GPS在道路桥梁工程测量中的应用论文

1、28 / 32摘 要GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS定位技术以其速度快、精度高、全天候、不受通视条件限制、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立控制网。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS 网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS 网，GPS工程

2、网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。本文通过利用GPS对实地进行数据采集，并得出使用GPS测量具有效率高、费用省的结论。关键词:GPS测量，工程测量，GPS静态定位测量，动态GPS实时定位AbstractGPS technology is one of the fastest growing technology in today's information society, GPS positioning technology for its speed, precision degree is high, the all-weath

3、er, without being limited by the visibility conditions, cost, simple operation and other excellent features are widely used in large ground control survey. Today, to say the GPS positioning technology has been completely replace the conventional measuring Angle, measuring means to establish the cont

4、rol network. We usually apply the GPS satellite positioning technology based GPS control net is called net. Can be roughly classified into the GPS network can be divided into two categories: a class of high precision GPS network is global or national, its main task is to as a global high-precision c

5、oordinate frame or by the national high precision coordinate frame, for global geodynamics and space science scientific research work of the service, or to the research of regional tectonic movement or crustal deformation law and so on. Another kind is a regional GPS network, including the city or a

6、rea GPS network, GPS engineering network, etc., this kind of the distance between adjacent points in the net for a few miles to a few tens of kilometers, its main task is to directly serve the national economic construction.Based on the field to make use of GPS data acquisition, and it is concluded

7、that using GPS measurement with high efficiency and cost save.Key words:GPS,Engineering surveying,GPS static positioning measurement,Real-time dynamic GPS positioning目 录摘 要IAbstractII1引言11.1 GPS 简介11.2 GPS 在我国发展历程11.3 GPS 系统的应用前景22 GPS测量32.1 GPS定位测量原理32.2 GPS定位测量方式52.3 实时动态定位测量技术73 GPS在道路桥梁工程测量中的应用1

8、03.1工程规划阶段GPS控制网的布设103.1.1采用GPS静态技术布设首级平面控制网103.1.2动态GPS实时定位技术的应用123.2 GPS在施工建设阶段的应用133.2.1 GPS在施工过程中的应用133.2.2 放样工作143.3 GPS在变形监测中的应用153.4 坐标转换193.4.1地方基准点的选取对平面坐标的影响213.4.2单点坐标转换的适用性223.4.3工程独立坐标系GPS数据处理234 结论26参考文献27致 281引言1.1 GPS 简介GPS 即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资20

9、0亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是

10、收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据与主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用围之前进行最后的注入。定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍与国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。1.2 GPS 在我国发展历程新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进

11、水平的行列，成为世界空间强国之一。从1970年4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人 造卫星，为空间测量工作的开展创造了有利条件。70年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人 为摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国天文网的整体平差，建立了1980年国家坐标系，进行了南海群岛的联 测。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研

12、究建立我国自己的卫星导航系统。在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于 城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘 各种比例尺地形图并用于施工放样 。GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差GPS（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS增强系统（WAAS）的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS 接收机。GPS 技术的应用正向更深层次发展。

13、1.3 GPS 系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是， 后来的应用开发表明，GPS 系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS 系统展现了极其广阔的应用前景。用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，测量和工程测量的精密定位时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋测量基准，进行高精度的海岛陆

14、地联测以与海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命，为适应GPS技术的应用与发展，1995 年成立了中国 GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的 GPS应用技术。可以说GPS在我国的应用前景是无限的。2 GPS测量2.1 GPS定位测量原理GPS卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码、CA码和数据码(或称D码)等多种信号分量。其中，P码和CA码统称测距码。GPS的上述三

15、种信号分量都是在同一个基本频率的控制下，通过对导航电文将他们的组合码分别调制在两个载波频率L1和L2上，生成GPS信号。两个载波的频率分别为：L1载波：=157542 MHZ，=1903cmL2载波：=l22760 MHZ，=2442cm在载波L1上调制有CA码、P码和数据码，而载波L2上调制有和P码和数据码。伪距测量原理GPS卫星定位的基本原理是空间后方交会。GPS卫星星座作为空间动态已知点，其位置由卫星发射的导航电文给出。以GPS卫星与接收机天线之间的空间距离为基本观测量，根据己知的卫星瞬时坐标即能确定用户接收机所在点位的三维坐标。设某时刻ti在地面测站点P用GPS接收机测得P点(接收机天

