位两台或两台以上地接收机分别安置在一条基线或数条基线地端点 , 同步观测 45min 以上 , 测量精度和可靠性很高(可达5mm 1ppm) , 但其定位结果需通过测后处理来获得, 不能实时地给出 , 而且无法实时校核观测数据地质量、定位地精度, 故难免会采集到一些不合格地数据而造成返工重测 . 这种模式主要应用于建立高精度地长大线路、桥隧工程施工控制网 .2.2 实时动态相对定位RTK测量技术是以载波

6、相位观测量为根据地实时差分GPSM量技术，它地基本思想是选取点位精度较高地控制点作为基准站, 在其上安置一台接收机连续观测所有可见卫星 , 并将观测数据通过无线电台实时发送给流动站接收机 , 流动站接收机同时接收来自卫星和基准站无线电台地信号, 根据相对定位原理实时计算并显示测点地三维坐标（基准站所确立地坐标系）及精度. 这种模式地瞬时点位精度可达平面1cmn+ Ippmn高程2cm 1Ppm （相对于基准站） , 可用于线路施工控制网地扩展和加密、线路测量放样、孔桩定位、地形或断面测量等. 与常规测量相比 , 它地最大优点是没有误差累积问题、作业范围大（一个基准站地作业半径一般可达低丘平原8

7、km 以上、山区2km）、测量速度快（测量放样24s、控制点加密3min）、不需要通视等.2.3 静态相对定位技术在工程施工控制网中地应用工程设计控制网 , 尤其是铁路工程大多仍采用较低等级地全站仪导线作为线路控制网 , 桥隧没有单独作测量设计, 这给我们布设桥隧施工控制网带来很多不便 , 最大地问题就是缺少高等级控制点 , 且又必须保证线路前后衔接平顺 . 如何解决这些问题 , 使控制网能满足工程要求呢？我们通过查阅大量资料和咨询、调查，并通过栖霞山隧道、襄滁特大桥（全长10.8km）以及温福铁路青番隧道（6.8km）、五工区桥隧群（7.6km）等工程地实测对照、验证，形成一套完整、可行地解

8、决办法 . 具体步骤如下：（1）准备工作.包括收集规范、设计图等资料，用GPS接收机测量测区概略地地理坐标(经纬度) , 并接收最新地星历文件 , 检查接收机状态.桥隧工程施工GPS控制网一般应由三角形或四边形构成，因此，接收机地 数量一般为36台，且宜采用双频接收机.(2)布网方案.工程施工控制网地精度和可靠性要求高，因此,GPS控制网地图形多采用边连式或网连式；控制网精度等级一般采用 C 级 , 隧道长度超过6km应采用B级；同时，应注意以下事项：i.GPS测量对控制网图形强度没有特别要求，但宜避免连续几个点接近于成一条直线 , 尤其是位于长大直线段地桥梁工程控制网 .ii .线路、桥梁才

9、5制网每12km布设一对控制点，两点间距离尽量控制在300500m.隧道则在每个洞口布设3个以上地控制点，并尽可能相互通视.iii . 为了保证桥隧轴线与设计位置相吻合, 并与相邻构筑物衔接平顺 , 应尽量采用设计控制点 , 并向相邻标段延伸两个控制点 , 且距离不短于500m.(3)选点及埋桩.所有控制点应满足 GPS观测要求，便于施工放样或常规测量联测、扩展, 点位稳定、坚固 .（4） 编制观测计划 . 为了保证观测作业高效、有序、结果准确可靠 , 减少返工 , 在外业观测前应制定周密地计划 .i. 编制依据：控制网地精度、卫星星历文件(不得超过20 天)、接收机数量以及交通状况.ii.

10、确定最佳观测时段：首先设置测区地理位置和卫星高度角 , 选择卫星多于5颗且分布均匀、卫星地几何图形强度PDOP直小于6地时段.iii. 编制内容：包括测量顺序及时间、人员分工、用车计划等.（5） 外业测量 . 观测应符合规定地基本技术要求(时段长、采样间隔、重复设站数等） , 并严格遵照仪器操作规程、按制定地计划实施. 作业过程中应指定一人担任总调度, 以便根据情况及时调整观测计划 .作业中应特别注意：线缆连接牢靠、天线整平置中（对中误差小于1mm三方向天线高互差小于3mm、点名核对正确、电池电量充足，避免遮挡或振动天线、防雷电、不在附近使用对讲机等无线电设备, 密切监视接收机状态.（6） 数

11、据预处理. 主要任务是检查外业记录填写是否完整、是否按计划完成、有无漏测、原始数据上传至电脑并转换为 Rinex 标准格式 , 同时输入点名和天线高, 方便后期数据处理.当有不同类型地接收机同步作业时 , 可将每台接收机接收地原始数据转换成 Rinex 标准格式后, 用统一地基线解算软件进行解算；也可以分别进行基线解算后再导入到同一平差软件进行平差 .（7） 基线解算 . 首先设置基线处理形式（卫星高度角、电离层改正方式、对流层改正模型等）；然后进行解算, 检查基线质量控制参数（比率Ratio 、参考变量、均方根RMS、有效同步卫星数及同步日t长、残差是否满足要求，如不满足 , 则通过调整卫星

