GPS在路桥设计与监测中的应用研究

摘要：随着社会经济的快速发展和我国路桥工程建设的增多，国家和路桥施工单位对工程施工质量的要求也越发的严格。本文作者结合多年来的工作经验，对GPS在路桥设计与监测中的应用进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词：GPS；路桥设计；应用

中图分类号：P228 文献标识码： A

一、GPS的工作原理与传统测量的对比

GPS系统主要由空间卫星，地面控制和用户设备三个部分组成。空间卫星在距离地面约20000公里的近地轨道上，以约12个小时的运行周期绕行地球。在轨道上的卫星一般不是均匀分布的，在轨道上的不同位置以不同速度运行，以确保地面控制能够持续获得可用信号。空间卫星主要设备是高稳定性的铷原子钟和铯原子钟，以确保传回数据的准确性和时效性。空间卫星主要用于接收地面的各种控制信号，在控制信号下调整各项工作的状态，另外卫星会进行全天候的导航电文播发。地面控制系统中，人们以GPS 卫星作为已知信息参考，结合定位算法来提供准确的定位信息。用户设备指的是各种可以通过无线电或计算机网络作为为支撑的，GPS信息接收和处理设备。能够随时随地的进行GPS 信号收发和处理，而且接受功率较低，能够接受非常弱的GPS卫星信号，以确保GPS设备能在任何环境下工作。

GPS系统测量工作过程中需要至少三颗用于定位的卫星，五颗用于导航的卫星，首先假定一颗已知卫星的位置，通过卫星测定了监测站或GPS设备与待测点A的距离，那么A点肯定是位于以卫星为中心，以测量距离为半径的几何球体上。那么我们进一步确定A点与另一卫星的距离，那么A点与该点形成的测量几何球体与前面形成的几何球体相交于一个圆环，继续测量A点与第三个卫星的距离，那么上一步得到的圆环与第三个测量球体交于两点，通过地理和物理知识可以排出其中不合理的位置，利用另一点即可完成测量。当然，还可以选择更多的卫星进行更加精密的定位。

在路桥设计工作中，涉及到很多测量工作，这些测量数据对于工程设计而言尤为重要。针对路桥工程在城市建设中的重要地位，测量工作的准确性也变的尤为重要。传统的测量方法在面对更高要求的路桥工程时，出现了一些不足。测量规法对符合线的长度有严格要求，对于高等级公路的要求更高，因此测量过程中导线不能超过十公里，这样的要求对一般的测量工作而言很难达到。对于测量点的搜集和选取因为国测或城测混杂变得难以统一，这就出现了在测量系统不兼容的问题，不兼容必然会导致测量质量下降。而且目前我国众多大地观测点遭到了破坏，这些点在破坏后无法使用，找不到合适的观测点也就让测量变得更加困难。GPS测量系统相比传统测量而言，上述问题都有很好的解决方案。从卫星对店面对象进行观测，测量点从宏观的角度更加便于选择，对于破坏的大地检测点也能够通过模拟恢复进行使用。

二、路桥工程测量过程中的GPS技术

1）GPS技术对施工的精确度控制。路桥工程的施工质量直接决定着路桥工程的整体质量，施工质量如果不合格会对人身和财产造成一定的潜在威胁。所以，在路桥工程施工做成中，施工单位对施工工程测量的精确度和准确度必须要进行严格把关。大部分情况下，路桥工程测量中最主要的测量是桥长，在实际施工测量的相关规定中，规定桥长的偏差应控制在±100mm，误差控制在±50mm，施工单位应严格根据这些经过设计师仔细计算得出的数据进行施工测量。在路桥工程施工过程中，出现的误差大部分是制造误差、测量误差和作业误差，施工过程中出现的这些误差由于属于施工中的不同部分，所以这些误差是相对独立但却有激化或影响作用的。因此，测量误差控制一般是要低于实际施工中出现的误差。这样才可以保证路桥工程施工的整体质量。在路桥工程实际施工操作的过程中，对工程的施工控制和测量控制因为其相对更复杂一些，所以具有一定的困难性，这时利用GPS技术，建立路桥工程GPS施工网络控制系统，提高路桥工程的施工精确度，确保路桥工程施工进度的顺利进行。

2）GPS技术的应用方法。由于施工场地影响因素的不同，使得路桥工程施工中建立的GPS控制网络对路桥施工控制中的作业有一定差异性，同时测量的结果也会有一定的差异度。为了对GPS施工网络精确度进行合理控制，路桥施工单位可以采取边长约束和方位角约束方法平衡差异度。这样可以较好的连接GPS控制网络和路桥施工网络，以便更加有效的确保桥梁钢体结构施工中的测量精准度，同时也可以保障路桥工程建设过程中国过往车辆的安全行驶。