16、线相位中心)至三颗GPS卫星，的空间距离分别为(，i=1，2，3)，三颗卫星的三维坐标分别为(、，i=1，2，3)。根据空间后方交会原理，得观测方程为式（2.2.1） 式(2.2.1)式中，为待测点的的三维坐标。由于卫星信号的传播时间(时间延迟)包含有卫星钟钟差、接收机钟差以与卫星信号在大气中传播的延迟误差、与接收机时钟不同步的误差，所以求得的距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距。经改正后可得式（2.2.2） 式(2.2.2)综合(221)与式(222)得伪距测量的观测方程如式（2.2.3） 式(2.2.3)式中，为电离层延迟改正；为对流层延迟改正；为卫星钟钟差改正；为接收机钟差改

17、正。这些误差中，、可用数学模型计算得出，可用卫星发播的广播星历文件中的提供的卫星钟修正参数得出。由于卫星接收机一般采用普通石英钟，精度较低，无法得到其点点位三维坐标和接收机钟差改正数四个未知数。所以，GPS卫星测量要求某一时刻接收机能同时接收至少四颗以上GPS卫星信号。载波相位测量原理利用测距码进行伪距测量是GPS的基本测距方式，但由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用而言无法满足需要。而包含在GPS卫星信号中的载波L1和L2，其相应波长分别为Al=19.03 cm，22=24.42 cm，若把载波作为测量信号，就可以达到很高的精度。目前，测量型GPS接收机普遍采用载波相位测量。载波相位

18、测量的原理是测量GPS载波信号从GPS卫星发射天线到GPS接收机接收天线在传播路程上的相位变化(称相位延迟)，从而确定GPS卫星至地面点间距离。设卫星在时刻发射载波信号，其相位为，该信号经过距离P到达接收机，其相位为，则为其相位变化量。由此可得卫星至接收机天线之间用载波相位表达的距离观测值如式（2.2.4） 式(2.2.4)式中，为整周数，为不到一个整周的相位值。由于载波信号是一种周期性的正弦波，所以，在载波相位测量中无法测定载波的整周数，称为整周未知数或整周模糊度。当接收机对卫星进行连续跟踪观测时，只要卫星信号不失锁，的值就不变，即可累计计数器中得到的载波信号的整周变化计数Int()，所以K

19、时刻接收机的相位观测值为式（2.2.5） 式(2.2.5)卫星到接收机天线的相位观测值为式（2.2.6） 式(2.2.6)与伪距测量一样，考虑到卫星钟差改正、接收机钟差改正、电离层延迟改正、对流层延迟改正，可得载波相位测量观测方程为式（2.2.7） 式(2.2.7)将式(2.2.7)二边同乘以得式（2.2.8） 式(2.2.8)比较式(2.2.3)与式(2.2.8)，载波相位观测中多了一项整周未知数。在GPS测量过程中，常常会由于卫星信号被障碍物阻断、多路径效应、电离层活动加剧等原因而产生整周跳变(简称周跳或失周)。因此，载波相位测量的高精度是以正确求定整周未知数和彻底消除周跳为前提的。关于整

20、周未知数的确定方法以与周跳的探测与修复，是载波相位测量中的关键问题，国外学者研究了许多种处理方法。2.2 GPS定位测量方式如前所述，GPS卫星定位的基本原理是空间距离后方交会。根据接收到的不同卫星信号和处理方法的不同，GPS卫星定位的主要方式可分为伪距测量定位、载波相位测量定位和差分GPS定位。对于待定点，根据其运动状态可分为分为静态定位和动态定位。若利用单台接收机进行定位称为单点定位，又称绝对定位；若将两台或两台以上接收机分别安置在不同的待测点上，通过同步接收卫星信号，确定待测点的相对位置，称为相对定位。这里主要介绍GPS技术在变形监测中常用的静态相对定位方式和实时动差分定位方式(GPS

