GPS在路桥设计中的应用优势研究

李凯

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

0 引言

近年来，随着我国基础设施建设的不断推进，各地区的路桥设计工作也在不断展开，同时，各行各业对路桥设计工作水平也有了更高的要求，为达到这些要求，引入先进技术参与路桥设计工作则至关重要。由此，GPS 技术的应用比例开始稳步提升，由于其自身的优势更加突出，实现了助推路桥设计质量稳步提升的目的。

当然，这项技术的应用仍处于发展阶段，应对其做进一步的探讨研究。

1 GPS 技术概述

GPS 技术主要基于同步卫星的支持加以实现。由于太空中的各个同步卫星设备相对于地面的位置固定，且各个卫星之间的距离和交互角度也基本为定值，因此高空控制系统的稳定性尤为突出，对于确保测量准确度而言极为有利。除了高空部分外，地面部分也配有主控站、注入站和监测站等机构，并将相关信号传输到GPS 技术的应用终端上，实现GPS 技术的实际应用[1，2]。

具体来看，在实际工作中，应用GPS 技术的首要步骤是，获取每颗卫星与测量人员接收终端之间的距离，而后通过多个距离数据，来计算测量人员的具体位置。为获取较为准确的数据，技术人员通常预先查询卫星星历。

当GPS 卫星在工作状态时，会不断发射导航电文，这些电文均以二进制数格式发出，当测量人员接收到这些电文时，通过对比卫星时间和自己的时钟，再排除大气电离层的干扰因素后，即可得到相对较为准确的位置数据信息[3，4]。

2 GPS 技术在路桥设计中的主要应用优势

2.1 不受时间和地点的限制

由于GPS 技术基于高空的同步卫星加以实现，因此其不会受到时间和地点的限制，在任何位置和任何时间均可进行观测，有效克服了传统测量技术受地形影响的局限，在全球任何位置均可进行较为准确的定位，即使是其中有大量障碍物的存在，也不会对定位造成明显的影响[5]。

2.2 不受天气因素影响

相较于常规的测量技术方法，GPS 技术几乎不会受到天气因素的限制，即便是一些能见度极低的暴雨、大雾等恶劣天气下，GPS 定位服务的功能仍然能够正常进行，技术人员仍可在这些不利情况下顺利完成定位、测量和监测等工作。

2.3 定位的实时性更强

在以往的卫星定位测量环节中，其通常需要预先测量多个时间段的时间后才能得到最终的测量结果，这就导致定位环节存在一定的滞后性，对于精确度的影响较为明显。而GPS 技术应用后，以上问题就得到了有效解决。其通过实时获取数据信息来实现实时定位，对于需要准确导航的用户而言，其具有方便、快捷和准确等诸多优点。

2.4 无需通视

在传统的测量技术方法中，为测量两点之间的距离，通常需要做到两点之间的“通视”后才能实现测量环节，一旦测量区域地形较为复杂，则以上步骤难以完成。而GPS 技术的引入，使得这一缺陷得到显著弥补。在GPS 技术视域下，传统测量需要的光学信号被卫星信号取而代之，当测量点接收到卫星传输的返回信号后，即可确定测量点位置坐标，以及两点之间距离的自动计算。

2.5 有效降低测量难度

GPS 技术是近年来新兴的一项测量技术，其相关理念、方法和软硬件设备等均处于不断发展、更新和完善的过程之中。当前，在“互联网+”的时代背景之下，GPS 技术的自动化和智能化发展趋势也更为突出，在应用这些先进装备的过程中，只需布置好仪器，GPS 设备就能够自动完成一系列测量工作，并自动记录测量结果。在测量结束后，工作人员仅需切断电源和整理好器材，即可完成最后的收尾工作。另外，随着微电子器件等的发展，当前GPS 设备的小型化趋势也已较为突出，更具机动灵活性。工作人员不再需要反复在各个测量点之间奔波即可完成任务，有效提高了任务效率[6]。

3 当前路桥设计工作中主要应用的GPS技术

3.1 静态定位技术及其应用

静态定位技术的主要作用是，对路桥工程施工区域所在的地理位置、地质水文条件、工程建设的范围等方面进行准确测量。在实际工作中，为应用这项技术，其主要通过以下几个步骤加以实现：一是在已知坐标的位置上布置第一台GPS 接收机，而后前往需要测量的点位，布置另一台接收机，将两台GPS 接收机同时固定好，避免其发生移动，保持静止状态；二是控制GPS 接收机向GPS 卫星发出请求信号，以获取动态变化的未知点坐标数值，实现对未知点坐标的观测分析，根据以往的经验可知，所得到的坐标值的精确度相对较高；三是在获得准确的未知点坐标后，以此确定路桥工程具体的施工区域，在确保完成路桥建设的前提下，将土地资源占用压缩至最低水平；四是在确定具体范围后，逐步进行地基开挖、施工环境搭设等后续环节，由于已经具备了两个点位的坐标精确值，因此施工单位可从两个点位同时开始进行“两头建设”，这对于提升工作效率也极为有利。整体来看，静态定位技术在当前的长距离路桥工程（特别是跨海大桥等难度较大的工程）中应用更为广泛，能够准确计算出路桥工程实际建设所需的距离长度，这种优势是传统的测量方法所不具备的[7]。

