一、工程實(shí)例概況
自2004年以來，隨著國家大規(guī)模建設(shè)鐵路客運(yùn)專線的開始，全國各地都在修建鐵路客運(yùn)專線，這些客運(yùn)專線建成后，將形成我國將來的高速鐵路系統(tǒng)，由于新建的客運(yùn)專線一般都要求時(shí)速在250km以上，它的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求非常高，對于測量定位要求亦很高。我公司在福建承接了溫福鐵路福建段第Ⅲ標(biāo)段施工任務(wù)，其中有多座特大型橋梁及隧道。其中有座寧德特大橋，全長8456.28m，溫福端位于漳灣鎮(zhèn)蔣沃村，福州端在寧德市天坪崗村進(jìn)入筆架山隧道，橋梁跨越整個(gè)寧德海灣，其橋梁大部分位于寧德海灣中，海灣寬度有6km左右，在海灣內(nèi)無法布設(shè)點(diǎn)位，控制網(wǎng)布設(shè)存在很大困難，用常規(guī)測量方法無法輕松實(shí)現(xiàn)。我們選用GPS進(jìn)行測量控制。
二、GPS測量控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)
GPS測量與常規(guī)測量工作相似，按照GPS測量實(shí)施的工作程序可分為以下三個(gè)階段：技術(shù)設(shè)計(jì)、外業(yè)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理。GPS測量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格的工作，實(shí)施的原則是在滿足精度與可靠度要求下，盡量地減少人力與物力，因此對各階段工作必須精心設(shè)計(jì)、精心組織與實(shí)施。
2.1GPS控制網(wǎng)的精度等級設(shè)計(jì)
GPS施工控制網(wǎng)的等級應(yīng)根據(jù)橋梁長度和精度要求等來確定，根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）鐵路測量規(guī)程》（TB10054-97）的規(guī)定，橋軸線長度超過2000m時(shí)，GPS網(wǎng)應(yīng)按照B級網(wǎng)施測。其相鄰點(diǎn)間基線精度用式1表示。
式1
式中：——距離中誤差（mm）
——固定誤差（mm）
——比例誤差系數(shù)（mm）
——相鄰點(diǎn)間距離（km）
根據(jù)式1，B級網(wǎng)的相鄰點(diǎn)間基線精度規(guī)范要求a<8mm、b<1mm/km。
2.2基準(zhǔn)設(shè)計(jì)
GPS測量獲得的是GPS基線向量,它屬于WGS—84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差,而實(shí)際需要的是國家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)匚恢煤陀嘘P(guān)規(guī)范規(guī)定,進(jìn)行GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)大橋的具體情況，坐標(biāo)系統(tǒng)采用鐵路通用的北京54坐標(biāo)系。由于大橋位于東經(jīng)119°35′、北緯26°30′左右，且方向與經(jīng)線方向大致平行。故采用高斯3°帶投影，中心經(jīng)度為120°。經(jīng)計(jì)算其長度變形為19mm，能滿足長度變形不能大于25mm的規(guī)范要求。
2.3GPS控制網(wǎng)的布設(shè)
控制網(wǎng)的布設(shè)時(shí)，為了組成最強(qiáng)的圖形，由相連的三個(gè)大地四邊形組成，寧德海灣的兩岸各布設(shè)了4個(gè)點(diǎn)，要求同岸側(cè)的4個(gè)點(diǎn)相互之間必須通視，點(diǎn)位間間距不大于1000m，且為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質(zhì)量，要求點(diǎn)位上空應(yīng)盡可能的開闊，在10～15°高度角以上不能有成片的障礙物,在點(diǎn)位周圍約200m的范圍內(nèi)不能有強(qiáng)電磁波干擾源，如大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線、高層建筑、成片水域等。GPS控制網(wǎng)一共由8個(gè)點(diǎn)組成，其網(wǎng)形簡圖如圖1：
圖1寧德特大橋控制網(wǎng)簡圖
外業(yè)實(shí)施
