桥梁检测中GPS 差分定位技术的应用

徐富强

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳110111）

1 GPS 差分定位技术

1.1 差分定位原理

在GPS 定位方式中一般可分为单点和差分两种定位方式。前一种方式主要是基于监测1 台接收机中的有关数据，以自测量导航卫星的伪距测量为定位数据源，此方式的定位精度在一定程度上还达不到较高的标准，可在车船概略导航等不具有较高定位精度要求的领域中应用。与单点定位模式不同的是，相对定位是一种通过监测2 台以上接收器的数据对观测点位置进行确定的方法，具有较高的定位精度，该方法已广泛应用于工程测量中。另外电离层干扰、路径效应等因素会对单点定位模式有一定程度的影响，也增大了定位数据的误差。而后一种方式基于测量双频接收机的数据，使公共误差的降低幅度较大，使测量数据的精准度得到了提高。针对应用过程中具有定位精准度较高要求的一些领域，接收器之间距离较大及大气影响测量过程较明显的条件下，测量可利用差分定位方法。对差分定位方式的最初应用中，达不到较宽的控制区域是亟待完善地地方，只能采取建设更多基准站的方式扩大相应的控制面积。随着技术发展的日新月异及对定位精度要求的日益提高，在定位技术中研发了本地差分及广域差分系统等很多先进系统，并取得了广泛应用。该技术研发使差分定位中存在的传输问题得到明显改善，控制差分定位的区域也在一定程度上逐步扩大。

1.2 差分定位技术分类

差分定位（DGPS）技术按照作用范围可分为以下两类：一类是局域DGPS 定位技术。主要分为数据基站、用户站及数据通信链三部分内容。但该技术只提供综合DGPS 改正信息，因此只能应用于较小的领域。另一类是广域DGPS 定位技术。该技术主要分为差分信号播发站、卫星跟踪站、通信网络记忆用户接收器及监测站点几部分内容。相对于上一类技术而言，应采用模型化方法处理好定位中存在的误差源，再分别发送给用户接收器一些数据，进一步修正接收到的数据，减小数据之间存在的误差，使定位测量精度得到明显提高。

基准站发送信息主要有三类方式：第一类是位置差分，该方法是较为简单的一种基础方法。对4 颗卫星的观测数据采用GPS 接收机进行四维定位，通过分析相关数据结果显示，因大气影响等一些气候因素作用的影响，向导航卫星传播卫星数据的过程中有一些误差难以避免，基准站可采取相应的修正措施降低数据的误差程度而使其明显缩小，数据由用户端接收可使精确度有效提高。第二类是伪距差分，其技术原理主要是比较导航卫星与接收机之间的距离和存在误差的测量值，对存在的误差与有关数据相结合进行计算，向用户传输误差测距，用户根据误差程度进一步修正测距，提高位置数据的精准度。该技术具有较高的定位精准度和较广的适用范围；因此，具有商业用途的大部分GPS 接收器的设计都应用该类技术。第三类是载波相位差分，该技术的定位精准度相对更高一些，测量结果的精准度可高达厘米级。数据以两个监测站的载波相位为主要来源，经分析得到目标的三维定位，较高实时性和较高准确性等优势。尽管在技术分类中划分出不同的运作方法，但都具有一致的核心基础：经基准站将改正数发送给用户，用户站修正测量值后得到的定位数值精准度相对更高。基准站发送的内容不同则是不同划分方式的主要依据，最后位置数据存在的精准度也各有差异。随着日益发展并完善的差分技术，在定位目标位置数据中不断提高了精准度，也明显减小了误差，可使用户对定位导航的需求大部分能够得以实现，并在交通运输工程中GPS 的应用范围将日益扩大。

2 桥梁检测中GPS 差分定位技术的应用

2.1 GPS 差分定位技术的优势

相对于传统桥梁监测技术而言，GPS 差分定位技术具有较为突出的优势。若有障碍物遮挡两个检测点之间区域将不能进行监测，增大了检测工作的难度。GPS 定位无需通视，对目标物位置数据的获得主要采用三维坐标形式。环境条件对GPS 定位只有较小的限制条件，能够实现24 小时不间断的实时监测。

通常情况下，GPS 桥梁监测点在桥梁两侧分布，监测点每侧布置一个。若桥跨较大、墩身较高，可对监测点适当增加。GPS 一般采用混合网布置方式，通信网络系统为GPS 系统提供相应支持，数据控制中心可整合分析源自系统的有关数据。因GPS 差分定位特点可对桥梁变形或位移等问题进行实时观测。若桥梁安全在使用过程中发生各类问题，GPS 观测数据在维修中将发挥重要作用。

2.2 桥梁检测试验中GPS 差分定位技术的应用

桥梁检测采用测量技术应达到厘米级标准，需准备两台接收器分别用于基准站和流动站。基准站主要是对载波相位观测量和监测站坐标进行采集，应用数据链实时发送给流动站。流动站不只是接收基准站载波相位，还要接受导航卫星载波相位，接收完成相关数据后，对数据组成相位差分的观测值进行分析处理，可以获得精确度为厘米级的定位数据信息。该测量技术的主要优点是具有较高精确度，可在大跨度桥梁及特殊结构桥梁等具有较高精准度要求的领域中应用。

3 桥梁检测技术应用的具体实例

某大桥桥长1.3 千米，桥宽28 米。该桥因故停工3 年，现准备复工，因此应检测大桥结构，以提高桥梁施工的安全性。主要采用的设备为电子全站仪和实时动态GPS 接收器。

3.1 测量控制

在桥梁邻近区域设置用于使测量数值提高精确度的平面和高程控制网。平面控制测量计算边长过程中应修正温度、气压等相关气象数据。高程控制测量采用近距离测距方法，在两个高程控制点之间对三角高程测量2 次，线路1.35 千米长，2 次测量存在5 毫米的高差，各点高程通过计算结果就能获得。

3.2 测量放样

在测量放样过程中一般是利用实时动态GPS 接收机，应达到0.5cm+1ppm 的测量精度。放样测量应对参考点进行科学合理地选择提高架设基准站的便利性，使基准站尽量架设在较为空旷的地区，避免附近的建筑物影响测量的实际效果，参考站在较高地形的位置进行架设是最适宜的，能够使信号的传输效果增强。与采样样本附近的实际环境相结合，在河坝上设立相应的基准站，将其位置选定后即可启动，能够实现实时采集载波相位等一些数据，还能进行单点测量，数据由流动站进行接收。利用卫星测得的坐标与位置坐标数据进行计算后得到转换坐标系参数，可转换卫星数据坐标到施工坐标系下而得到设计桩平面位置坐标。现场放样桥墩桩基平面位置，并对相应高程数据进行采集，标记好放样点位并进行编号，便于后续施工。

应用厘米级测量技术明显提高了检测工作效率，也在一定程度上使检测结果明显提高了准确度。应用近距离测距往返三角高程测量方法可达到三四等水准的测量精度。

4 结论

综上所述，GPS 差分定位技术比传统桥梁检测技术拥有更多优点，快速发展的GPS 定位技术有利促进其应用，为相关决策的制定、桥梁工程建设及养护维修创造了有利条件，在桥梁检测中深入开展GPS 差分定位技术的应用研究具有重要价值。