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1、GPS技术在工程施工中的应用作者:日期:GPS技术在工程施工中的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，笔者还结合大量的工程实践经验，总结了 GPS测量技术在实际工程施工应用中存在的 问题以及应注意的事项。关键词GPS测量技术工程施工应用1 GPS系统简介1.1 GPS系统概况GPS系统的全称是卫星测时导航/全球定位系统（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System）,它是美国国防部于 1973年12月批准研制的以卫星为基础的无线电导航定
2、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、实时性的 导航、定位和定时的功能，它可以向数目不限的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 制民用精度的政策，并研发了一系列提高民用精度的技术（L2载波上增加C/A 码、加入第三民用频率L5）,进一步改善系统的可用性、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的导航以及高精度的大地测量、精密 工程测量等领域。1.2 GPS系统的主要特点（1）定位精度高。实践证明，
3、用载波相位观测量进行静态相对定位在小于 50km的基线上可达1ppm; 3001500m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）可达厘米级的精度。(2) 观测时间短。目前，20km以内静态相对定位的时间仅需 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的最大优点，尤其是布设长大隧道施工控制网时，可省去大量的传算点、过渡点的测量，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。GPS接收机自动化程度非常高，外业观测时，测量人员的 任务
4、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的。2 GPS技术在工程施工中的应用GPS定位的基本原理是根据几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星及其与地面点间距离来交会出地面点位置，从测量的角度来说，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的各种误差、克服美 国的限制政策，人们经过多年研究和实践，总结出多种不同用途、不同精度 的定位技
5、术和方法，在工程施工中应用较多的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的接收机分别安置在一条基线或数条基线的端点，同步观测45min以上，测量精度和可靠性很高(可达5mm 1ppn)，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的质量、定位的精度，故难免会采集到一些不合格的数据而造成返工重测。这种模式 主要应用于建立高精度的长大线路、桥隧工程施工控制网。2.2 实时动态相对定位RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它的基本思想是选取点位精度较高的控制点作为基准站
6、，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的信号，根据相对定位原理实时计算并显示测点的三维坐标（基准站所确立的坐标系）及精度。这 种模式的瞬时点位精度可达平面1cnn+ 1ppn、高程2cnn+ Ippnm相对于基准站）， 可用于线路施工控制网的扩展和加密、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，它的最大优点是没有误差累积问题、作业范围大（一个基准站的作业半径一般可达低丘平原8km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
7、定位技术在工程施工控制网中的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的全站仪导线作 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，最大的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）以及温福铁路青岙隧道（6.8km）、五工区桥隧群（7。6km）等工程的实测对照、验证， 形成一套完整、可行的解决办法。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的地理坐标(经纬度)，并接收最
8、新的星历文件，检查接收机状态。桥隧工程施工GPS空制网一般应由三角形或四边形构成，因此，接收机的 数量一般为36台，且宜采用双频接收机。(2) 布网方案。工程施工控制网的精度和可靠性要求高，因此 ,GPS控制网 的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的桥梁工程控制网。ii. 线路、桥梁控制网每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个以上的控制点，并尽可能相互通视.iii. 为
9、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的计划.i. 编制依据：控制网的精度、卫星星历文件(不得超过 20天)、接收机数 量以及交通状况。ii. 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、卫星的几何图形强度 PDOP直小于6的时段。iii. 编制内容：包括测量顺序及时间、人
10、员分工、用车计划等。(5) 外业测量。观测应符合规定的基本技术要求(时段长、采样间隔、重复设站数等），并严格遵照仪器操作规程、按制定的计划实施。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3mrjn、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。当有不同类型的接收
11、机同步作业时，可将每台接收机接收的原始数据转 换成Rinex标准格式后，用统一的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RM、有效同步卫星数及同步时长、残差是否满足要求，如不 满足，则通过调整卫星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；最后导出合格的基线解算结果.（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 ，
12、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（施工坐标系中的坐标）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。2.4 RTK技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14km(山区)的设计导线和中桩复测工作，极大地提高 了工作效率，节省了大量的人力物力。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的首级控制网。i. 每3km左右选择一个满足GPS观测要求、桩位稳固
13、的设计控制点；为了 保证标段间的衔接平顺，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的起算数据作为约束条件。iv. 为了保证高程的精度，提高中桩测量效率，选取其中的6个点进行水准 联测，将水准测量结果纳入 GPS控制网的约束条件进行高程拟合，以获得控 制点的三维坐标。首级控制网不仅可作为设计控制点复测、中线复测的依据，还可作为布设施工控制网的基准。(2) 采用RTK技术进行中桩测量放样及其它设计控制点复核.i. 将首级控制点的坐标(WG84坐标和施工坐标系坐标)导入到手簿， 执行点
14、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(最好是参加点校正的点)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)。 3 GPS技术在工程施工中应用的问题与思考(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 的仪器，稳定和可靠性压倒一切，
15、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的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，最终选择了更可靠的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的卫星星历，选择卫星数大 于5,且PDOR小于8(B级网应小于6)的时段安排观测。(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的残差图，来决定卫星信号的删减(删减哪个点号、哪颗卫星、哪个时间段的信号).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，否则应考虑重测或重新选点.(5) 起算点的选择。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、桩位稳固的设计控制点作为平差的约束条件。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，或者在控制网的两端各