21、RTK模式)。GPS静态相对定位在GPS静态相对定位中，一般均采用载波相位观测值为基本观测量，载波相位可以是原始的非差相位观测值，也可以是在测站、卫星或历元之间组合的差分观测值。用原始非差相位进行相对定位称为非差模式，用差分相位进行相对定位称为差分模式。差分GPS定位是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，在GPS变形监测中也多用该方法进行定位。依所用差分观测量的不同又可以分为单差法、双差法和三差法三种模式。假设基线两端的接收机为和，对GPS卫星和，在历元和进行了同步观测，可以得到载波相位观测量：,。在静态相对定位中普遍采用这些独立观测量的多种差分形式，其优点是可以消除或减弱一些系统误差的影

22、响，减少平差计算中未知数的数量。取符号、和，分别表示不同接收机之间、卫星之间和不同历元之间的观测量之差，则如式（2.2.9） 式(2.2.9)在上述线性组合的基础上，还可以进一步导出其他线性组合形式。下面是在GPS静态相对定位中目前普遍采用的单差法、双差法和三差法的数学模型。1)单差法不同测站同步观测一样卫星所得观测之差，它是观测量的最基本线性组合形式，其表达式为(2.2.10) 式(22.10)这种求差法称为站间单差，如图2.1所示。站间单差可以消去卫星钟差。当，两测站距离较近时，其两站电离层和对流层延迟相关性较强，还可以消除这些误差。由式(2.2.7)与式(2.2.10)可得单差法观测方程

23、如式（2.2.11） 式(2.2.11） 图2.1单差法GPS测量类似地还可以得出卫星间求差、历元间求差后的数学模型与基线解。2)双差法对测站间、卫星间或历元间求过一次差后，仍可再次求差，获得双差模型。由于求差与先后顺序无关，因此，GPS观测量之间的双差模型有如下三种构成方法：a在测站间求单差，卫星间求双差；b在卫星间求单差，历元间求双差；c在历元间求单差，测站间求双差。下面是按测站间求单差，卫星间求双差的观测方程见公式（2.2.12） 式(2.2.12)双差法可以消除两个测站接收机相对钟差改正数。因此经过双差处理后大减小了各种系统误差。因此在GPS相对定位中常采用双差法作为基线解算的基本方法

24、。3)三差法在建立GPS载波相位观测量之间的双差模型后，还可以进一步建立观测量之间的三差模型。由于与求差的次序无关，所以三差模型只有一种方法，即在测站、卫星和观测历元之间求三次差，如图2.2所示，其观测方程为式（2.2.13） 式(2.2.13)图2.2 三差法GPS测量2.3 实时动态定位测量技术实时动态(Real Time Kinematic-RTK)定位技术，是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术。它的基本形式是：以一台输入已知WGS-84坐标的GPS接收机作为基准站，对所有可见GPS卫星进行不间断观测，将其观测数据(已知WGS-84坐标与载波相位)，通过无线数据传输设备发送

25、给流动站(用户观测站)。在流动站上，另一台GPS接收机在接收GPS卫星(与基准站所观测的卫星为同一组卫星)信号的同时，通过无线数据接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位、实时差分的原理，通过特定软件，实时地求差并计算出流动站所在点的WGS-84三维坐标，通过地方坐标转换参数，换算得出流动站逐点的平面坐标x，y和海拔高h，并在电子手簿上实时显示其坐标与其精度。目前，实时动态定位技术在20km的围已经取得了成功，平面点位精度一般为12cm+10ppm，既可以应用于碎部测量，又可应用于等级要求不高的控制测量。实时动态定位技术与传统测量方法相比，具有明显的优势。首先，观测效率高；应用实时