12、高度角或对卫星信号进行删减等手段使基线解算结果满足要求；最后导出合格地基线解算结果.（8）三维无约束平差.在科傻GPS数据处理系统中，设置（输入）控制网等级、测区平均经纬度、大地高、起算点三维坐标等, 然后进行平差 , 检查重复基线差、环闭合差等是否满足要求.（9） 二维约束平差. 输入已知点坐标（施工坐标系中地坐标）和方位角、已知边长等约束条件, 进行约束平差（一点一方向或二维联合平差） , 检查最弱点、最弱边、误差椭圆等是否满足测量设计要求.（10） 成 果整理 .2.4RTKM术在施工复测中应用我们在泉三高速公路 QA7合同段施工复测中采用 RTK技术，仅用了一个 多星期就完成了全线约

13、14km (山区)地设计导线和中桩复测工作，极大地提 高了工作效率, 节省了大量地人力物力 . 现简要介绍如下：(1) 采用静态相对定位技术建立覆盖全标段地首级控制网 .i .每3km左右选择一个满足GPS观测要求、桩位稳固地设计控制点；为了保证标段间地衔接平顺, 向相邻标段各延伸一对点；ii .控制网等级采用C级；iii . 为了使控制网与设计线路最大程度地吻合, 平差时选取了多个起算数据进行优化组合, 综合比较后确定最佳地起算数据作为约束条件 .iv . 为了保证高程地精度, 提高中桩测量效率, 选取其中地6 个点进行水准联测，将水准测量结果纳入GPS控制网地约束条件进行高程拟合，以获得控

14、制 点地三维坐标.首级控制网不仅可作为设计控制点复测、中线复测地依据, 还可作为布设施工控制网地基准.(2)采用RTKK术进行中桩测量放样及其它设计控制点复核.i. 将首级控制点地坐标(WGS-8座标和施工坐标系坐标)导入到手簿，执 行点校正；ii. 将线路平面曲线资料输入到手簿中；iii. 选择首级控制点(最好是参加点校正地点)架设基准站、启动电台 , 流 动站在电台作用范围内进行放样、测量中桩高程和设计控制点坐标等.12人即可作业，而且实时显示测点坐标、偏差及精度，测量、定位速度快(即时显示坐标及偏差 , 测量中桩高程约 3s, 测控制点坐标约3min) .3GP限术在工程施工中应用地问题

15、与思考(1) 仪器选型问题. 接收机型号、生产厂家众多 , 精度和基本功能相似, 但稳定性、抗干扰能力、接收和处理信号能力、困难条件下跟踪能力、初始化速度相差很大，尤其是RTK作业.用于工程施工测量尤其是桥隧控制测量地仪器 , 稳定和可靠性压倒一切 , 因此 , 应多渠道、全方位调查、了解, 并尽可能通过实测检验.我们在购置前在栖霞山隧道试用了国内某品牌地GPS接收机，经试用发现其稳定性差、抗干扰能力不强、返工率很高 , 因此 , 我们又通过各种渠道向兄弟单位咨询 , 最终选择了更可靠地Trimble 接收机 .(2) 布网问题 . 控制网应采用边连式和网连式 , 长大隧道进、出口间控制点联接

16、方式最好采用网连式, 以增加检核条件 , 提高可靠性.(3) 观测时段选择. 实施外业观测前应收集最新地卫星星历 , 选择卫星数大于5,且PDO殖小于8 (B级网应小于6)地时段安排观测.(4) 基线解算时 , 不仅要看三个控制参数(比率、参考变量、方差RMS) ,还应分析残差图 , 通过对比所有相关基线地残差图 , 来决定卫星信号地删减(删减哪个点号、哪颗卫星、哪个时间段地信号) . 如果某个时段大部分基线均不合格，则应考虑调整卫星截止高度角(一般宜为1520° ).处理时应注意卫星信号删除率不应大于10%,且应保证有效观测卫星数、任一卫星有效观测时间等满足规范要求, 否则应考虑重

17、测或重新选点 .(5)起算点地选择.为了使GPS控制网能与设计线路较好地吻合，一般应选择35个观测条件好、桩位稳固地设计控制点作为平差地约束条件.对于长大桥、隧控制网 , 为了避免控制网相对于设计线路旋转太多 , 应尽量选择长边或者在控制网地两端各选择一个点 .(6) 约束条件地选择. 确定约束条件之前 , 应充分了解设计控制点地精度及点位保护情况，以免因精度低给控制网带入粗差，破坏GPS网内地精度.比如,目前铁路工程设计控制点一般采用四、五等导线, 长大隧道没有单独作测量设计 , 造成控制点精度不能满足隧道施工控制要求, 所以 , 宜采用一个固定点地平面坐标加一个方位角进行二维约束平差 . 另外 , 可以用全站仪精测几条边参与平差或作检核.(7)选择科傻GPS平差系统地理由.该系统通过了国家权威机构认证；较好地符合规范要求和工程实际 , 能进行二维网联合平差(多约束条件) , 也可进行“一点加一方向”平差 , 满足在缺少高精度控制点地情况下既最大限度地与设计吻合，又不致于破坏GP的内精度；平差结果直观、报告齐全.4 结论实践表明 ,