2022年GPS在工程施工中的应用.docx

精品学习资源GPS技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、隧工程施工把握网及工程施工复测中如何应用GPS测量技术, 笔者仍结合大量地工程实践体会, 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留意地事项 .关键词 GPS 测量技术工程施工应用1 GPS系统简介1.1 GPS系统简况GPS 系 统地 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 月批准研制地以卫星为基础地无线电导航定位系统, 整个系统由三大部分组成空间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供应三维坐标、速度准时间信息.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、安全性和牢靠性 , 使得该系统开头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.1.2 GPS系统地主要特点(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；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 M 级地精度 .欢迎下载精品学习资源(2) 观测时间短 .目前,20km 以内静态相对定位地时间仅需 15 20min,快速静态定位只需 2min 左右,实时动态定位每站观测 1 2s就可完成 .(3) 测站间无需通视 .这是 GPS 技术区分于常规测量地最大优点 ,特殊是布设长大隧道施工把握网时 ,可省去大量地传算点、过渡点地测量 ,大大削减测量作业时间和费用 ,同时也使选点布网变得特殊灵敏 .(4) 操作简便 .GPS 接收机自动化程度特殊高 ,外业观测时 ,测量人员地任务只是安置仪器、连接线缆（一体化机就不需要）、量取天线高、开关机及监视仪器工作状态 ,野外测量工作轻松高兴 .(5) 全球全天候测量 .目前卫星数已达30 颗,正常情形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 .2 GPS技术在工程施工中地应用GPS定位地基本原理是依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像 . 为了削减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 , 人们经过多年争论和实践 , 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, 测量精度和牢靠性很高（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欢迎下载精品学习资源量、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、桥隧工程施工把握网.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依据地实时差分GPS测量技术 , 它地基本思想是选取点位精度较高地把握点作为基准站, 在其上安置一台接收机连续观测全部可见卫星 , 并将观测数据通过无线电台实时发送给流淌站接收机, 流淌站接收机同时接收来防卫星和基准站无线电台地信号, 依据相对定位原理实时运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1cm 1ppm、高程 2cm 1ppm（相对于基准站） , 可用于线路施工把握网地扩展和加密、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、作业范畴大（一个基准站地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、把握点加密 3min）、不需要通视等 .2.3 静态相对定位技术在工程施工把握网中地应用工程设计把握网 , 特殊是铁路工程大多仍接受较低等级地全站仪导线作为线路把握网 , 桥隧没有单独作测量设计 , 这给我们布设桥隧施工把握网带来很多不便 , 最大地问题就是缺少高等级把握点, 且又必需保证线路前后连接平顺. 如何解决这些问题 , 使把握网能中意工程要求呢？我们通过查阅大量资料和询问、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）等工程地实测对比、验证,形成一套完整、可行地解决方法 . 详细步骤如下：(1) 预备工作 . 包括收集规范、设计图等资料 , 用 GPS接收机测量测区概略欢迎下载精品学习资源地地理坐标（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把握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 3 6 台, 且宜接受双频接收机 .(2) 布网方案 . 工程施工把握网地精度和牢靠性要求高 , 因此,GPS 把握网地图形多接受边连式或网连式；把握网精度等级一般接受 C 级, 隧道长度超过6km应接受 B 级；同时 , 应留意以下事项：i. GPS测量对把握网图形强度没有特殊要求 , 但宜防止连续几个点接近于成一条直线 , 特殊是位于长大直线段地桥梁工程把握网.ii. 线路、桥梁把握网每12km 布设一对把握点 , 两点间距离尽量把握在300500m.隧道就在每个洞口布设3 个以上地把握点 , 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, 并与相邻构筑物连接平顺 , 应尽量接受设计把握点 , 并向相邻标段延长两个把握点 , 且距离不短于 500m.(3) 选点及埋桩 . 全部把握点应中意 GPS观测要求 , 便于施工放样或常规测量联测、扩展 , 点位稳固、坚固 .(4) 编制观测方案 . 为了保证观测作业高效、有序、结果精确牢靠, 削减返工, 在外业观测前应制定周密地方案.i. 编制依据：把握网地精度、卫星星历文件（不得超过20 天）、接收机数量以及交通状况 .ii. 确定正确观测时段：第一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值小于 6 地时段.iii. 编制内容：包括测量次序准时间、人员分工、用车方案等.(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、重欢迎下载精品学习资源复设站数等） , 并严格遵照仪器操作规程、按制定地方案实施. 