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1、GPS 在桥梁控制中的应用研究摘 要在传统的桥梁工程测量控制网的建立过程中，由于技术条件的限制，多采用常规控制测量手段，但这些手段作业量大、作业时间长，并且受气候、环境等条件的影响显著，导致误差积累较大；同时随着大型桥梁工程的不断涌现，传统测量方法的控制测量已经难以满足需要。而 GPS 技术的发展为该问题的解决找到了出路。本文从 GPS 测量原理出发，结合其技术优点，讨论了 GPS 技术在桥梁控制测量中的控制网的布设、精度分析及数据处理。关键字：GPS 技术；桥梁；控制网；精度目录第一章 GPS 技术 .11.1 简介 .11.2 GPS 定位原理 .11.2.1 绝对定位原理 .11.2.2
2、 相对定位原理 .21.2.3 实时动态相对定位 .2第二章 GPS 技术在桥梁控制中的应用 .32.1 GPS 控制网的布设 .32.1.1 GPS 控制网基本精度要求 .32.1.2 GPS 控制网的基准设计 .42.1.3 GPS 控制网的网形设计 .52.2 GPS 控制网的施测 .72.2.1 选点 .72.2.4 GPS 观测 .82.3 观测数据的处理 .92.3.1 基线解算 .92.3.2 基线解算的质量检核 .92.3.3 控制网的数据处理 .102.4 GPS 在控制测量中的优点 .10总 结 .12参考文献 .130第 1 章 GPS 技术1.1 简介全球卫星定位系统（
3、GPS）是 NAVSTAR/GPS（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System-NAVSTAR/GPS 授时与测距系统/全球定位系统）的简称。它是由美国军方为克服其海军导航系统的定位精度低、观测时间长、不能实施定位等缺点而于 1973 年开始研制的新一代卫星导航系统.如今 GPS 导航定位技术以其高精度、全天候、高效率、多动能、操作简便等特点已经广泛应用于测绘、交通、水利、气象等各行业，是人类科技史上一大成就。GPS 定位系统由三大部分组成：空间卫星部分、地面控制部分和用户。空间部分由 21+3 颗卫星分布在各轨
4、道平面上。颗卫星，两轨道面的夹角为 600，对赤道面的倾角为 550，轨道高约 20OOOkm，运行周期约 12h，卫星的布局能够保证全球任意位置在任何时间都能同时收到四颗以上的卫星信号。卫星上安装有轻便的原子钟、微型计算机、电子存储和发射设备，它们均由太阳能电池提供电源。卫星上备有少量燃料，用来调节卫星的轨道姿态，如果某卫星出现故障，备用卫星可随时根据地面控制站的命令飞往指定地点，进入工作状态。每颗卫星向地面发射频率为 1577. 42MHz 和 1227. 60MHz 的 L1和 L2 载波信号，载波信号上调制有精密 P 码、粗略/探测(C/A)码和导航电文。地面部分是整个系统的中枢，由一
5、个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站位于美国本土 Colorad。州的 Springs，三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋，五个监测站除位于主控站及三个注入站处的四个站外，还在夏威夷设立了一个监测站。控制部分的任务是保证整个系统的正常运转，包括管理和调整整个系统的工作状态，采集各类观测数据，计算卫星星历、卫星钟的误差和漂移等。各项改正数和定位信息，组成电文注入卫星存储器，以一组原子钟为基础，建立和维护一个高精度的 GPS 时间系统.用户接收机部分由主机、电源和天线组成。主机的核心为微电脑、石英振荡器，还有相应的输入输出设备和接口。在专用软件控制下主机进行作业卫星选择、数据采集、加
6、工、传输、处理和存储、对整个设备系统状态进行检查、报警和部分非致命故障的排除，承担整个系统的自动管理。天线通常采用全方位形的，以便采集视场中来自各个方位的卫星信号。由于卫星信号较弱，在天线基座中有一个前置放大器，将信号放大后，再由同轴电缆馈入主机。电源部分为主机和天线供申，可仲用经整流、稳压处理的市电，也可用蓄电池。1.2 GPS 定位原理11.2.1 绝对定位原理绝对定位原理也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站，相对于坐标系原点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。利用 GPS 进行绝对定位的基本原理，是以 GPS 卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，并
7、根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。为此，在一个观测站上，原则上有 3 个独立的距离观测量就够了，这时观测站应位于以 3 颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站在平面交线的交点。由于 GPS 采用了单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机，又难以保持严格同步，所以，实际观测的测站至卫星之间距离，均含有卫星钟和接收机中同步差的影响（习惯称之为伪距） 。关于卫星钟差，一般难以预先准确的地确定。所以，通常把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在一个观测站上，为了实时求解四个未知参数，至少需要
8、四个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测四颗卫星。根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收设备安置在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称之为动态绝对定位。其一般只能得到没有（或很少）多余观测量的实时解。这种方法被广泛应用于飞机船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感等领域也有着广泛的应用前景。当接收机天线处于静止状态的情况下，用以确定观测站绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。这时，由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测后，通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方
9、法，主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。1.2.2 相对定位原理相对定位的最基本情况，是用两台 GPS 接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。当用多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测 GPS 卫星，可以确定多条基线向量。因为在两个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高定位精度。根据用户接收机在定位过程中
10、所处的状态不同，相对定位有动态和静态之分。静态相对定位，即当设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。为提高相对定位的精度，当前普遍采用的是在观测值之间求差的方法来实现的。包括站间单差、星间单差、双差解、三差解。动态相对定位，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对于基准站的实时位置。根据其采用的观测量不同，动态相对定位又可分为测码伪距动态相对定位和测相伪距动态相对定位。21.2.3 实时动态相对定位RTK 技术即 GPS 实时动态相对定位技术，是目前最先进的卫
11、星定位技术，是 GPS 测量技术发展的重大里程碑。它是 GPS 测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，它能够在野外实时得到厘米级定位精度，这为工程放样、地形测图、变形观测等各种实时高精度测量作业带来了一场变革。它的基本原理是，利用 2 台以上 GPS 接收机同时接收 GPS卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台用来测定未知点的坐标为流动站。基准站通过数据传输系统(简称数据链)将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要自己采集 GPS 观测数据，然后根据相对定位的原理，在系统内组成差分观测值进行实时处理，实时地计算并显示用户站
12、的三维坐标及精度，历时不到一秒钟。RTK 作业开始前，流动站必须先进行初始化，即完成整周未知数的解算后开始进行每个历元的实时测量，作业时只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。初始化可在固定点上静止进行，也可在动态条件下利用动态初始化(AROF)技术进行。第 2 章 GPS 技术在桥梁控制中的应用2.1 GPS 控制网的布设2.1.1 GPS 控制网基本精度要求根据我国 2001 年国家测绘局颁布实施的全球定位系统（GPS）测量规范 ，GPS 网按其精度可分为 AA、A、B、C、D、E 六级。各级 GPS 网相邻间基线长度精度用下式表示：（2-1-1）22610abd其中 ：网中相邻点间的距离中误差（mm） ；：固定误差（ mm） ；a：比例误差（ mm） ；b：相邻点间的距离（km)；c对于不同等级的 GPS 网，精度要求也不同，具体如表 2-1：3表 2-1 GPS 网精度分级表级别 固定误差 比例误差 相邻点间平均距离（km） 用途AA 3 0.01 1000 全球性的地球动力学研究、地壳形变测量、精密定轨A 5 0.1 300 区域性的地球动力学研究、地壳形变测量B 8 1 70 局部形变测量和各种精密工程测量C 10 5