26、动态测量系统，连续采集单点坐标仅需十几秒钟，而且实时解算坐标，观测坐标精度，既减少了多余观测量，又避免了事后发现观测成果不合格，而返工的现象。其次,布点方式比较灵活，节省费用。在控制测量中，应用实时动态定位技术，各控制点间无须通视，既不需要进行造标，也不需要传统三角测量、导线测量中的连接点与传算点，这极降低和节省了测量费用。实时动态定位测量系统主要由以下三部分构成：卫星信号接收系统在实时动态定位测量系统中，应至少包含两台GPS接收机,分别安置在基准站和流动站上。当基准站同时为多用户服务时，应采用双频GPS接收机，其采样率与流动站采样率最高的相一致。数据传输系统数据传输系统(数据链)，由基准站的

27、数据发射装置与流动站数据接收装置组成，它是实现实时动态测量的关键性设备。其稳定性依赖于高频数据传输设备的可靠性与抗干扰性。为了保证足够的数据传输距离与信号强度,一般在基准站还需要附加功率放大设备。软件解算系统实时动态定位测量的软件解算系统对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性，具有决定性的作用。以载波相位为观测量的实时动态测量，其主要问题在于，载波相位初始整周未知数的精密确定，流动观测中对卫星的连续跟踪，以与失锁后的重新初始化问题。目前，由于快速解算和动态解算整周未知数技术的发展，为实时动态测量的实施奠定了基础。实时动态测量的软件系统,应具有的基本功能是：1)快速解算、动态快速解算整周未知数

28、；2)根据相对定位原理，采用一定的数据处理方法(如序贯平差法)，实时解算流动站的WGS-84的三维坐标；3)根据已知的地方坐标转换参数，进行应用坐标系统的转换；4)解算结果质量与精度评价；5)测量结果的显示与绘图、放样功能。 利用实时动态定位进行控制测量所作的控制点，两点间仍需通视，以方便利用其它仪器进行联测。实时动态定位测量系统随着数据传输能力的增强，数据传输的稳定性、可靠性、抗干扰性水平的不断提高，传输距离的增长，软件系统解算能力的不断增强，实时动态定位技术必将会在更广阔的围得到应用。3 GPS在道路桥梁工程测量中的应用3.1工程规划阶段GPS控制网的布设3.1.1采用GPS静态技术布设首

29、级平面控制网 公路全球定位系统(GPS)测量规规定：GPS控制网作为公路工程项目的首级控制网，应每隔5Km左右布设一对相互通视的GPS控制点。布网方式采用边连式布网，即相邻三角网之间仅有两个公共点相连的布网方式。公路工程测量一般采用-54坐标，这就涉与到-54坐标系与WGS-84坐标系之间的转换。因此，GPS控制网应同测区国家平面控制点联测，以便将国家控制点坐标作为GPS控制网成果转换的起始数据。国家坐标联测点的精度以与控制网之间的转换模型直接影响到GPS控制网的精度，所以要求国家坐标联测点具有高精度、一定的数量和密度。通过上面对坐标转换的说明，我们知道，坐标联测点至少是两个以上，其中一个作为

30、GPS控制网在平面坐标中的定位起算点，这两个点之间的方位角和长度作为GPS控制网在地面坐标系的定向、长度的起算数据。同时，为了保证地面控制点的正确性和可靠性，至少还需要一个坐标联测点作为检核点，因此，公路全球定位系统测量规规定：坐标联测国家平面控制点不应少于3个，并且，随着测区围的扩大，还应适当地增加坐标联测点的数量。根据以往布网经验，一般联测3-5个精度高、分布均匀的国家平面控制点即可。某快速轨道工程是重点工程,路线全长46Km该工程项目时间要求紧、路线平面控制精度高，该工程外业勘测依据公路勘测规以与公路全球定位系统(GPS)测量规。GPS平面控制网根据公路与桥梁、隧道等构造物的特点与不同要

31、求，可分为四个等级。具体指标见表3.1。快速轨道工程包括特大桥梁和中长隧道，确定其平面控制测量等级为四等三角测量，测投影长度变形值要求小于2.5cm/Km。测区路线两侧国家平面控制点最大高差为167.941m，坐标纬度在1214312159之间，平均纬度12152。结合国家平面控制点高斯投影分带，我们发现，该测区正好位于3带的边缘，因此，投影长度变形不能满足规要求，需要选择抵偿高程面或者按测区平均纬度作为中央子午线进行高斯平面投影。根据该工程特点与测区实际情况，我们选择L=12130作为中央子午线进行高斯平面投影，通过计算，该测区的投影长度变形能够满足要求。具体勘测过程如下：表3.1 各等级控

