论文---测绘工程.doc

桂林理工大学土木与建筑工程学院测绘工程08-1班

《土木工程概论》论文

题目: GPS测量技术在桥梁工程中的应用

姓 名
学 院
专 业 测绘工程
班 级 测绘08-1班
学 号

2011年6月
GPS测量技术在桥梁工程中的应用

摘 要：随着特大桥、跨海大桥建设，对测量技术的要求越来越高，而GPS测量技术很好的解决了桥梁建设中广域的高精度的平面与高程控制、高精度监测等方面的困难。本论文介绍了GPS的构成及应用原理、GPS测量技术在桥梁工程施工过程中与建成后运营期间变形监测的应用，并对GPS测量技术在杭州湾跨海大桥建设中的应用进行了分析研究。

关键字：测量 GPS 桥梁建设 应用

GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS测量技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，随后又在桥梁工程的勘察、设计、施工、变形监测等方面展开了研究并得到广泛应用。

一、GPS构成
GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。
1、GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀地分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20180km，运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗[1]。
2、GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
3、GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大与处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、GPS网平差，求出GPS接收机中心的三维坐标。

二、GP
S应用原理
GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航。如GPS卫星定位原理图所示，电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法结算出测站P的位置

设在ti时刻在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星S1、S2、S3的距离ρ1、ρ2、ρ3，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为 (Xj，Yj，Zj)， j=1， 2， 3。由P点的三维坐标(X，Y，Z)的观测方程：
ρ21=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2
ρ22=(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2
ρ23=(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2
用距离交会的方法求解P的三维坐标。

三、GPS在桥梁工程中的应用
目前国内特大桥、跨海大桥、铁路桥梁等大型桥梁建设层出不穷，由于工程规模大、建设周期长、施工工作面多，为了保证工程各个施工工作面的基准系统和测量数据的协调一致、精确统一，必须做到各个施工区域、工作层面所测定的空间位置快速、精密、同步。为此，必须运用GPS测量技术并有必要设立 GPS 连续运行参考站，使参与工程的任何一个用户可以在任何需要的时候和任何作业地点，实时地或通过数据事后处理方式确定测定点点位的坐标与高程信息，不必依赖任何地面控制点。各个用户无需独立解算和设坐标转换参数，这保证了各个施工单位采用的坐标系统的高度一致性。而且，参考站站址本身得到长期 监测数据的维护，可以使许多常规测量难以实现的高精度监测成为可能。
3.1、GPS测量技术在桥梁施工中应用
GPS测量技术在桥梁施工中的应用主要是建立控制网，包括平面控制网和高程控制网和进行施工放样。
GPS测量技术提供的三维定位信息，对于高程控制，尤其是解决了跨河、跨海水准问题。由GPS直接获得的大地高H是一几何量，桥梁施工采用的高程系统是正常高h，它是地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，是一个物理量。不考虑垂线偏差的影响，二者的关系为hi=Hi-E，式中E称为i点的高程异常，是似大地水准面至椭球面的距离。因此，只要能以一定的精度要求得到测站点的高程异常差值，就能将GPS点的大地高转换为正常高，实现施工过程中的高程控制。这一技术很好地解决了海上高程控制测量和连续多跨跨海高程贯通测量的难题，为跨海大桥的施工提供先进的技术。
GPS打桩定位系统在跨海大桥的建设中解决海中沉桩定位的难题，GPS沉桩定位系统用安置在船体上的3台GPS接收机，测定打桩船的实时位置和实时船体姿态，用安置在船体上的免棱镜激光测距仪或摄像测量系统测定桩位相对于船体的位置，通过坐标转换可以确定桩体在大桥独立施工坐标系下的三维实时位置和倾斜度，用计算机技术控制桩体的精确打入过程及进行贯入度的自动测定。

