【摘要】由于受到多種因素的影響，例如有意使衛(wèi)星頻率漂移和降低軌道精度的美國(guó)SA政策及各種測(cè)量誤差，使GPS定位精度大大降低，較難應(yīng)用于高精度要求的測(cè)量中。如何進(jìn)一步提高定位的精度，使其廣泛地應(yīng)用于各種高精度的重大工程中，正是目前廣大測(cè)繪工作者為之不懈努力的研究目標(biāo)。本研究項(xiàng)目結(jié)合南京長(zhǎng)江二橋特大工程的需要．在高精度GPS定位、GPS控制網(wǎng)、高精度GPS跨江水準(zhǔn)諸多方面進(jìn)行了研究，取得一定成果。
【關(guān)鍵詞】GPS全球定位技術(shù)
高效率 高精度 全天候
一、前言
1993年美國(guó)國(guó)防部24顆GPS工作衛(wèi)星相繼發(fā)射成功，從而建成由分布在
6個(gè)軌道平面內(nèi)GPS衛(wèi)星組成的GPS工作星座。隨著美國(guó)政府宣布解密衛(wèi)星的部分導(dǎo)航電文而供民間使兩，由于GPS全球定位技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、快速、精度均勻、不受天氣、時(shí)間和通視條件限制等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪、天文、導(dǎo)航、通訊等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)物的結(jié)晶。該技術(shù)的應(yīng)用，使測(cè)繪科學(xué)發(fā)生了根本性的變革，GPS衛(wèi)星定位的基本理論及其進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用，已逐步成為測(cè)繪學(xué)科最為重要的內(nèi)容和任務(wù)。
二、概述
南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋全長(zhǎng)2958m，主橋?yàn)橹骺?28in的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，此跨徑在同類型橋梁中居國(guó)內(nèi)第一，世界第三。南、北塔高195.41m，由于橋體高大，橋型結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)小于±5mm；高程應(yīng)小于±10mm；斜拉索套筒的定位精度（平面、高程）應(yīng)小于±5mm；索塔垂直度應(yīng)小于1/3000；在斜拉橋橋面無索區(qū)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(gè)高精度的控制網(wǎng)是關(guān)鍵。
在進(jìn)場(chǎng)之前，1997年已由長(zhǎng)江水利委員會(huì)布設(shè)國(guó)家二等三角網(wǎng)和水準(zhǔn)網(wǎng)，但由于地基沉降及橋墩出水造成不通視，控制網(wǎng)需定期復(fù)測(cè)及加密控制點(diǎn)，常常需集中人力、物力，耗時(shí)3～4周，工作量很大，影響日常工作。
南汊江面寬1400m，江面經(jīng)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(shè)常規(guī)的精密控制網(wǎng)。因此，GPS高精度控制網(wǎng)的建立和高精度過江水準(zhǔn)的傳遞，把兩岸有機(jī)地聯(lián)系成一個(gè)系統(tǒng)是整個(gè)工程的關(guān)鍵之一。
三、GPS測(cè)量的誤差分析
GPS測(cè)量中出現(xiàn)的各種誤差按其來源大致可分為三種類型：
l.與衛(wèi)星有關(guān)的誤差
主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響和相對(duì)論效應(yīng)的影響等；
2．信號(hào)傳播誤差
因?yàn)镚PS衛(wèi)星是在距地面2000km的高空中運(yùn)行，GPS信號(hào)向地面?zhèn)鞑ナ且?jīng)過大氣層，因此，信號(hào)傳播誤差主要是信號(hào)通過電離層和對(duì)流層的影響。此外，還有信號(hào)傳播的多路徑效應(yīng)的影響；
3.觀測(cè)誤差的接收設(shè)備的誤差
通常可采用適當(dāng)?shù)姆椒p弱或消除這些誤差的影響：如建立誤差改正模型對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正，或采用適當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法等。由于衛(wèi)星的誤差不能為測(cè)量人員控制，因此GPS定位中，我們主要研究和分析信號(hào)傳播誤差、觀測(cè)誤差等。
（1）信號(hào)傳播誤差對(duì)定位的影響
a．電離層折射的影響
由大氣物理學(xué)研究可知，電磁波經(jīng)過電離層時(shí)，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(dǎo)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(jī)減少電離層延遲；
③用兩個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)求差也可削弱電離層延遲的影響。
b．對(duì)流層折射的影響
可采用；
①根據(jù)實(shí)測(cè)地區(qū)氣象資料利用模型改正，能減少對(duì)流層引起的延遲達(dá)92％～93％；
③當(dāng)基線較短時(shí)，利用基線兩端同步觀測(cè)求差，可以更好地減弱影響。
（2）多路徑效應(yīng)的影響
為減少多路徑效應(yīng)影響，在安置天線時(shí)，應(yīng)盡量避開強(qiáng)反射物，另外采用防多路徑無線。
（3）天線相應(yīng)中心的位置偏差
在野外觀測(cè)時(shí)，要求天線要嚴(yán)格對(duì)中、整平，同時(shí)還要將無線盤上方向標(biāo)指北（偏差在3°～5°之內(nèi)）。
四、該研究項(xiàng)目主要的創(chuàng)新特色