32、制点精度要求级别每对相邻点平均距离d（Km）固定误差a（mm）比例误差b（ppm）最弱相邻点位中误差m（mm）路线特殊构造物路线特殊构造物路线特殊构造物一级4.0515010二级2.0525010三级1.0525010四级0.550选点：结合1：50000地形图，我们先在图纸上确定国家平面控制点位置，共联测三个国家三角点分别为A（二级）、B（二级）、C（三级）。以上三点的54坐标系下的坐标与高斯投影坐标见表3.2 表3.2 A、B、C三点的坐标与高斯坐标点名 坐标 高斯坐标BLHXYA390200.486591214651.83545175.74322333.589524336.638B390

33、549.995431215152.49163179.84329436.990531539.648C390427.097191215826.8125436.84326924.242541028.699沿快轨路线走向,我们又布设了六个四等精度的水准点,高程系统采用1985国家高程基准。为了勘测的方便,对上述国家三角点和水准点进行命名,见表3.3。确定GPS平面控制点（三个国家三角点、六个水准点)后，我们首先对九个GPS控制点进行现场勘测，了解控制点周围的观测环境，避免在观测过程中出现对观测信号干扰的现象。国家三角点均位于高山顶，视野开阔，控制点上方与周围均无建筑物或者树木遮挡，观测条件比较理想；六

34、个水准点位于路的两侧，根据表中数据可以看出，水准点地势比较低，在观测过程中，信号接收机跟踪GPS卫星数目有可能受周围地物的影响，因此，对观测时段以与卫星的观测角度需要进行不同时段的比较，选择较佳观测时段。通过GPS接收机随机配置的星历分析软件，对下载的卫星广播星历分析，查找合适的观测时段。表3.3 测区GPS平面控制点点名BM25BM7ABCBM19BM1BM11BM16名称10020030040050060070080090023.558.3159.65146.277.51116.51卫星数目有可能受周围地物的影响，因此，对观测时段以与卫星的观测角度需要进行不同时段的比较，选择较佳观测时段。

35、通过GPS接收机随机配置的星历分析软件，对下载的卫星广播星历分析，查找合适的观测时段。现场观测：前期测量准备工作完成后，我们按照制定的观测计划，分两天对GPS控制网进行三角观测。控制网测量使用的是ASHTECH公司的Z-12型号GPS接收机，该套定位设备包括三台GPS接收机(一台基准站、两台流动站)、两部手簿(手持计算机)以与相关的基线结算、控制网平差、坐标转换等软件。GPS首级控制网的布设是应用GPS静态定位技术，使用三台GPS接收机进行外业观测。实际测量过程中，分为三个测量小组，依据观测计划，在同一时段分别对三个GPS控制点定位观测，观测小组之间通过通信设备相互联系，随时查看GPS接收机的

36、观测指标是否符合测量要求，否则采取延长观测时间的办法，即通过增加观测数据量来提高定位精度。3.1.2动态GPS实时定位技术的应用动态GPS技术在公路测量中的应用主要表现在实时动态定位技术在公路测量中的应用，实时动态定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的发展空间，实时动态定位(RTK）系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置1台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观

37、测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度，这样使用者就可以实时监测到待测点的数据观测情况和基线的解算结果情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少多余观测，提高工作效率。 对于工程单位来讲，GPS静态定位和动态技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。施工中采用常规的方法和GPS技术相结合生产流程可以大大减少作业强度和提高工作效率。随着GPS的发展，初始化时间越来越短，跟踪能力也越来越强，精度也越来越高，可靠性也越来越强，有着良好的性价比。给工程单位的前期控制以与施测过程中的复杂问题带来极大的方便。3.2 GPS在施工建设阶段的应用3.

