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高精度GPS全球定位技術

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標簽:工程測量規范,工程測量技術, 高精度GPS全球定位技術,http://www.tljciu.live

關于高精度GPS全球定位技術
在南京長江第二大橋工程中的應用

錢敬易繼授張敬文 黃騰
(湖南省路橋總公司)(河海大學)

【摘要】由于受到多種因素的影響,例如有意使衛星頻率漂移和降低軌道精度的美國SA政策及各種測量誤差,使GPS定位精度大大降低,較難應用于高精度要求的測量中。如何進一步提高定位的精度,使其廣泛地應用于各種高精度的重大工程中,正是目前廣大測繪工作者為之不懈努力的研究目標。本研究項目結合南京長江二橋特大工程的需要.在高精度GPS定位、GPS控制網、高精度GPS跨江水準諸多方面進行了研究,取得一定成果。
【關鍵詞】GPS全球定位技術 高效率 高精度 全天候


一、前言
1993年美國國防部24顆GPS工作衛星相繼發射成功,從而建成由分布在 6個軌道平面內GPS衛星組成的GPS工作星座。隨著美國政府宣布解密衛星的部分導航電文而供民間使兩,由于GPS全球定位技術具有經濟、快速、精度均勻、不受天氣、時間和通視條件限制等優點,該技術日益廣泛地應用于測繪、天文、導航、通訊等各個領域,是現代高科技產物的結晶。該技術的應用,使測繪科學發生了根本性的變革,GPS衛星定位的基本理論及其進一步的開發和應用,已逐步成為測繪學科最為重要的內容和任務。


二、概述
南京長江第二大橋南汊橋全長2958m,主橋為主跨628in的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,此跨徑在同類型橋梁中居國內第一,世界第三。南、北塔高195.41m,由于橋體高大,橋型結構復雜,施工放樣精度要求高,如在索塔施工中,立模的定位精度應小于±5mm;高程應小于±10mm;斜拉索套筒的定位精度(平面、高程)應小于±5mm;索塔垂直度應小于1/3000;在斜拉橋橋面無索區鋼箱梁吊裝施工中,梁段橋軸線定位精度小于±2mm,等等。如此高的定位要求,建立一個高精度的控制網是關鍵。
在進場之前,1997年已由長江水利委員會布設國家二等三角網和水準網,但由于地基沉降及橋墩出水造成不通視,控制網需定期復測及加密控制點,常常需集中人力、物力,耗時3~4周,工作量很大,影響日常工作。
南汊江面寬1400m,江面經常有霧,能見度較差,江面船艦來往頻繁,江灘滿布蘆葦雜樹,特別是貼近江面視線受大氣折光影響極大,難于布設常規的精密控制網。因此,GPS高精度控制網的建立和高精度過江水準的傳遞,把兩岸有機地聯系成一個系統是整個工程的關鍵之一。


三、GPS測量的誤差分析
GPS測量中出現的各種誤差按其來源大致可分為三種類型:
l.與衛星有關的誤差
主要包括衛星星歷誤差、衛星鐘的誤差、地球自轉的影響和相對論效應的影響等;
2.信號傳播誤差
因為GPS衛星是在距地面2000km的高空中運行,GPS信號向地面傳播是要經過大氣層,因此,信號傳播誤差主要是信號通過電離層和對流層的影響。此外,還有信號傳播的多路徑效應的影響;
3.觀測誤差的接收設備的誤差
通常可采用適當的方法減弱或消除這些誤差的影響:如建立誤差改正模型對觀測值進行改正,或采用適當的觀測方法等。由于衛星的誤差不能為測量人員控制,因此GPS定位中,我們主要研究和分析信號傳播誤差、觀測誤差等。
(1)信號傳播誤差對定位的影響
a.電離層折射的影響
由大氣物理學研究可知,電磁波經過電離層時,由于折射率的變化所引起傳播路徑的延遲可以通過以下途徑解決:
①利用導航電文中提供電高層改正模型,加以改正,可將延遲影響減少75%;
②利用雙頻接收機減少電離層延遲;
③用兩個觀測站同步觀測求差也可削弱電離層延遲的影響。
b.對流層折射的影響
可采用;
①根據實測地區氣象資料利用模型改正,能減少對流層引起的延遲達92%~93%;
③當基線較短時,利用基線兩端同步觀測求差,可以更好地減弱影響。
(2)多路徑效應的影響
為減少多路徑效應影響,在安置天線時,應盡量避開強反射物,另外采用防多路徑無線。
(3)天線相應中心的位置偏差
在野外觀測時,要求天線要嚴格對中、整平,同時還要將無線盤上方向標指北(偏差在3°~5°之內)。


