桥梁首级GPS控制网测量及数据处理

桥梁首级GPS控制网测量及数据处理

[摘要]本文结合桥梁工程实例，介绍了桥梁首级GPS控制网的设计方案及控制点埋设方式，较详细论述了桥梁首级GPS控制网测量过程及数据的处理，对测量成果进行了精度分析，给同类工程带来较大的借鉴价值。

[关键词]GPS控制网 设计 测量 数据处理 精度分析

桥梁是交通运输中的重要组成部分，在国民经济建设与社会发展中占有极其重要的地位。而桥梁首级控制网是桥梁工程设计和施工的重要组成部分，其成果的精度和准确度的高低将直接影响到桥梁建设的成败。如果首级控制网的质量不好将会出现难以收拾的局面，造成无法挽回的重大损失。因此，桥梁的首级控制网在桥梁建设的全过程中起着至关重要的作用。本文结合实例，就桥梁首级GPS控制网测量及数据处理进行相关研究。

1首级GPS控制网的设计方案

某桥梁工程，主桥长813m，主塔高114m，主桥为双塔单索面钢箱梁斜拉桥。

1.1首级控制网设计思路

首级GPS控制网布设方案从初步设计、精度估算，优化设计，均通过严格审查，GPS网的设计思路如下：

由于主桥两段控制点距离较短均小于1km，首级GPS控制网的平均基线长度为6km，其中，最长基线长度约为20.4km，最短基线长度为0.6km。

整个首级控制网的平均距离小于B级GPS控制网的平均距离50km。但考虑大桥施工放样精度要求较高，因此大桥首级GPS控制网的平面测量观测等级按B级观测精度执行。

1.2首级GPS控制网基本精度等级

GPS网点位中误差限差取±20mm。基本精度按相邻点间弦长标准δ衡量。首级GPS网标准差限差指标为：

式中δ为标准差，a为固定误差5；b为比例误差系数，取10-6；d为相邻点间距。网的最弱边边长相对中误差优于1/120000（参照《城市测量规范》2.1.9中二等三角网的最弱边边长相对中误差技术要求）。

1.3已知控制点的选择

考虑到本次控制网的要求观测精度为B级，测区附近高等级控制点GJ10，GJ14，GJ19均为基本点（等级为C级），因此在平面控制测量前对已知控制点进行了检测，检测使用双频GPS接收机对已知控制点间的基线进行测量，其结果与坐标反算的边长进行了比较。

1.4首级控制网精度估算

精度估算取GJ19作为已知点，短基线边取0.6km，模拟计算成果输出了GPS控制网点位中误差成果；平差基线精度成；误差椭圆等。

经GPS网平差，平均长度为5.96km，其中最弱长基线为长度为20.41km，相对边长比例误差为1∶2463000<1/120000；最弱短基线长度为0.58km，相对边长比例误差为1∶293000<1/120000；结果表明，短基线边长中误差小于±5mm，长基线边长中误差小于

±10mm。符合相关规范要求。

2控制点的埋设

4个中线控制点埋设采用深埋钢管基准点，并建造强制归心观测标墩。其余4个点为普通混凝土现浇控制点。

深埋钢管基准点—观测墩地下桩体采用φ 127mm的钢管至稳定的持力层。钢管桩尖制成闭口桩靴，桩尖至可靠硬塑粘性土层，可钻至粘性土层3～5m将φ 127钢管至孔底，上用重锤轻拍使钢管桩尖穿过孔底沉渣并进入粘性土层5～8m。待φ 127钢管至稳定可靠持力层并达到预定深度后，挖坑2～3m深，宽2～3m进行0.5m厚碎土垫层后放十字交叉工字钢固定，并与φ 127钢管焊接。焊牢后，再砌素砼至地表，再灌注素砼至φ 127钢管内。上部桩体采用钢筋笼与钢管相连接以保证控制点的稳定，并与上部标志连接减少因地质条件对控制点的影响。标芯采用不锈钢质强制归心装置以提高仪器对中精度。