38、2.1 GPS在施工过程中的应用GPS测量具有高精度、高效率的优点，在控制测量领域得到了广泛的应用。随着GPS接收机性能和数据处理技术逐渐完善，GPS应用领域也不断拓宽。实时GPS测量在道路工程中可完成多种工作。绘制大比例尺地形图高等级道路选线多是在大比例尺(通常是1:2000或1:1000)带状地形图上进行，用传统方法测图，先要建立控制网，然后进行碎部测量，绘制大比例尺地形图。其工作量大且速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量，构成碎部点的数据，在室即可由绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，大大降低了测图的难度,既省时又省力。工程控制测量用GPS建立控

39、制网，最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制，宜用静态测量。而一般工程的控制测量，则可采用实时GPS动态测量。利用这种方法在测量达到要求的点位精度，即可停止观测，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视，使得测量更简便易行。道路中线测设设计人员在大比例尺带状地图上定线后，需将道路在地面标定出来。采用实时GPS测量，只需将中线桩点的坐标输入GPS接收机中，系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的，不会产生累积误差,各点放样精度趋于一致。道路纵、横断面测量道路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可绘出路线纵断面和各桩点的横断

40、面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量，从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。施工测量实时GPS系统既有良好的硬件，也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以与坡度等放样均很方便、快捷，精度可达到厘米级。3.2.2 放样工作放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过

41、程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用RKT技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输人到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。道路放样可以看作无数个点放样组成，道路放样前首先对道路数据进行编辑，输入道路起点坐标桩号、终点坐标、转折点、圆弧等，软件将自动生成道路方向与桩号。设置放线桩号间距依次放样线上各点，也可直接输入桩号放样特定的点。RTK放样结果的精度，除受基准站点位精度影响外，还受

42、模糊度解算误差、坐标系统转换误差等影响，工程项目的实际放样工作中，流动站在放样施测的同时，对沿线的已知GPS控制点进行了比对（如表3.4表3.2所示）。从表3.5 统计的结果可以看出，RTK测量的点位精度可达厘米级，与传统测量方法相比不存在误差累积，能够很好地满足高速公路放样测量的精度要求。表3.4 10Km坐标较差统计表点位合成方向较差分级CC0.02m0.02m0.05m0.05m0.07m0.07<C0.10点位数百分比494182表3.5 全站仪与RTK同桩号坐标差比较桩号坐标较差(m)坐标较差(m)坐标较差(m)RTK定位所需时间K0+1200.0210.0250.0124K0

43、+5500.0150.0190.0253K1+5400.0010.0050.0113K2+3400.0020.1100.0135K4+1800.0130.0210.0182K6+220 0.0200.0150.02515K7+5500.0040.0060.0114K9+3800.0070.0020.0098K10+0000.0170.0240.074283.3 GPS在变形监测中的应用GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态、测站间无需通视、集平面与高程测量于一体等诸多优点，成为当今极为重要的监测手段之一。根据被监测对象的变形特点、监测精度要求等因素，GPS变形监测的方式和数据处理方法也有所

44、不同。总体来讲，GPS技术用于变形监测领域，主要有周期性重复测量、固定连续GPS阵列(GPS一机多天线技术)和实时动态监测(GPS RTK)三种应用模式。前两种模式适用于缓慢变形，一般采用静态相对定位方式进行数据处理。实时动态监测多适用于快速变形或在缓慢变形中存在突变的变形。GPS在变形监测领域的应用可以概括为以下几个方面：在道路桥梁变形监测中的应用传统的道路桥梁的外部变形监测大多是采用经典测量方法，用全站仪人工观测方式采集数据，其自动化程度低、劳动强度大，难以实现实时监测。而基于GPS技术的变形监测可以克服以上缺点。GPS静态相对定位测量模式的变形监测系统与GPS用于控制测量的方法一致，采用

45、后处理方式。这里主要介绍GPSRTK实时监测系统和GPS一机多天线监测技术。1)GPS RTK实时监测系统GPSRTK实时监测系统主要由GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路与数据处理与监测中心等部分组成。数据处理与监测中心，也常称之为控制中心，主要由工作站、服务器和局域网络组成。基准站将接收机接收到的卫星差分信息经过无线电传输设备(或光纤通信链路)实时传输给监测站，监测站接收卫星信号与GPS基准站信息，进行实时差分后，可得监测点实时空间三维坐标（，），平面精度达到20mm、高程精度达40mm或更优。GPS RTK实时监测系统还涉与到信号与数据的传输，数据的存储，控制指令的发播与执行等，此不

