1、谈 GPS 技术在路桥设计与监测中的应用摘要：GPS 全球定位系统作为新形式测量系统，已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文首先简单介绍了 GPS 系统然后分析了技术特点以及应用总结了 GPS 在路桥设计与监测应用中的优点。 关键词：GPS 系统；路桥设计；应用；GPS-RTK；变形监测 中图分类号：P258 文献标识码：A 1. GPS 系统的简要介绍 1.1 含义及组成 GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户还应有卫星接收设备。 （1）空间卫星群 GPS 的空间卫星群由 24 颗高约 20 万公里的 GPS 卫星群组成
2、，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60 度，轨道和地球赤道的倾角为 55 度，卫星的轨道运行周期为 11 小时 58 分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收 4 到 11 颗 GPS 卫星发送出的信号。 （2）GPS 的地面控制系统 GPS 的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GP
3、S 地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。 （3）GPS 的用户部分 GPS 用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收 GPS 卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。 1.2 GPS 测量的技术特点 相对于常规的测量方法来讲，GPS 测量有以下特点： （1）测站之间无需通视 测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收 GPS 卫星信号不受干扰。 （2）定位精度高 一般双频 GPS 接收机基线解精度为 51，而红外仪标称精度为 55，GPS 测量精度与红外仪相当，
4、但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。量实验证明，在小于 50 公里的基线上，其相对定位精度可达 12，而在 100-500 公里的基线上可达。 （3）观测时间短 小于 20 公里的短基线上，快速相对定位一般只需 5 分钟观测时间即可 （4）提供三维坐标 GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。 （5）操作简便 GPS 测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。 （6）全天候作业 GPS 观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的
5、影响。 2 .GPS 在桥梁设计中的应用 GPS 技术在应用于特大桥梁的控制测量中,可构成较好的网形,能提高定位精度,同时对检测传统常规测量的支点也非常的有效。 2.1 GPS 静态相对定位在桥梁设计中的应用 GPS 静态相对定位的一般方法,就是将 1 台 GPS 接收机安置在已知坐标的地面点(已知点)上；另 1 台或多台 GPS 接收机安置在未知坐标的地面点(待定点)上,并保持各接收机固定不动,同步连续观测相同的 GPS 卫星星座,用以求得未知点相对于已知点的坐标增量(基线矢量),从而由已知点坐标,推求各未知点坐标的方法。由于进行连续观测,取得了充分的多余观测量,因而可获得非常高的定位精度。
6、GPS 静态相对定位是一种较为经典的精密定位模式,自 1990 年初开始应用于特大桥梁工程平面控制网的测量中。与传统的测量方法相比,具有效率高、精度高与成本低等优点,因此,GPS 被广泛应用于各种桥梁工程的平面控制测量与变形监测工作中。近年来,GPS 相对静态定位测量与快速静态相对定位测量技术,也在特大型跨海桥梁工程设计与施工测量定位中发挥着重要作用,成功的解决了以前传统测量技术无法完成的长距离施工测量精确定位技术难题。 2.2 GPS 动态相对定位在桥梁设计中的应用 所谓 GPS 动态相对定位,就是将一台 GPS 接收机安置于已知坐标的同定观测站(也称基准站或参考站)上,并同步观测相同 的卫
7、星；基准接收机将瞬时观测量与由基准站已知坐标求得的相应结果进行比较, 得出瞬时校正值,并用该瞬时校正值改正流动接收机的瞬时观测培,从而求得流动站乃相对于基准站五的瞬时位置。GPS 动态相对定位精度可达 1m。在桥梁工程中,GPS 动态相对定位技术与数字回声测深技术相结合,可以快速和高品质的完成内江湖泊水下地形图测绘工作,以解决传统测量手段几乎不可能完成的大型跨海桥址水下地形图测绘,并充分实现内部和外业测量自动化和成果数字化。据估计,利用 GPS 技术比传统的前方交会定位方法,可以降低成本和提高效率三倍以上。 2.3 GPS-RTK 定位在桥梁设计中的应用 GPS-RTK 定位是基于载波相位测量
8、的动态相对定位方法。该方法从20 世纪 90 年代中期以来,随着快速确定整周未知数方法的进步,已发展成为一种实时的、高精度的动态相对定位技术测量系统。它采用了载波相位动态实时差分的方法,是近年来 GPS 技术的一种新突破,它的出现为桥梁设计工程带来了新的血液,可以极大提高了外业作业效率。 2.4 GPS 在公路工程的控制测量上的发展前景 公路工程的测量主要应用了 GPS 的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。通过以上对 GPS 测量的应用事例的探讨，可以看出 GPS 在公路工程的控制
9、测量上具有很大的发展前景。 (1)GPS 作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。 (2)GPS 测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。 (3)GPSRTK 技术将彻底改变公路测量模式。RTK 能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。 (4)GPS 测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般 GPS 测量作业效率为常规测量方法的 3
10、倍以上。 (5)GPS 高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是 GPS 测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS 高程测量无疑是一种有效的手段。 3. GPS 在桥梁沉降变形监测的应用 目前,中国已建立了很多跨河或者跨海的大型或者超大型桥梁。大跨度桥梁在长期的使用中,受不同载荷和材料老化,管理和使用不当等因素的影响,可能会导致结构性的损伤,导致灾难性的后果。因此,为了确保大桥能够安全运行,必须进行变形监测以提高设计寿命。变形监测通常使用传统工程测量方法。工程测量变形监测方法具有精度高,可靠的优
11、势,但工作量大,工作效率低,需要监测点与基点通视,受气候影响较大,不容易实现连续监测与测量过程的自动化观测,这些缺点对变形监测非常不利。GPS 测量具有高精度三维定位能力,可以实现连续工作,为桥梁的动态和静态变形监测提供了的有效手段与方法。另外,建立三维监测网简单,不需要测站间通视。因此,在对大规模的公路和桥梁进行变形监测中,GPS 比使用传统的测量工程方法有更好的准确性和效率。 4.结语 在我国的路桥设计中使用 GPS 技术,可以减少设计成本,弥补常规传统测量方法的不足,提高设计精度与设计效率。此外,在道路和桥梁的沉降变形监测方面,GPS 监测方法比传统的工程测量方法具有更快的速度、更高的效率和更高的精度,在中国的道路和桥梁的设计以及监测方面具有广阔的应用前景。 参考文献： 1 王江.GPS 在杭州湾跨海大桥变形监测中的应用J.铁道建筑技术. 2010(S1) 2 肖木来,王继辉.GPS 在路桥设计中的应用J.科技资讯. 2008(31) 3 赵飞燕,陈再辉.GPS 技术在工程变形监测中的应用J.水资源与水工程学报. 2006(05) 4 吴迪军.GPS 在现代桥梁工程测量中的应用综述J.铁道勘察. 2006(02) 5JTJ066298,全球定位系统城市测量技术规程S. 6CH2001292,全球定位系统(GPS)测量规范S.