三、GPS在路桥设计中的应用

在道路工程中，GPS主要用于对公路网外测控点的监理。高速公路的设计和测量，因为设计长度长，已知测量参考点较少，传统测量手段已经不能满足测量需求，所以采用GPS测量技术对高速公路网进行高进度处理，利用GPS建立高速公路监控网，十几公里范围内的测量误差已经可以控制在厘米精度内，这样的测量精度对于道路工程的设计很有帮助。借助GPS设计公路网，精细化各项工程数据，相比传统的测量工作而言大大缩短了工期，也让公路工程建设过程中减少失误，通过道路网在道路建成后进行更好的管理。

GPS在桥梁工程中的应用相对道路工程来说更为广泛，对于特大型桥梁工程的测控，GPS同样发挥着重要的作用。桥梁控制测量过程中，GPS可以形成更加具体的立体化网形，立体点位精度也跟高，值得一提的是对于常规测量量指点的检测更为有效。在以往的桥梁工程设计过程中，常规方法来测量桥梁高度边网，现在我们还可以利用GPS对高度边网进行毫米级别的检查，这比传统精确测量更为准确，设计和施工过程中效果也更好。

GPS静态相对测量技术，是一种经典的高精度测量模式，在大型桥梁设计中被广泛使用。传统桥梁设计中多采用两角测量，但是两角测量在面对超大型的桥梁设计时出现了精度不足、时间花费较高的问题。因此采用GPS静态相对测量技术来替代两角测量，精度更高效率也得到了不错的提升。GPS静态相对测量在跨海大桥的设计中作用尤其突出，更好的解决的长距离无法人工测量的问题，在桥梁平面设计的控制和形变控制工作中也有着更好的应用。 GPS实时动态差分测量是一项先进的测量技术，通过在待测点上安放运动的GPS信号接收机，与地面已知基站形成同步工作，与GPS测量卫星实现同步数据接收，在动态过程中事实差分处理测量数据，对于运动点轨迹的测量和矫正有很高的精度，相比于单点运动测量精度提升到米级。桥梁设计中利用这一技术，结合回声探测可以将水下或其他无法直接测量的地形数据测量出来，对于一些跨海的大型桥梁设计水下图形部分有很好的解决方案。利用该模式，还能够数字化立体化测量结果，对于水下情况有很好的处理效果。

GPS-RTK测量技术是在静态测量的基础上，增加了动态精度数据处理形成。GPS测量方式无论是静态还是动态，想要得到厘米级精确数据需要得到计算机系统的处理计算，这样的测量效率较低。RTK测量技术能够在测量环境中实时获得厘米级精确数据，通过载波相位动态分析法在测量过程中获得详细数据。GPS技术可以结合这样的数据处理模式来获得更快速的准确数据，通过GPS和RTK相结合的模式，解决了测量环境中数据处理较慢的问题。

四、GPS测量的优点

1、通规问题。测量工作的一大重点问题就是通规，如何在不同的测量站之间统一测量标准，一直是影响测量精准度的难题。GPS全球卫星定位系统在测量中可以很好的避免不同测量站之间的通规，在使用过程中没有过多的限制，使得使用更加快捷和高效。在不同的测量站对测量数据进行接受和处理时，一定要保证信号正常，对于信号干扰要进行一定的矫正，这样测量得到的数据能够得到最大程度的准度，让数据在不同测量站之间可以更好的利用。

3、测量更加高效。因为通过卫星遥感和地面计算机技术的配合，长距离的测量也变的十分快捷。

4、三维测量能力。GPS测量能够提供三维坐标数据，对于一些工程测量来说，三维坐标的相关数据非常重要。GPS卫星测量在平面位置观测的基础上，还能通过大地高程测量来确定更加精确的测量参数，这也是采用GPS测量的一个突出优点。

5、操作简单。对于专业测量人员来说，测量技术要求很高，测量工作的难度也相对更高。而利用GPS测量系统，能够通过高度自动化的系统完成复杂的测量工作。测量人员只需要按照测量站安装要求布置好地面测量基站，对相关仪器做出准确度调整，其他的测量工作都有卫星和地面计算机系统完成。高度自动化、集成度高的测量系统大大降低了测量人员的工作难度，另外计算机测量比人工测量更加精准，也更加便于储存和处理。

6、全天候工作。对于一些地面测量数据的测量而言，有时需要全时段的检测，但人工测量存在时间限制，还会受到天气和测量环境的限制，这大大降低了测量工作的效率。而GPS通过卫星和地面计算机系统进行组合工作，接触了自然条件和时间的限制。

结语

通过本文的论述，可以看出在路桥工程施工测量过程中，使用GPS技术，不仅可以极大的提高路桥工程施工测量数据的准确性，也很大程度上降低了路桥施工测量过程中误差的出现率，降低了工程施工单位的预算，提高了路桥工程施工测量工作的效率。GPS技术的应用，极大的提高了路桥工程施工测量的技术水平，确保了路桥工程施工中的质量，直接推动了路桥工程建设的快速发展。