46、详述。随着网络RTK技术的发展与CORS系统的建设与普与，可以预计，将来GPS RTK技术在变形监测中的应用将更加普与，精度也越来越高。并且GPS RTK实时监测系统也可以采用静态相对定位的解算模式，也有助于提高监测精度。我国已经将GPS RTK技术成功应用于大坝、大桥等建(构)筑物的变形监测工作当中。2)GPS一机多天线监测技术虽然GPS技术用于变形监测具有突出的优点，但是由于每个监测点上都需要安装GPS接收机，当监测点很多时，造价将十分昂贵。针对这个问题，许多专家提出了“GPS一机多天线监测系统”的思想，并开发了一机多天线控制器，使一台接收机能连接多个天线。这样，每个监测点上只安装GPS天

47、线而不安装接收机，10-20个监测点共用一台接收机，大幅度降低了GPS变形监测系统的成本。其设计思路是在不改变已有GPS接收机结构的基础上，通过一个附加的GPS信号分时器连接开关将多个天线阵列与同一台接收机连接。 监测系统设计的基本原则桥梁工程GPS监测系统的建设，以实时监测大桥的空间位移，确定大桥的变形状况、几何线形等为目的，为研究索塔位移与环境变化(如温度、风力等)的关系，评价大桥结构健康与安全状况提供资料。监测系统的设计应综合考虑测区的工程地质和地貌特征，工程规模和特点等因素，突出重点，兼顾全局，使监测系统形成一个统一的整体，为桥梁的科学管理提供了强有力的手段。监测系统的设计一般应遵循以

48、下基本原则：1)可靠性为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必须稳定可靠，系统所采集的数据必须准确，能正确反映各建筑物与其基础在不同时期的变化情况，系统故障率低，发生故障时能与时排除。2)先进性系统应具备数据快速采集处理、管理和预报的能力。桥梁工程的变形监测要求数据采集速度快，精度高。因此，应选用稳定可靠且先进的观测设备，数据处理方法完善先进，实现高精度的自动化观测与数据处理。3)经济性在保证系统的安全、可靠运行，满足形变分析的精度与监测点密度的要求前提下，系统方案的设计应尽可能优化，选择合理的作业模式(静态模式、RTK模式或GPS一机多天线模式)，点位布置力求少而精，尽量节约成本，

49、避免造成不必要的浪费。4)综合性 桥梁工程是一个复杂的系统工程，监测系统应综合运用GPS技术、现代传感器技术、计算机技术、结构分析理论等方法手段，建立包括位移监测、环境监测、结构应力监测等功能完备、性能优越的综合性安全监测系统。桥梁变形监测是桥梁运营期养护的重要容，对桥梁的健康诊断和安全运营有着重要的意义。近20年来，桥梁工程在抗风、抗震领域的研究成果以与新材料新工艺的开发推动了大跨径桥梁的发展；同时，随着人们对大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，桥梁健康监测的研究与开发应运而生。对桥梁的安全性进行评估和预测，消除潜在的安全隐患，避免灾害、事故的发生，有助于从根本上消除隐患，

50、避免灾难性事故的发生。同时，由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、设计理论方法提供反馈信息，并可以用于深入研究大跨径桥梁结构与其环境中的未知或不确定性问题。桥梁变形监测的主要容桥梁变形按其类型可分为静态变形和动态变形。桥梁墩台的变形一般为静态变形，而桥梁结构的挠度变形则是动态变形。1)桥梁墩台的变形监测桥梁墩台的变形监测主要包括两方面：a.墩台的垂直位移观测垂直位移观测是定期地测量分布在桥墩上的监测点相对于基准点间的高差，求得监测点的高程，利用不同时期监测点的高程，对墩台的垂直位移规律进行分析也预测。墩台的垂直位移观测主要包括墩台特征位置的垂直位移和沿桥梁轴线方向(或垂直于桥梁轴线方向)的倾

