陳利平 左玲

摘 要:首先介紹了GPS的工作原理與基本組成,然后介紹了GPS在路橋設(shè)計與沉降變形監(jiān)測中的應(yīng)用情況,總結(jié)了GPS在路橋設(shè)計與監(jiān)測應(yīng)用中的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:GPS路橋設(shè)計變形監(jiān)測

中圖分類號:U442 文獻標(biāo)識碼:Ａ 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0022-02

1GPS概述

GPS(Global Positioning System,簡稱GPS)全球定位系統(tǒng):1973年12月起,美國歷經(jīng)20余年,投資300億美元,建立起來的服務(wù)于全球的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。其從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導(dǎo)航及定位問題。

一般來說,GPS系統(tǒng)主要由空間星座、地面控制與用戶設(shè)備三個部分。

1.1 空間星座部分

主要是24(21+3)顆衛(wèi)星組成,其中,21工作衛(wèi)星,另外3個備用衛(wèi)星組成GPS系統(tǒng)星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上,每個軌道面四顆衛(wèi)星。根據(jù)時間和地點的不同,一般至少有四個可以看到,多的時候高達11。GPS信號導(dǎo)航定位,要計算點的經(jīng)度,緯度和海拔,至少4個GPS定位衛(wèi)星可用。由于地理和環(huán)境因素或圖形結(jié)構(gòu)不佳,在某處,可能難以測得精確坐標(biāo)點,這個時間稱為“間隙段”。但是,這種差距段很短,不會影響絕大多數(shù)GPS工作。三個備用衛(wèi)星,根據(jù)指示,必要時礦可以更換出現(xiàn)故障的衛(wèi)星,從而提高工作效率和可靠性。

1.2 地面監(jiān)控部分

該部分主要由分布在全球的不同地方的6個地面站組成,其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站、備用主控站與信息注入站,分別位于科羅拉多、蓋茨堡、夏威夷、南大西洋的阿松森群島、印度洋的迭哥伽西亞和南太平洋的卡瓦加蘭。地面監(jiān)控部分負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回的信息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。

1.3 用戶設(shè)備部分

該部分主要設(shè)備就是GPS接收機,即一種特制的無線電接收機。該部分的主要作用是接收衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)出的信號,并對接收的衛(wèi)星信號進行處理,從而獲得需要的數(shù)據(jù),以確定位置。根據(jù)不同用戶所需要的功能,需要配置不同類型的GPS接收機。它們的性能結(jié)構(gòu),形狀,大小和價格也有很大的不同。比如,航海與航空使用的導(dǎo)航型接收機,要具有與存儲暑或其它媒介相互通訊的功能,因為其中存有電子導(dǎo)航圖等資料;測地用的接收機就要求具有很高的精度,并能快速采集和存儲數(shù)據(jù);軍用的接收機,要附加解碼模塊,如果用于地面部隊則要求較高的機動性。

2GPS在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

GPS技術(shù)在應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中,可構(gòu)成較好的網(wǎng)形,能提高定位精度,同時對檢測傳統(tǒng)常規(guī)測量的支點也非常的有效。例如在江蘇省江陰市長江大橋設(shè)計與建設(shè)中,首先用傳統(tǒng)常規(guī)測量方法建立高精度的邊角網(wǎng),然后利用GPS對該邊角網(wǎng)進行檢測,GPS的檢測網(wǎng)可達毫米級精度,比傳統(tǒng)常規(guī)的精度網(wǎng)的效果要好。

2.1 GPS靜態(tài)相對定位在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

GPS靜態(tài)相對定位的一般方法,就是將1臺GPS接收機安置在已知坐標(biāo)的地面點(已知點)上;另1臺或多臺GPS接收機安置在未知坐標(biāo)的地面點(待定點)上,并保持各接收機固定不動,同步連續(xù)觀測相同的GPS衛(wèi)星星座,用以求得未知點相對于已知點的坐標(biāo)增量(基線矢量),從而由已知點坐標(biāo),推求各未知點坐標(biāo)的方法。由于進行連續(xù)觀測,取得了充分的多余觀測量,因而可獲得非常高的定位精度。GPS靜態(tài)相對定位是一種較為經(jīng)典的精密定位模式,自1990 年初開始應(yīng)用于特大橋梁工程平面控制網(wǎng)的測量中。與傳統(tǒng)的測量方法相比,具有效率高、精度高與成本低等優(yōu)點,因此,GPS被廣泛應(yīng)用于各種橋梁工程的平面控制測量與變形監(jiān)測工作中。近年來,GPS相對靜態(tài)定位測量與快速靜態(tài)相對定位測量技術(shù),也在特大型跨海橋梁工程設(shè)計與施工測量定位中發(fā)揮著重要作用,成功的解決了以前傳統(tǒng)測量技術(shù)無法完成的長距離施工測量精確定位技術(shù)難題[1]。