四、該研究項目主要的創新特色
(l)在高精度GPS控制同優化的研究中,提出了多目標二次規劃設計的新方法,根據逼近準則矩陣的理論建立目標函數,實施控制網優化。該方法可適用于不同類型的同。與現有控制網優化的方法相比,克服和彌補了現有方法的缺陷,在理論和方法上有創新,且具有廣泛的應用價值。
(2)研究和分析了電高層及對流層折射影響、多路徑效應、觀測誤差、整周模糊度的快速解算,探討了快速解算的最佳時間長度,以使解算結果精度高且穩定可靠;還研究了GPS同起算點的優化選取,進行了不同等級起算點兼容性分析。
(3)高精度GPS過江水準研究提出GPS高程抗差擬合推估的新處理方法,通過選權、選代,減低已知擬合點的粗差對平差的結果,克服了單純的擬合參數法的缺陷。


五、南京長江二橋高精度GPS測量的應用
1.平面首級控制網簡介
平面網共9個點,最大邊長1927m,最小邊長224.5m(見圖1),高程網也包括9個點。


2.儀器
選用三臺Z12型由ASHTECH公司生產的雙頻GPS接收機。
3.GPS外業觀測
外業觀測采用靜態定位模式。衛星高度角不小于15°,PDOP值小于6,采樣間隔為20s,觀測時間采用90min,僅用了2d時間完成外業觀測工作。
4.觀測成果平差分析
GPS觀測處理的基線首先進行GPS網的三維平差計算,采用HHGPPS的自由平差功能。現將平差結果與已知點坐標差列于表1。

GPS測量結果與二橋三角測量及水準成果進行比較知,二級GPS測量方法可以達到國家二等平面測量精度。GPS高精度處理方法得當的情況下,也可達到國家二等水準的精度。
5.效果綜述
由湖南路橋與河海大學共同研究的課題"高精度GPS全球定位技術在特大橋中的應用",經在南京長江第二大橋首級控制網中應用后,取得了較好的效果。
該控制網精度標準滿足了南京長江第二大橋高精度的施工要求,為二橋工程高速、優質的建設提供了保證。從對已竣工的索塔驗收檢測資料可以看出:索塔線條平順光滑,與設計值比較,南北塔下橫梁跨徑偏差4mm、中橫梁跨距偏差3mm、塔頂跨距偏差僅lmm、垂直度高于l/10000、斜拉索套筒定位精度均滿足了工程設計要求。南、北塔通過江蘇省質監站最后交工驗收,評定分為創記錄的97.6分。已完鋼箱梁吊裝施工,無索區鋼箱梁軸線偏差為±lmm,高程偏差為±2mm,由于質量優良、工程進展順利,受到了國務院、交通部、江蘇省交通廳、業主、監理及社會各界人士的高度評價,取得了良好的經濟、社會效益,被江蘇省評為1999年優質工程。
實踐證明,高精度GPS定位技術應用在特大橋首級控制網測量中.具有高效率、高精度、全天候、無需通機等特點,這是常規測量中無法比擬的。因此,利用該技術可以節約大量的人力和物力,減少大量的開支,提高建橋的速度和質量。所以其經濟效益和社會效益是顯而易見的,相信該技術具有推廣意義。


六、結論與建議
通過研究和應用,得出以下幾點結論:
(1)GPS測量技術用于高精度工程控制網,需根據工程的需要確定點位精度,然后根據點位精度要求選定相應的GPS等級。
(2)對于橋梁工程,一般面積不大,但精度要求較高,應盡量減少對中誤差,應建造強制對中觀測墩。
(3)數據處理過程中,嚴格的基線評定,對發現、剔除粗差,提高成果的質量具有重要的意義。
(4)在觀測合理、處理方法得當的情況下,二級GPS測量方法可以達到國家二等平面測量精度,GPS高程精度也可達到二等水準的精度。


參考文獻
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[4]賈沛璋,朱證桃.最優估計及其應用.北京:科學出版社,1984

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