51、斜观测。b.墩台的水平位移观测其中，各墩台的上、下游观测称为横向位移观测；各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向观测。两者中，以横向观测更为重要。2)塔柱变形观测塔柱在外界荷载作用下会发生变形。与时、准确地观测塔柱的变形对分析塔柱的受力状态和评价桥梁的工作性态有十分重要的作用。塔柱变形观测主要包括：a. 塔柱顶部的水平位移观测；b塔柱整体倾斜观测；c塔柱周日变形观测；d塔柱体挠度观测：e塔柱体伸缩量观测。3)桥面挠度观测桥面挠度是指桥面沿轴线方向的垂直位移情况。桥面在外界荷载的作用下会发生变形，使桥梁的实际线形与设计线形产生差异，从而影响桥梁部应力状态。桥面线的线形变化，不但影响大桥的行车安

52、全，而且对桥梁的使用寿命有直接影响。4)桥面水平位移监测桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。桥梁水平位移主要由基础的位移、倾斜以与外界荷载(行车、风力等)等引起。对于大跨径的斜拉桥和悬索桥，风荷载可使桥面产生大幅度的摆动。桥梁变形监测的主要方法1)垂直位移的观测方法垂直位移的观测方法主要有以下几种：a.精密水准测量这是传统的垂直位移观测方法，精度高，数据可靠。但缺点是劳动强度大，测量速度慢，难以实现同步观测。b.三角高程测量三角高程测量用于变形监测是完全可行的。但是，在距离超过400 m的时候，由于球气差的影响，其精度会有所降低。c.液体静力水准测量液体静力水准测量采用连通器原理，

53、测量两点之间的相对沉降量，精度高，速度快，也是工程变形监测的常用方法。该法的缺点是测点之间的高差不能太大，且一般只能测量相对位移。d.压力测量法该法根据测量的各点的压力值的变化量，转化为高程的变化量，从而测出各点的垂直位移。e.GPS测量GPS高程测量的精度比平面位置的测量精度略低。若采用静态测量模式，观测结果一般能达到±5mm以上的精度，动态测量模式一般能达到±40mm左右的精度。国外已经成功的将GPS技术用于桥梁工程的变形监测当中。水平位移监测方法测定水平位移的方法与桥梁的形状有关。对于直线形桥梁，一般采用基准线法、测小角法等；对于曲线桥梁，一般采用三角测量法、交会法、

54、导线测量、GPS测量等。挠度观测方法桥梁挠度测量的方法有悬锤法、水准测量方法、全站仪观测法、摄影测量方法、GPS测量与专用挠度仪观测法等。从桥梁工程的变形监测容与方法可以看出，GPS技术与其它传感器结合用于桥梁工程变形监测将成为趋势。因为GPS技术集平面测量与高程测量于一体，可以实现垂直位移监测、水平位移监测、挠度监测的同步观测。3.4 坐标转换GPS测量得到的是WGS-84坐标系下的三维坐标，实际上，往往需要地面坐标，因而要把WGS-84坐标转换为地面坐标系坐标。本章节对WGS-84坐标转换为地面坐标的影响因素、单点转换的适用性与工程GPS网的数据处理等问题作了一些讨论。起算点坐标误差对平面

55、坐标的影响由前面基线解算介绍可知，当起算点的误差为20m时，对基线的解算可引进1ppm的比例误差。为讨论这种影响，特对A地区某GPS控制网进行了处理。在A地区GPS网中有10个点，其中J2MS、J3RW、J3A8、J3A0为已知的WGS一84坐标，BMS、LNG、JG、CGN、DQJ为己知的-54坐标，该网的平均边长为7.84km，图形如图3.1 图3.1 A地区GPS控制网 在数据处理中，分别以J3AS的已知点和导航解作为起算点，J3AS的导航解和己知坐标的差约为19m。以BMS、LNG、CGN为约束点，分别以J3AS的已知坐标和导航解作为起算点所得的平面坐标差值。表3.6 已知点的平面坐标差点名 平面坐