外業(yè)觀測采用三臺Timble5700雙頻GPS接受機(jī),它的標(biāo)稱精度可達(dá)5mm±1ppm,滿足精度要求。在精度和網(wǎng)型確定好后，就要進(jìn)行外業(yè)觀測，制定作業(yè)計(jì)劃。明確需要觀測那些基線，怎樣觀測能提高GPS網(wǎng)的效率、可靠性等指標(biāo)？總的原則為，為了保證網(wǎng)的整體性和內(nèi)符合度，先確定N1-N4-B1-B4為框架網(wǎng)點(diǎn)，后測定其余點(diǎn)相互及與框架點(diǎn)關(guān)系。具體做法為，先選取同步觀測環(huán)，由于只有三臺接收機(jī)，則三點(diǎn)為一同步環(huán)，共確定8個(gè)同步觀測環(huán)，分別為N2-N3-B2、N2-B2-B3、N1-N4-B1、N1-N4-B4、N2-N3-N4、N2-N3-N1、B1-B3-B4、B1-B2-B4,既免去費(fèi)時(shí)費(fèi)力的繞過海灣來回搬站，提高了作業(yè)的效率，又能具有足夠的多余的獨(dú)立基線，每點(diǎn)至少有五條基線相連，保證網(wǎng)的可靠性。需要詳細(xì)說明的，GPS網(wǎng)的可靠性是指網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和抵御粗差能力，可靠性就是整網(wǎng)的多余獨(dú)立基線數(shù)與總的獨(dú)立基線數(shù)的比值，即：
其中：
為多余的獨(dú)立基線數(shù)
為總的獨(dú)立基線數(shù)
通過上面同步環(huán)的選取，可以得到網(wǎng)中總的獨(dú)立基線為16條，多余的獨(dú)立基線數(shù)為9條，則網(wǎng)的可靠性為0.56。
為提高網(wǎng)的精度和檢核起算數(shù)據(jù)，用徠卡TCA2003全站儀精密測量了N1-B4、N4-B4兩邊的邊長。
三、數(shù)據(jù)處理
GPS接收機(jī)采集的是接收機(jī)天線相位中心至衛(wèi)星發(fā)射中心的偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)，而不是常規(guī)測量技術(shù)所測的地面點(diǎn)間的相對位置關(guān)系量（如邊長、角度、高差等）。因而要想得到有實(shí)用意義的測量定位成果，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理。GPS測量數(shù)據(jù)處理是指從外業(yè)采集的原始觀測數(shù)據(jù)到最終獲得測量定位成果的全過程。基本分為基線處理、三維無約束平差、二維約束平差三部分。此次都采用Timble的TGO軟件計(jì)算。
3.1基線處理
在進(jìn)行基線解算時(shí)，首先用軟件讀取原始的GPS觀測值數(shù)據(jù)。開始解算前需要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢查，檢查的項(xiàng)目包括：測站名、點(diǎn)號、測站坐標(biāo)、天線高等。軟件對觀測值進(jìn)行各種模型改正，如對流層改正、電離層改正等，軟件自動解算基線。基線解算完畢后，基線結(jié)果并不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對基線的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，基線的質(zhì)量檢驗(yàn)需要通過比率、RMS、參考方差、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復(fù)基線較差來進(jìn)行（具體數(shù)值見表1）。只有質(zhì)量合格的基線才能用于后續(xù)的處理，如果不合格，則需要借助觀測值殘差圖對GPS觀測值進(jìn)行剔除處理，剔除那些殘差較大和周跳嚴(yán)重的時(shí)間段的觀測值，觀測時(shí)間很短的衛(wèi)星觀測值也需剔除，數(shù)據(jù)的剔除率不得大于10%，若解算還不合格，則需補(bǔ)測直至基線合格。
注：σ為相應(yīng)等級規(guī)定的精度；n為閉合環(huán)的邊數(shù)
表1基線精度指標(biāo)
3.2平差計(jì)算
