应用GPS的大型桥梁控制测量技术研究

2022-12-20

我国现阶段正在修建和拟建的特大型桥梁很多因其所处的地理位置特别、施工工艺复杂、工程量巨大, 对测量工作提出了更为严格的要求。很多常规的测量手段和方法己经不能满足工程上的需要, 但随着GPS技术的飞速发展, GPS技术在测绘领域的应用已经非常广泛, 同时也解决了很多以前无法解决的问题。GPS技术在大型桥梁平面控制网中的应用却并不多, 本章就GPS技术在特大型桥梁平面控制网中的应用做些探讨。

1 GPS桥梁控制网布设原则

根据控制网的实际与桥位区的地形条件以及桥梁本身的特点, 进行图上初步设计, 然后到实地踏勘选点。对于GPS控制点选点时需注意以下几个方面。

(1) 根据GPS观测要求, 要减弱干扰, 保证卫星信号的正常接收, 确保观测质量, 控制点要布设在四周开阔, 在地面大于150的范围内不得有障碍物, 同时要减少多路径效应, 控制点周围不得有强反射面, 尽量避开高压线。

(2) 控制点应便于发展。

(3) 为了提高网点的精度与可靠度, 不允许出现支点。

(4) 点位需布设在稳固且宜长期保存处。

(5) 为了满足桥梁采用常规方法施工放样的需要, 每个控制点应至少与两个方向通视, 同时注意控制点与主要放样建筑物的几何图形强度。

2 GPS控制网的施测方法研究

2.1 GPS仪器的选择与检验

GPS仪器的型号多样, 精度、性能各不相同。选择什么样的接收机作业应按网的精度要求来定, 对于选定的接收机在参加作业之前, 首先应对其性能与可靠性进行检验, 合格后才可使用。GPS接收机的检验全面检验包括:一般检视、通电检验、试测检验。

2.1.1 一般检视

一般检视要求必须符合下列规定:

(1) GPS接收机及天线外观应良好, 型号正确。

(2) 各种部件及附件应匹配、齐全、完好。

(3) 需紧固的部件不得松动和脱落。

(4) 设备使用手册和后处理软件操作手册及磁 (光) 盘应齐全。

2.1.2 通电检验

通电检验要求必须符合下列规定:

(1) 有关信号灯工作正常。

(2) 按键和显示系统工作正常。

(3) 利用自测试命令进行测试必须通过。

(4) 检验接收机锁定卫星信号的快慢, 接收信号的强弱及信号失锁状况。

2.1.3 试测检验

GPS接收设备一般检验与通电检验后, 应在不同的基线上进行以下测试:

(1) 接收机内部噪声水平检验

接收机内部噪声是接收机钟差、信号通道时延、延迟锁相环误差以及机内噪声所引起的定位误差的综合反映。一般采用零基线测试法与超短基线测试法。

(2) 天线相位中心稳定性检验

天线相位中心的稳定性是指天线在不同方位下的实际相位中心与厂家提供的天线几何中心的重合程度。这项检验可在标准基线、比较基线场或GPS检测场上进行。检验时, 将GPS接收机天线分别安置在基线的两端, 精确对中、整平, 并使天线的定向标志指北, 观测一个时段 (大约1.5小时) , 然后一个天线 (A) 不动, 另一天线 (B) 依次旋转900、1800、2700, 测三个时段, 观测结束, 解算各时段的基线值, 天线在不同方位下测定的基线变化最大互差应小于仪器标称精度的2倍固定误差, 说明B天线合格, 否则应送厂检修或降级使用。同样固定B, 同样的方法可测定A。

(3) GPS接收机不同测程精度指标的测试

该项检验主要是测试GPS接收机能否达到其标称精度, 一般应在标准检定场进行, 因为标准检定场有短、中、长基线边。要求标准基线的精度达到10～5, 检验时, 将GPS接收机天线分别安置在基线的两端, 精确对中、整平, 并使天线的定向标志指北, 一般要求强制对中, 天线高的量取精确至1mm, 观测时间按不同模式不同。测试结果与基线标准长度之差应小于仪器的标称精度。

2.2 GPS控制网的外业实施方法

GPS控制网测量的外业实施主要包括控制点的选点埋石、外业观测、观测成果的外业检核等工作。

(1) 选点埋石

根据前述的选点原则与设计的网形进行选点。为了保持点位, 便以长期利用GPS点的结果, GPS点应设置具有中心标志的标石, 以精确标定点位。点的标志与标石必须稳定、坚固, 以利于长久保存与利用。对于大型桥梁, 建设周期长, 使用频繁, 为了提高GPS测量的精度, 减少对中误差, 方便使用, 一般建造强制对中观测墩。

