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        淺談橋梁施工測量的技術(shù)應(yīng)用——GPS定位系統(tǒng)

        2009-07-29 07:11:36吳建明
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年12期
        關(guān)鍵詞:施工測量橋梁

        吳建明

        摘要:介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的組成,分析了GPS系統(tǒng)在施工測量方面的特點,結(jié)合具體工程實例,探討了GPS定位系統(tǒng)在橋梁施工中的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:GPS; 橋梁; 施工測量

        GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點,使其在各類大地測量控制網(wǎng)的加強改造和建立以及在橋梁工程測量和大型構(gòu)造物的變形測量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

        1 GPS的構(gòu)成

        GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成:空間部分-GPS星座;地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分-GPS 信號接收機。

        1.1空間部分

        GPS的空間部分是由24 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務(wù)。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

        1.2地面控制部分

        地面控制部分由一個主控站,5 個全球監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度會逐漸降低。

        1.3用戶設(shè)備部分

        用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。

        2 GPS系統(tǒng)的特點

        定位精度高。在300~1500 m 工程精密定位中,1h以上觀測的解,其平面位置誤差小于1 mm,與ME一5000電磁波測距儀測定的邊長比較,其邊長校差最大 為0.5 mm,校差中誤差為0.3mm。

        觀測時間短。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善,軟件的不斷更新,目前,20k m以內(nèi)相對靜態(tài)定位,僅需15~20 min;快速靜態(tài)相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距在15 km以內(nèi)時,流動站觀測時間只需1~2 min,然后可隨時定位,每站觀測只需幾秒鐘。

        測站間無須通視。GPS測量不要求測站之間互相通視,只需測站上空開闊即可。由于無需點間通視,點位位置可根據(jù)需要,可稀可密,使選點工作甚為靈活,也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作。

        可提供三維坐標。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

        操作簡便。系統(tǒng)操作的自動化程度越來越高,接收機的體積越來越小,重量越來越輕。全天候作業(yè)。目前GPS觀測可在一天24h內(nèi)的任何時間進行,不受 陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。

        功能多、應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航,還可用于測速、測時。測 速的精度可達0.1 m/s,測時的精度可達幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。當初設(shè)計GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航,收集情報等軍事目的。但是,后來的應(yīng)用開發(fā)表明, GP S系統(tǒng)不僅能夠達到上述目的,而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來 的導(dǎo)航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位、米級至亞米級精度的動態(tài)定位、亞米級至厘米級精度 的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。

        3 GPS技術(shù)在橋梁施工測量中的應(yīng)用

        GPS自20世紀80年代中葉投入民用后,已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用,尤其在測量界的控制測量中起了劃時代的作用。正因為它在靜態(tài)相對定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視,使人們普遍用來逐漸代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法,并在理論、實踐中取得了可喜的成果。但在精密工程變形監(jiān)測中還少有應(yīng)用,尚處于理論研究和實踐摸索之中。

        3.1 在橋梁施工測量中的應(yīng)用優(yōu)勢

        在橋梁施工中,測量所擔負的主要任務(wù)是控制網(wǎng)的布設(shè)、測量、檢核和結(jié)構(gòu)物的放樣。傳統(tǒng)的橋梁,其施工控制網(wǎng)通常布設(shè)成三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng),采用經(jīng)緯儀配合測距儀或利用全站儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,往往需要耗費大量的人力物力。

        由于橋梁自身的特點,橋梁施工控制網(wǎng)邊長一般較長,特別是跨越大江大河的特大型橋梁,更具有跨度大的特點,這就給傳統(tǒng)的測量方法增加了一定難度。隨著跨海大橋的出現(xiàn)。GPS 更體現(xiàn)了其無可替代的優(yōu)越性,所以應(yīng)用GPS方法比用傳統(tǒng)方法進行測量更具優(yōu)勢。

        采用GPS的靜態(tài)定位法進行橋梁控制網(wǎng)的測量,因其不受外界環(huán)境干擾,所以可大大縮短外業(yè)觀測時間,提高工作效率。同時,由于靜態(tài)定位法觀測精度可達毫米級,測量成果的可靠性好,其精度完全能滿足橋梁施工的需要。

        3.2 在橋梁施工測量中的應(yīng)用

        杭州灣跨海大橋全長36km,是目前世界上最長的跨海大橋,杭州灣跨海大橋工程測量如果單純地運用常規(guī)的測量儀器(全站儀和水準儀) 進行測量其難度是可想而知的,而僅僅依靠GPS測量技術(shù)因精度限制因素也無法完成,只有運用GPS技術(shù)同時借助常規(guī)儀器才能完成其測量任務(wù)。大海寬闊的海面為傳輸優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)鏈提供了保障,相對較少的干擾能保證成果質(zhì)量,良好的作業(yè)條件節(jié)省了初始化時間,提高了GPS工作效率,為GPS技術(shù)的運用提供了廣闊的空間。

        GPS實時動態(tài)鉆孔樁樁位放樣。根據(jù)杭州灣跨海大橋施工規(guī)范中鉆孔樁成孔質(zhì)量標準:陸地和灘涂區(qū)樁位偏差為100mm,海中為300 mm。而GPS測量精度能達到厘米級, 所以用GPS實時動態(tài)技術(shù)進行樁位放樣完全能達到質(zhì)量標準要求, 同樣GPS高程測量也可用于鉆孔樁。

        利用GPS技術(shù)放樣平臺、棧橋鋼管樁。在兩岸灘涂區(qū)的棧橋鋼管樁和施工平臺鋼管樁的放樣也可利用GPS測量實現(xiàn)。這大大減少了測量外業(yè)的時間,減小了勞動強度。

        GPS測量質(zhì)量檢查。利用GPS測量技術(shù)可以對完成的護筒和樁位進行偏心檢查。 這既能滿足精度要求又能提高工作效率。

        GPS和常規(guī)儀器配合放樣承臺、墩身。杭州灣跨海大橋優(yōu)先施工墩成為GPS測量向全站儀測量轉(zhuǎn)變的載體,在每隔1.5 km左右的優(yōu)先施工墩上利用GPS靜態(tài)測量或快速靜態(tài)完成平面和高程控制點的布設(shè),再用全站儀進行近距離承臺、墩身的放樣,以確保承臺、墩身精度要求。

        4 結(jié)語

        GPS作業(yè)模式,能進一步提高測量作業(yè)效率,降低了勞動強度,節(jié)省了測量費用,使測量變得更輕松容易。另一方面,GPS技術(shù)的強大功能與潛力尚未充分挖掘,與 GIS集成、實時控制、綜合自動化作業(yè)是其未來的發(fā)展方向,隨著科技的不斷進步,精度更高,初始化速度更快,環(huán)境限制性更小, 抗干擾性更強的系統(tǒng)將會很快出現(xiàn)。GPS在橋梁建設(shè)方面的應(yīng)用就將更廣泛。

        參考文獻

        [1] 杜強, GPS定位技術(shù)在跨海大橋外海沉樁施工中的應(yīng)用[J],世界橋梁,2004.08

        [2] 楊漢鳳, 曹娥江大閘閘前大橋的施工測量[J], 橋梁建設(shè),2007.A01

        [3] 肖祥明, GPS定位技術(shù)在橋梁施工測量中的應(yīng)用[J], 山西建筑.2007.10

        [4] 劉文芳, 山區(qū)橋梁測量放線中應(yīng)注意的幾個問題[J], 交通世界,2008.11

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