2.2 GPS動態(tài)相對定位在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

所謂GPS動態(tài)相對定位,就是將一臺GPS接收機安置于已知坐標(biāo)的同定觀測站(也稱基準(zhǔn)站或參考站)上,并同步觀測相同的衛(wèi)星;基準(zhǔn)接收機將瞬時觀測量與由基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)求得的相應(yīng)結(jié)果進行比較,得出瞬時校正值,并用該瞬時校正值改正流動接收機的瞬時觀測培,從而求得流動站乃相對于基準(zhǔn)站五的瞬時位置。GPS動態(tài)相對定位精度可達±1m。在橋梁工程中,GPS動態(tài)相對定位技術(shù)與數(shù)字回聲測深技術(shù)相結(jié)合,可以快速和高品質(zhì)的完成內(nèi)江湖泊水下地形圖測繪工作,以解決傳統(tǒng)測量手段幾乎不可能完成的大型跨海橋址水下地形圖測繪,并充分實現(xiàn)內(nèi)部和外業(yè)測量自動化和成果數(shù)字化。據(jù)估計,利用GPS技術(shù)比傳統(tǒng)的前方交會定位方法,可以降低成本和提高效率三倍以上[1]。

2.3 GPS-RTK定位在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

GPS-RTK定位是基于載波相位測量的動態(tài)相對定位方法。該方法從20世紀(jì)90年代中期以來,隨著快速確定整周未知數(shù)方法的進步,已發(fā)展成為一種實時的、高精度的動態(tài)相對定位技術(shù)測量系統(tǒng)。它采用了載波相位動態(tài)實時差分的方法,是近年來GPS技術(shù)的一種新突破,它的出現(xiàn)為橋梁設(shè)計工程帶來了新的血液,可以極大提高了外業(yè)作業(yè)效率[1]。

3GPS在橋梁沉降變形監(jiān)測的應(yīng)用

目前,中國已建立了很多跨河或者跨海的大型或者超大型橋梁。大跨度橋梁在長期的使用中,受不同載荷和材料老化,管理和使用不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的損傷,導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此,為了確保大橋能夠安全運行,必須進行變形監(jiān)測以提高設(shè)計壽命。

變形監(jiān)測通常使用傳統(tǒng)工程測量方法。工程測量變形監(jiān)測方法具有精度高,可靠的優(yōu)勢,但工作量大,工作效率低,需要監(jiān)測點與基點通視,受氣候影響較大,不容易實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測與測量過程的自動化觀測,這些缺點對變形監(jiān)測非常不利。GPS測量具有高精度三維定位能力,可以實現(xiàn)連續(xù)工作,為橋梁的動態(tài)和靜態(tài)變形監(jiān)測提供了的有效手段與方法。另外,建立三維監(jiān)測網(wǎng)簡單,不需要測站間通視。因此,在對大規(guī)模的公路和橋梁進行變形監(jiān)測中,GPS比使用傳統(tǒng)的測量工程方法有更好的準(zhǔn)確性和效率[2]。

全長36km的杭州灣跨海大橋,位于沿海通道咽喉,是世界上的強潮海灣地區(qū)之一,容易受強潮汐影響。因此,橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是確保橋梁安全運行的重要條件。橋梁的沉降會造成許多不利影響。太大的解決,尤其是基礎(chǔ)不均勻沉降會引起附加內(nèi)力的橋梁結(jié)構(gòu),橋線性惡化和橋梁附屬設(shè)施(支座,伸縮縫,欄桿等)的損害。過大的沉降變形,特別是橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降更會引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力、橋梁線形的破壞以及橋梁附屬設(shè)施的損毀。因此,確保大橋建成后能健康、安全地運營,保證其耐久性,是橋梁管理的首要任務(wù)。為了大橋在運營期間的健康運行,了解在沖刷及汽車載重狀態(tài)下大橋的每個墩臺的沉降情況,必須要進行大橋的沉降監(jiān)測工作。

本研究結(jié)合杭州灣跨海大橋橋梁健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架,對南、北航道橋的沉降形變進行實時監(jiān)測;另外對非通航孔及高墩區(qū)部分,由于引橋的非通航孔部分很長,采用實時監(jiān)控方案造價過于昂貴,且數(shù)據(jù)量很大難以實時處理,因此,可以考慮平面位移采用GPS靜態(tài)定期觀測,沉降變形采用GPS配合常規(guī)精密水準(zhǔn)測量方法來進行,并可把各期監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到健康監(jiān)測系統(tǒng)中進行統(tǒng)一的分析與研究。同時,對引橋施工期間的沉降變形過大的重點部位使用GPS進行重點觀測,實時了解北岸引橋的不均勻沉降[3,4]。

4結(jié)語

GPS是近年來發(fā)展較快的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),它具在全球性、全天候的特點,并具有連續(xù)精密三維導(dǎo)航與定位能力。GPS定位技術(shù)所有具有的高精度、實時工作性與較好的發(fā)展?jié)摿σ饻y繪工作者的極大興趣。隨著GPS測量理論與設(shè)備的不斷發(fā)展,使得GPS測量技術(shù)日趨完善[5,6]。近年來,隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展,其測量功能更加完善,應(yīng)用面也越來越廣,操作也更簡便,這使GPS測量更實用化。在我國的路橋設(shè)計中使用GPS技術(shù),可以減少設(shè)計成本,彌補常規(guī)傳統(tǒng)測量方法的不足,提高設(shè)計精度與設(shè)計效率。此外,在道路和橋梁的沉降變形監(jiān)測方面,GPS監(jiān)測方法比傳統(tǒng)的工程測量方法具有更快的速度、更高的效率和更高的精度,在中國的道路和橋梁的設(shè)計以及監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

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