(2) GPS测量的作业模式选取

随着GPS技术的快速发展, 出现了多种确定两点间的相对位置的作业方法, 也称作业模式。不同的作业模式因作业方法和观测时间不同, 具有不同的应用范围。目前普遍使用的作业模式主要有:静态相对定位、快速相对静态定位、准动态相对定位和动态相对定位。但对于GPS控制网而言, 只能采用静态相对定位、快速相对静态定位。

静态相对定位模式是将两台或多台GPS接收机分别安置在一条或多条基线的两端, 同步观测4颗以上卫星, 观测时间在45分钟以上。采用这种方法, 其基线相对定位精度可达5mm+1ppm*s, s为基线长度。采用这种方法作业时, 使观测基线构成一系列的闭合环, 用于外业检核, 因此其观测精度与可靠性较高。主要应用于全国性或国家级大地控制网的建立、地壳运动或工程变形监测网的建立、精密工程控制网的建立等。

快速静态定位模式一般在测区中央选择一基准站, 并安置一台接收机连续跟踪所有可见卫星, 另一台接收机依次到各流动站, 每点观测几分钟即可达到与立、精密工程控制网的建立等。

快速静态定位模式一般在测区中央选择一基准站, 并安置一台接收机连续跟踪所有可见卫星, 另一台接收机依次到各流动站, 每点观测几分钟即可达到与静态相对定位相当的精度。其优点是速度快、精度高、能耗低, 缺点是构不成闭合环, 可靠性差, 因此主要应用于一般控制网的测量与加密、工程测量、地籍测量及碎部测量等。因此就GPS桥梁控制网而言采用静态相对定位。

3 应用实例研究

3.1 平面控制网的布设

某长江公路大桥, 桥位区覆盖层厚度在290～340m之间, 以粘土、亚粘土、粉沙、粗沙和砾石为主。地层处下沉趋势, 江南不均匀下沉显著, 据国家测绘局掌握的资料, 大桥所在地区存在着每年厘米级的不均匀性地表下沉, 对平面和高程控制点稳定性不利。这对大桥的平面控制测量和高程控制测量的精度提出了更高的要求。GPS控制网的布设是为满足大桥的勘测设计、施工放样和大桥的变形监测的需要, 遵循“整体控制、局部加密”的原则。并且在控制点位置的选择上考虑了桥梁施工的特点, 一方面将点的位置于施工便道以外并适于GPS观测要求的位置, 另一方面尽可能保持相邻点间相互通视以及临近线位控制点设站、长边定向的施工放样原则, 某大桥的GPS平面控制网由18个点组成, 网形为以桥轴线为公共边的两个大地四边形, 两边各扩展一个大地四边形, 这增加了网的图形强度。同时在桥轴线的延长线两端1～2公里及周围选点, 其中北岸桥轴线延长线布设两个大地四边形, 南岸桥轴线延长线布设四个大地四边形, 各平面控制点保证有两个以上的通视方向。控制网范围东西长约2km, 南北宽约10km, 桥轴线相对中误差不低于1/70万;平面控制网各相邻点点位中误差不大于±8 m m。

3.2 GPS平面控制测量

3.2.1 选点造标

根据设计的网形与GPS选点的原则共布设18个点。为了方便使用以及通视的需要建造强制对中观测墩。共建造观测墩22座, 其中8m高观测墩4座、6m高观测墩3座、3m高观测墩H座、2m高观测墩4座;20m深埋水准点4座、50m、6.85m深埋水准点各一座。依据长江两岸地质特点, 在基础处理中分别采用了不同的加固处理方法。

3.2.2 外业施测

根据上述布网方案以及精度指标要求, 制定了严密的施测方案与施测计划。实际观测使用了8台GPS双频接收机, 其中5台A S H T E C H—Z-x t r e m e型、3台ASHTECH-ZXⅡ型接收机, 其标称精度位5mm+1ppm, 均使用相同扼径圈天线 (可达到3mm十0.5ppm) 进行观测。观测时, 观测参数设置如下:

(1) 同步观测有效卫星数大于等于9颗。

(2) 截至高度角大于15°。

(3) 由卫星星座和测站组成的图形几何强度小于等于6。

(4) 采样间隔时间15秒。

(5) 卫星象限分布 (25士20) %。

(6) 连续观测24小时, 整个观测进行了13天, 共完成某大桥首级。

平面控制网观测点18个及联测国家坐标点3点, 形成5个同步环。同步环和同步环之间采取边连接。观测中仪器设备工作正常。每天的观测数据都及时下载, 查验数据观测质量, 结果全部合格。