3.2 动态定位技术及其应用

这项技术在路桥工程模拟测试中的应用更为广泛。通过应用动态定位技术，设计中的各种缺陷都将得以明晰，并以此进行针对性的优化改进，进而有效提升路桥设计工作的综合质量。具体来看，动态定位技术的应用可分为以下几个步骤：一是在已知坐标位置的点位安装GPS 接收机，再将GPS 接收机与GPS 卫星相连接，对各个关键节点的坐标值予以实时观测；二是重点对接收到的坐标数据的变化情况进行比较，判断设计方案所存在的问题，再分析如何通过调整坐标值来解决这些问题；三是以数字回声探测技术作为辅助，从而获得更为准确的数据信息，用以绘制更为精确的路桥施工地图，这对于提升施工效率和质量而言更为有利。整体来看，动态定位技术的一个主要特点是，其流动性更为突出，其观测站能够根据实际需要进行流动观测，即使观测值出现较大的波动变化，仍能实现对流动站位置坐标的实时定位。鉴于动态定位技术所具有的这些特点，其对于复杂地区的路桥设计工作更为适宜，能够获得更为精准的外业和内业测量数据信息，在一定程度上避免了实地勘察作业带来的时间和资金成本。

3.3 GPS-RTK 定位技术及其应用

GPS-RTK 可称为GPS 技术模式中的“进阶版本”，其主要是在现有的GPS 技术的基础上，融入RTK 技术所形成的。通过这项技术，即可自动对各个监测站的观测量和载波相位等予以实时的分析处理，再通过求差解算的相关模型算法，最终获得准确的坐标信息。相较于传统的GPS 技术，这项技术的优势更为突出。当这项技术在路桥工程设计中得以实际应用后，单个基准站可以同时为多个用户提供定位服务，从而同时获得更多的关键节点的坐标值，这不仅显著缩短了测量定位时间，使得工作效率显著提升，也有助于降低路桥工程的建设成本。当然，GPSRTK 技术的应用流程也更为烦琐，对于软硬件设备等均有着更高的要求，因此GPS-RTK 技术在实际工作中的应用占比还相对较低，仍处于进一步的研究阶段之中。

4 GPS 技术在路桥工程设计中的具体应用

4.1 对平面点位关系进行高效精准换算

在平面点位关系的计算过程中，主要通过预置的参数方程类算法，对初始的坐标值进行转换，以得到更为精确的坐标数据。即使参考坐标当中存在差异，也可采用这种方式进行计算。显然，通过这种方式，有效减少了外业定位测量工作的复杂程度，更能够确保后期维护相关工作的有序开展。

4.2 实现高度精确的导线定位测量

导线定位测量工作主要基于GPS 静态测量技术加以实现，仅凭具体的GPS 控制点即可逐步计算出所需坐标的数据信息，而后再根据计算结果，对具体的坐标测量值予以确认，实现对导线网的准确布设。相较于各种传统测量模式而言，其精确度和便利性均有显著提升。

4.3 桥位桩基放样

在此环节的GPS 技术应用中，首先通过布置GPS接收机，测量平面控制的关键节点的几个坐标值；而后基于这几个坐标值进行校正，观察各个数值的动态变化情况，当残差小于1cm 后再予以最终的复核，即可完成桥位桩基放样环节。与传统的全站仪测量方式相比，GPS 技术模式下，所应用的控制点位数量更少，且不受到通视条件的约束，其实用性也相对更强。

4.4 高程管控测量

在高程测量中应用GPS 技术后，能够有效突破一些复杂地形条件下传统测量工作模式的局限性，以克服路桥工程设计中普遍存在的一些难题。与传统的高程管控测量工作不同，GPS 技术的应用，有效突破了地形的限制，其卫星信号不会受到山脉和盆地等复杂地形的干扰而出现衰减或失真等情况，确保测量工作仍能正常进行，同时其自动定位精度也相对更高，这也有效规避了人为测量的误差。

4.5 路桥沉降变形监测

由于路桥工程受到外界环境因素的影响而出现沉降问题，因此路桥沉降变形监测一直以来都是提升桥梁设计质量的关键性工作之一，但从以往的经验来看，在过去的工作模式中，通常需要多名工作人员长期观察和记录仪器设备的数据，再对所有观测到的数据进行手动整理和分析计算，这种工作模式不仅极为烦琐，而且准确度也难以得到保证。为克服这种问题，采用GPS 测量技术取而代之，则是一个行之有效的措施。在实际应用中，可利用GPS 设备和静态定位技术，在桥梁上的关键节点布置GPS 定位设备，即可实现对沉降形变情况的实时监测，这种监测的覆盖面更加广泛，且能够实现立体化的监测，与传统的监测方式相比，其效率和准确性也相对更高。

4.6 大比例尺地图测绘

大比例尺的地图（主要是地形图）是路桥工程设计与建设工作所必不可少的一项前置条件，由于各个路桥工程的实际情况不一，因此其对地形图的比例尺的要求各不相同，已有的地形图可能无法满足设计需要，必须对目标区域的地形进行重新测量。从以往的经验来看，传统的勘察和测绘方式，所消耗的时间成本和资金成本都较高，工作任务环节也极为烦琐，且难以保证测量的精确度，为克服这类问题，即可应用GPS 技术进行测绘。针对目标区域的沿线位置，布设若干个GPS 设备，对目标区域停留1～2min，即可实现对目标区域各种数据信息的实时准确提取，并在后续的属性分析和特征分析环节中，获取具体的数据信息，由此即可绘制更为完善的大比例尺地形图，为后续的路桥工程设计工作奠定基础。

5 结语

总而言之，GPS 技术在路桥设计中的应用优势较为突出，其在提高路桥工程设计与建设的效率和质量方面均发挥着至关重要的作用。因此，相关部门应当对这项技术的实际应用予以重视，积极采取各方面的措施来推动GPS 技术应用范围的进一步拓展。同时，在今后的工作中，还需要在现有的基础上不断寻求技术方法的创新，让GPS 技术的优势得以更充分的发挥。