（l）在高精度GPS控制同優(yōu)化的研究中，提出了多目標(biāo)二次規(guī)劃設(shè)計(jì)的新方法，根據(jù)逼近準(zhǔn)則矩陣的理論建立目標(biāo)函數(shù)，實(shí)施控制網(wǎng)優(yōu)化。該方法可適用于不同類型的同。與現(xiàn)有控制網(wǎng)優(yōu)化的方法相比，克服和彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的缺陷，在理論和方法上有創(chuàng)新，且具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
（2）研究和分析了電高層及對(duì)流層折射影響、多路徑效應(yīng)、觀測(cè)誤差、整周模糊度的快速解算，探討了快速解算的最佳時(shí)間長(zhǎng)度，以使解算結(jié)果精度高且穩(wěn)定可靠；還研究了GPS同起算點(diǎn)的優(yōu)化選取，進(jìn)行了不同等級(jí)起算點(diǎn)兼容性分析。
（3）高精度GPS過江水準(zhǔn)研究提出GPS高程抗差擬合推估的新處理方法，通過選權(quán)、選代，減低已知擬合點(diǎn)的粗差對(duì)平差的結(jié)果，克服了單純的擬合參數(shù)法的缺陷。
五、南京長(zhǎng)江二橋高精度GPS測(cè)量的應(yīng)用
1.平面首級(jí)控制網(wǎng)簡(jiǎn)介
平面網(wǎng)共9個(gè)點(diǎn)，最大邊長(zhǎng)1927m，最小邊長(zhǎng)224.5m（見圖1），高程網(wǎng)也包括9個(gè)點(diǎn)。
2.儀器
選用三臺(tái)Z12型由ASHTECH公司生產(chǎn)的雙頻GPS接收機(jī)。
3.GPS外業(yè)觀測(cè)
外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)定位模式。衛(wèi)星高度角不小于15°，PDOP值小于6，采樣間隔為20s，觀測(cè)時(shí)間采用90min，僅用了2d時(shí)間完成外業(yè)觀測(cè)工作。
4.觀測(cè)成果平差分析
GPS觀測(cè)處理的基線首先進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維平差計(jì)算，采用HHGPPS的自由平差功能。現(xiàn)將平差結(jié)果與已知點(diǎn)坐標(biāo)差列于表1。
GPS測(cè)量結(jié)果與二橋三角測(cè)量及水準(zhǔn)成果進(jìn)行比較知，二級(jí)GPS測(cè)量方法可以達(dá)到國(guó)家二等平面測(cè)量精度。GPS高精度處理方法得當(dāng)?shù)那闆r下，也可達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)的精度。
5.效果綜述
由湖南路橋與河海大學(xué)共同研究的課題"高精度GPS全球定位技術(shù)在特大橋中的應(yīng)用"，經(jīng)在南京長(zhǎng)江第二大橋首級(jí)控制網(wǎng)中應(yīng)用后，取得了較好的效果。
該控制網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)滿足了南京長(zhǎng)江第二大橋高精度的施工要求，為二橋工程高速、優(yōu)質(zhì)的建設(shè)提供了保證。從對(duì)已竣工的索塔驗(yàn)收檢測(cè)資料可以看出：索塔線條平順光滑，與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。南、北塔通過江蘇省質(zhì)監(jiān)站最后交工驗(yàn)收，評(píng)定分為創(chuàng)記錄的97.6分。已完鋼箱梁吊裝施工，無索區(qū)鋼箱梁軸線偏差為±lmm，高程偏差為±2mm，由于質(zhì)量?jī)?yōu)良、工程進(jìn)展順利，受到了國(guó)務(wù)院、交通部、江蘇省交通廳、業(yè)主、監(jiān)理及社會(huì)各界人士的高度評(píng)價(jià)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，被江蘇省評(píng)為1999年優(yōu)質(zhì)工程。
實(shí)踐證明，高精度GPS定位技術(shù)應(yīng)用在特大橋首級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量中．具有高效率、高精度、全天候、無需通機(jī)等特點(diǎn)，這是常規(guī)測(cè)量中無法比擬的。因此，利用該技術(shù)可以節(jié)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(zhì)量。所以其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見的，相信該技術(shù)具有推廣意義。
六、結(jié)論與建議
通過研究和應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
（1）GPS測(cè)量技術(shù)用于高精度工程控制網(wǎng)，需根據(jù)工程的需要確定點(diǎn)位精度，然后根據(jù)點(diǎn)位精度要求選定相應(yīng)的GPS等級(jí)。
（2）對(duì)于橋梁工程，一般面積不大，但精度要求較高，應(yīng)盡量減少對(duì)中誤差，應(yīng)建造強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。
（3）數(shù)據(jù)處理過程中，嚴(yán)格的基線評(píng)定，對(duì)發(fā)現(xiàn)、剔除粗差，提高成果的質(zhì)量具有重要的意義。
（4）在觀測(cè)合理、處理方法得當(dāng)?shù)那闆r下，二級(jí)GPS測(cè)量方法可以達(dá)到國(guó)家二等平面測(cè)量精度，GPS高程精度也可達(dá)到二等水準(zhǔn)的精度。
參考文獻(xiàn)
［1］劉基余，李證航.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用.北京：測(cè)繪出版社，1993
［2］錢天爵．瞿學(xué)林．GPS全球定位系統(tǒng).北京：海軍出版社，1989
［3］王昆杰，王躍虎等.衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué).北京：測(cè)繪出版社，1990
［4］賈沛璋，朱證桃.最優(yōu)估計(jì)及其應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，1984