基線解算完畢后，即用平差軟件進(jìn)行平差計(jì)算。首先軟件上設(shè)置預(yù)先設(shè)計(jì)好的坐標(biāo)系統(tǒng)，先進(jìn)行三維無約束平差，GPS網(wǎng)的三維無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標(biāo)系下進(jìn)行，平差時(shí)不引入使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件，即只固定一點(diǎn)。三維無約束平差能很好的評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差，反映了GPS網(wǎng)本身的質(zhì)量好壞，如果平差結(jié)果質(zhì)量不好，則說明GPS網(wǎng)的布設(shè)或GPS觀測值的質(zhì)量有問題。判定三維無約束平差好壞的指標(biāo)為基線分量的改正數(shù)（VΔX、VΔY、VΔZ），改正數(shù)的絕對值應(yīng)小于3σ（σ含義與上同）。
在三維無約束平差精度符合要求后，在平面坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行二維約束平差。需輸入約束點(diǎn)的坐標(biāo)和其他距離或方位的約束值。約束點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵，約束點(diǎn)的內(nèi)符合精度將直接網(wǎng)的平差精度，精度不高的約束點(diǎn)將把網(wǎng)整體進(jìn)行較大的縮放和旋轉(zhuǎn)。人為降低網(wǎng)的精度。平差時(shí)選擇N1、B4為約束點(diǎn)。選擇這兩點(diǎn)有兩個(gè)原因，一是它們是Ⅲ標(biāo)整體控制網(wǎng)的控制點(diǎn)，為了大橋網(wǎng)與Ⅲ標(biāo)網(wǎng)相統(tǒng)一。二是經(jīng)過TCA2003精密測量邊長的校核，兩點(diǎn)相對精度較高，滿足B級網(wǎng)的要求。判定二維約束平差好壞的指標(biāo)有點(diǎn)位中誤差、相對中誤差、基線分量的改正數(shù)，其中基線分量改正數(shù)與三維無約束平差結(jié)果的同一基線的相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對值（dVΔX、dVΔY、dVΔZ）應(yīng)小于2σ（σ含義與上同）。
3.3平差總結(jié)
經(jīng)過平差處理后，網(wǎng)中最弱點(diǎn)位中誤差為8mm，平均點(diǎn)位中誤差為4mm，最弱邊相對中誤差1/257515，平均邊長相對中誤差1/732981。精度比常規(guī)測量要高許多，且誤差穩(wěn)定分布均勻。達(dá)到B級網(wǎng)要求。大橋測量控制點(diǎn)成果見下表2。
表2控制網(wǎng)成果表
四、幾點(diǎn)體會
在這次布設(shè)控制網(wǎng)中，通過用GPS測設(shè)控制網(wǎng)，從布設(shè)、作業(yè)及后期的數(shù)據(jù)處理中得到一些體會，也是在今后做同樣工作時(shí)需要注意的：
?、?nbsp;GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，只需保證與足夠的基線相連，當(dāng)精度要求較高時(shí)，同一點(diǎn)最好不要少于四條基線，同時(shí)應(yīng)避免短邊，無法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測。
⑵ GPS接收機(jī)觀測基本實(shí)現(xiàn)了自動化、智能化，且觀測時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測質(zhì)量主要受觀測時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點(diǎn)的選定受外界條件限制，如B3點(diǎn)的樹木遮擋和N2的高速公路干擾，還有漲退潮的多路徑效應(yīng)均影響對衛(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，合理選擇最佳時(shí)段觀測，并適當(dāng)增加重復(fù)設(shè)站次數(shù)。能顯著提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
⑶ GPS測量的基線處理是內(nèi)業(yè)處理的最重要一環(huán)，需要合理的剔除觀測值數(shù)據(jù)。
?、?nbsp;GPS網(wǎng)中的基線數(shù)量并不是越多越好，太多時(shí)反而會降低精度。且浪費(fèi)人力物力，在保證網(wǎng)的可靠性的基礎(chǔ)上，盡量減少基線數(shù)量。
?、?nbsp;約束平差中約束點(diǎn)的選擇，不恰當(dāng)?shù)募s束點(diǎn)會人為降低網(wǎng)的精度，約束點(diǎn)的檢核至關(guān)重要。