3GPS控制网测量及数据处理

首级GPS控制网外业测量严格按有关标准、技术设计书以及测量实施方案进行。关键环节采用高于设计精度的要求进行实施。

3.1首级GPS控制网的外业观测

GPS外业观测均采用标称精度为±（5mm+10-6D）双频GPS接收机按静态模式进行观测。具体执行技术指标要求见表1。

同一时段观测值的剔除率小于5%，保证了数据的正确性和可靠性。

3.2GPS网的数据处理

基线解算采用随机软件将各接收文件转为标准的Rinex文件，基线的解算采用leicaGeo5.0软件进行、星历采用IGS中心提供的事后精密星历。

解算时正确处理了周跳和大气残差等质量较差的观测数据，采用单基线解算模式，数据处理模型为双差固定解。

基线解算后，及时计算了重复边的较差、检验了同步环、异步环闭合差、基线分量的改正数绝对值，使各项精度均符合了《全球定位系统GPS测量规范GPS规范》的要求，即复测基线的长度较差ds两两比较≤ δ，同步环闭合差Wx、Wy、Wz≤ δ，独立闭合环或附合路线坐标闭合差Wx、Wy、Wz均≤ δ，Ws≤ δ。式中：（n为闭合环数），δ基线测量中误差， 。

（1）步环闭合差W的量值分布表见表2。

（2）复测基线较差DS比较表见表3。

通过分析比较，各项数据均符合相关规范及技术设计的要求。

3.3GPS网的平差计算

考虑到设计、施工以及坐标系统统一性坐标系统等各方面原因，本次首级GPS控制网平差方法最终选择采用3个基本点作为已知控制点的情况下加入约束基线边的方法进行平差计算。强制约束基线边采用LeicaTCA2003全站仪进行测量，仪器标称精度：测距精度为（1+1ppm×D）mm，测角精度0.5″；测量时分别对气温气压进行了改正共计测量了2

条基线边。平差计算软件采用武汉大学测绘科学与技术学院开发的GPS平差后处理软件CosaGPSV2000进行3维约束平差，最弱点中误差为±4.3mm，再用leicaGeo5.0等软件进行对算，坐标较差均在毫米级以内。

（1）固定3点加入强制约束边的2维约束平差采用了3个已知点为起算点，并加入两条通视基线边进行约束平差的方法进行2维约束平差计算，起算坐标采用独立坐标系，最弱边边长为574.5785，相对边长比例误差为1/346000，精度较高符合相关规范要求。具体精度统计见表4。

（2）坐标比较与精度评定

①固定3点加入强制约束边与一点一方向平差坐标比较

一点一方向法采用固定一个已知点GJ10，通过两个已知控制点的坐标反算出GJ10-GJ14的方位角为已知方向。起算点坐标系统采用独立坐标系。最弱点中误差为±1.2mm。最弱边边长为574.5785，相对边长比例误差为1/654000，精度较高符合相关规范要求。对固定3点加入强制约束边的平差的坐标与一点一方向平差坐标进行比较，坐标对比最大值为：△X：8mm，△Y：1mm，△S：8.06mm。

②固定3点加入强制约束边与采用3个已知控制点平差坐标比较

采用3个已知控制点对大桥首级GPS控制网进行2维平差。起算坐标采用独立坐标系，最弱点中误差为±3.4mm。最弱边边长为614.2654，相对边长比例误差为1/270000，精度较高符合相关规范要求。对固定3点加入强制约束边与固定3个点平差坐标进行比较，坐标对比最大值为：△X：13mm，△Y：1mm，△S：13.03mm。

③精度评定

由以上数据可以看出首级GPS控制网的布设外部采用3个基本点进行约束平差，保证了其与独立坐标系的衔接精度在2cm之内。B级控制网的布设内部采用强制约束边的方法进行约束平差，保证了其与施工坐标系的衔接精度在1cm之内。

4结束语

综上所述，GPS测量使用高精度双频GPS接收机，活动了高质量的GPS观测成果。通过加入高精度强制约束边进行平差的方法大大提高了主桥区域的控制点精度。同时数据处理使用多种软件进行平差处理，首级GPS网的点位中误差均小于±20mm。点位中误差均在1/3限差以内，成果优良，为主桥施工定位精度提供了保障。

参考文献

[1] 杨一挺.杭州湾跨海大桥首级GPS控制网的设计与施测[J].测绘通报，2005年第10期.

[2] 阳凡林；曾旭平；杨晓滨；周传松；独知行.GPS精密定位技术在青岛海湾大桥首级平面控制网中的应用[J].山东科技大学学报（自然科学版），2006年01期.