作业过程中应指定一人担任总调度 , 以便依据情形准时调整观测方案.作业中应特殊留意：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、电池电量充分 , 防止遮挡或振动天线、防雷电、不在邻近使用对讲机等无线电设备, 亲热监视接收机状态 .(6) 数据预处理 . 主要任务是检查外业记录填写是否完整、是否按方案完成、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 , 便利后期数据处理 .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 . 第一设置基线处理形式（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 , 检查基线质量把握参数（比率 Ratio 、参考变量、均方根 RMS）、有效同步卫星数及同步时长、残差是否中意要求 ,如不中意 , 就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中意要求；最终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）把握网等级、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、环闭合差等是否中意要求 .(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、误差椭圆等是否中意测量设计要求.欢迎下载精品学习资源(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大路 QA7 合同段施工复测中接受 RTK 技术, 仅用了一个多星期就完成了全线约 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) 接受静态相对定位技术建立掩盖全标段地首级把握网 .i. 每 3km 左右选择一个中意 GPS观测要求、桩位稳固地设计把握点；为了保证标段间地连接平顺 , 向相邻标段各延长一对点；ii. 把握网等级接受 C级；iii. 为了使把握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 , 综合比较后确定正确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把握网地约束条件进行高程拟合 , 以获得把握点地三维坐标 .首级把握网不仅可作为设计把握点复测、中线复测地依据 , 仍可作为布设施工把握网地基准 .(2) 接受 RTK技术进行中桩测量放样及其它设计把握点复核 .i. 将首级把握点地坐标（ WGS-84坐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. 选择首级把握点（最好是参加点校正地点）架设基准站、启动电台, 流淌站在电台作用范畴内进行放样、测量中桩高程和设计把握点坐标等.欢迎下载精品学习资源1 2 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, 测把握点坐标约 3min） .3 GPS技术在工程施工中应用地问题与摸索(1) 仪器选型问题 . 接收机型号、生产厂家众多 , 精度和基本功能相像 , 但稳固性、抗干扰才能、接收和处理信号才能、困难条件下跟踪才能、初始化速度相差很大 , 特殊是 RTK 作业. 用于工程施工测量特殊是桥隧把握测量地仪器, 稳固和牢靠性压倒一切 , 因此, 应多渠道、全方位调查、明白 , 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, 经试用发觉其稳固性差、抗干扰才能不强、返工率很高, 因此, 我们又通过各种渠道向兄弟单位询问 , 最终选择了更牢靠地 Trimble接收机.(2) 布网问题 . 把握网应接受边连式和网连式 , 长大隧道进、出口间把握点联接方式最好接受网连式 , 以增加检核条件 , 提高牢靠性 .(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 PDOP值小于 8（B 级网应小于 6）地时段支配观测 .(4) 基线解算时 , 不仅要看三个把握参数（比率、参考变量、方差RMS） ,仍应分析残差图 , 通过对比全部相关基线地残差图, 来准备卫星信号地删减（删减哪个点号、哪颗卫星、哪个时间段地信号）. 假如某个时段大部分基线均不合格 , 就应考虑调整卫星截止高度角（一般宜为15 20°） . 处理时应留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中意规范要求 , 否就应考虑重测或重新选点 .(5) 起算点地选择 . 为了使 GPS把握网能与设计线路较好地吻合, 一般应选择 3 5 个观测条件好、桩位稳固地设计把握点作为平差地约束条件. 对于长欢迎下载精品学习资源大桥、隧把握网 , 为了防止把握网相对于设计线路旋转太多, 应尽量选择长边 ,或者在把握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 , 应充分明白设计把握点地精度及点位爱惜情形 , 以免因精度低给把握网带入粗差 , 破坏 GPS网内地精度 . 比如, 目前铁路工程设计把握点一般接受四、五等导线, 长大隧道没有单独作测量设计, 造成把握点精度不能中意隧道施工把握要求, 所以, 宜接受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加平差或作检核 .(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 , 中意在缺少高精度把握点地情形下既最大限度地与设计吻合 , 又不致于破坏 GPS网内精度；平差结果直观、报告齐全 .4 结论实践说明 ,GPS 技术不论是在把握测量仍是施工放样中, 都能大大提高测量地牢靠性和作业效率 , 降低作业强度 , 适应现代“快节奏”地要求 , 也使技术人员能从繁重地测量放样工作中解放出来. 但是, 到底 GPS测量有别于常规测量, 有些错误或者说是粗差不简洁被发觉, 仍需要广大技术人员在工程实践中认真去摸索和总结 .主要参考文献：1. GPS测量原理及应用徐绍铨、张华海等武汉高校出版社2. GPS测量操作与数据处理魏二虎、黄劲松武汉高校出版社3. 全球定位系统（ GPS）测量规范（ GB T18314-2001）4. 京沪高速铁路测量暂行规定（铁建设200313 号）欢迎下载