3.2、GPS测量技术在桥梁变形监测中应用
为确保桥梁在运营期的安全，需要实时对桥梁（特别是特大型桥梁、跨海大桥）进行高精度的动态变形监测。在大桥建成运营期间，通过在大桥上设立合理的监测点，定期或连续对桥梁进行监测，配合连续运行GPS工程参考站的观测数据，可以实现对大桥的高精度形变监测。
GPS测量技术，实践已证明完全可以在各种大型桥梁外观监测中应用，且不受天气条件影响，可以实现全天候作业。观测速度快，效率高，可实现全自动化监测。其费用仅为常规方法的1/3-1/6。
特大桥GPS变形监测系统于1998年投入使用，整个系统包括数据采集、数据传输、数据处理等三大部分。该系统在1998年8月特大洪水期间的监测运行表明，GPS系统安全可靠，抗干扰能力强，监测精度高，1个小时GPS观测资料结算的监测点位水平精度优于1毫米，垂直精度优于1.5毫米；6个小时GPS观测资料结算的监测点位水平精度优于0.5毫米，垂直精度优于1毫米[2]。数据处理分析及时，反应时间小于15分钟，能够快速反映大桥在超大洪水洪峰下的3D变形，既确保了大桥安全，又成功的实现了洪水错峰，对防洪减灾起到了关键性作用。
3.3、GPS测量技术在桥梁建设中的应用实例——杭州湾跨海大桥
杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥，它北起浙江嘉兴，南至宁波慈溪，全长 36 km，是目前世界上最长的跨海大桥。针对该桥工程建设点多、面广、线长，加上 S 状的桥型设计等特点，大桥指挥部在南北两岸和海中B 平台上建立了 3 个连续运行的 GPS 参考站，保证了在桥位区内任何一点离某一参考站的距离均小于 13 km[3]，从而使得参考站 GPS 数据完善、可靠地覆盖整个工程区域，在桥位区内任何位置都能实现厘米级实时测量与定位，同时也为大桥南北两岸建立长期的位移监测基准。数据处理及监控中心是整个系统的核心。各参考站将其获取的GPS 原始观测数据及工况信息传送至数据处理及监控中心，由数据处理及监控中心负责监视各参考站的工作状态，并对数据进行处理，完成对参考站站址稳定性、设备工作可靠性的实时监测，并通过数据共享系统，向授权用户提供数据共享及高精度的 GPS 静态定位服务。杭州湾跨海大桥连续运行参考系统广泛应用于桥梁附属设施施工、桥梁基础施工、GPS 打桩定位以及桥梁实时动态变形监测中，而且在成功应用和实践中形成的规程和细则，也填补了中国桥梁建设在这一方面的空白。
四、总结
GPS测量技术应用于桥梁建设，精度高，抗干扰性强，不受外部作业环境和距离限制，且非常适合于地形复杂、特大江河及跨海地区等的大型桥梁建设测量，自动化程度高，极大地降低劳动作业强度，减少外业工作量，大大提高工作效率和成果质量。随着GPS测量技术的发展，它作为一种全新的测量手段在桥梁工程的控制测量、施工测量、变形监测中已逐步得到广泛的应用，其技术的先进性、优越性，极大地改善了大型桥梁建设施工过程中传统平面与高程测量作业模式，满足长距离高等级测量的精度要求，从而使费用高、难度大、周期长的传统高精度测量工作量减少到最低限度，极大地提高了工作效率。

参考文献：
[1]徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社,2008
[2]高寿江.GPS技术在公路工程领域的应用现状与展望[J].吉林交通科技,2006,2
[3]王勇.杭州湾跨海大桥工程总结（下卷）[M].人民交通出版社,2008
[4]陈学军,土木工程概论[M].机械工业出版社,2006
[5]周毅,青岛海湾大桥GPS测量控制系统建设与应用[J].测绘学报,2011,2
[6]衣鸿波,VRS技术在桥梁工程测量中的应用——哈尔滨市二十道街跨江大桥工程[J],测绘与空间地理信息,2008,4