GPS在路桥设计与监测中的应用研究①

陈利平 左玲

摘 要:首先介绍了GPS的工作原理与基本组成,然后介绍了GPS在路桥设计与沉降变形监测中的应用情况,总结了GPS在路桥设计与监测应用中的优点。

关键词:GPS路桥设计变形监测

中图分类号:U442 文献标识码:Ａ 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0022-02

1GPS概述

GPS(Global Positioning System,简称GPS)全球定位系统:1973年12月起,美国历经20余年,投资300亿美元,建立起来的服务于全球的卫星导航与定位系统。其从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题。

一般来说,GPS系统主要由空间星座、地面控制与用户设备三个部分。

1.1 空间星座部分

主要是24(21+3)颗卫星组成,其中,21工作卫星,另外3个备用卫星组成GPS系统星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道面上,每个轨道面四颗卫星。根据时间和地点的不同,一般至少有四个可以看到,多的时候高达11。GPS信号导航定位,要计算点的经度,纬度和海拔,至少4个GPS定位卫星可用。由于地理和环境因素或图形结构不佳,在某处,可能难以测得精确坐标点,这个时间称为“间隙段”。但是,这种差距段很短,不会影响绝大多数GPS工作。三个备用卫星,根据指示,必要时矿可以更换出现故障的卫星,从而提高工作效率和可靠性。

1.2 地面监控部分

该部分主要由分布在全球的不同地方的6个地面站组成,其中包括卫星监测站、主控站、备用主控站与信息注入站,分别位于科罗拉多、盖茨堡、夏威夷、南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚和南太平洋的卡瓦加兰。地面监控部分负责收集由卫星传回的信息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

1.3 用户设备部分

该部分主要设备就是GPS接收机,即一种特制的无线电接收机。该部分的主要作用是接收卫星导航发出的信号,并对接收的卫星信号进行处理,从而获得需要的数据,以确定位置。根据不同用户所需要的功能,需要配置不同类型的GPS接收机。它们的性能结构,形状,大小和价格也有很大的不同。比如,航海与航空使用的导航型接收机,要具有与存储暑或其它媒介相互通讯的功能,因为其中存有电子导航图等资料;测地用的接收机就要求具有很高的精度,并能快速采集和存储数据;军用的接收机,要附加解码模块,如果用于地面部队则要求较高的机动性。

2GPS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。例如在江苏省江阴市长江大桥设计与建设中,首先用传统常规测量方法建立高精度的边角网,然后利用GPS对该边角网进行检测,GPS的检测网可达毫米级精度,比传统常规的精度网的效果要好。

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。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[1]。

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[1]。

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[1]。

3GPS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[2]。

全长36km的杭州湾跨海大桥,位于沿海通道咽喉,是世界上的强潮海湾地区之一,容易受强潮汐影响。因此,桥梁基础结构的稳定性是确保桥梁安全运行的重要条件。桥梁的沉降会造成许多不利影响。太大的解决,尤其是基础不均匀沉降会引起附加内力的桥梁结构,桥线性恶化和桥梁附属设施(支座,伸缩缝,栏杆等)的损害。过大的沉降变形,特别是桥梁基础的不均匀沉降更会引起桥梁结构产生较大的附加内力、桥梁线形的破坏以及桥梁附属设施的损毁。因此,确保大桥建成后能健康、安全地运营,保证其耐久性,是桥梁管理的首要任务。为了大桥在运营期间的健康运行,了解在冲刷及汽车载重状态下大桥的每个墩台的沉降情况,必须要进行大桥的沉降监测工作。

本研究结合杭州湾跨海大桥桥梁健康与安全监测系统的总体框架,对南、北航道桥的沉降形变进行实时监测;另外对非通航孔及高墩区部分,由于引桥的非通航孔部分很长,采用实时监控方案造价过于昂贵,且数据量很大难以实时处理,因此,可以考虑平面位移采用GPS静态定期观测,沉降变形采用GPS配合常规精密水准测量方法来进行,并可把各期监测数据上传到健康监测系统中进行统一的分析与研究。同时,对引桥施工期间的沉降变形过大的重点部位使用GPS进行重点观测,实时了解北岸引桥的不均匀沉降[3,4]。

4结语

GPS是近年来发展较快的新一代卫星导航与定位系统,它具在全球性、全天候的特点,并具有连续精密三维导航与定位能力。GPS定位技术所有具有的高精度、实时工作性与较好的发展潜力引起测绘工作者的极大兴趣。随着GPS测量理论与设备的不断发展,使得GPS测量技术日趋完善[5,6]。近年来,随着GPS技术的不断发展,其测量功能更加完善,应用面也越来越广,操作也更简便,这使GPS测量更实用化。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] 肖木来,王继辉.GPS在路桥设计中的应用[J].工程技术,2008(31):51.

[2] 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):278-281.

[3] 宋录彬.全球卫星定位系统(GPS)在高速公路测量中的应用[J].内蒙古公路与运输,2006(1):83-84.

[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(2):1-2.

[5] 刘飞燕,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,2006,17(5):84-86.

[6] 林宗云,刘宗泉,余文斌.用GPS技术建立桥梁变形监测平面基准[J].地理空间信息,2005,3(1):47-48.