|
【摘要】由于受到多种因素的影响，例如有意使卫星频率漂移和降低轨道精度的美国SA政策及各种测量误差，使GPS定位精度大大降低，较难应用于高精度要求的测量中。如何进一步提高定位的精度，使其广泛地应用于各种高精度的重大工程中，正是目前广大测绘工作者为之不懈努力的研究目标。本研究项目结合南京长江二桥特大工程的需要．在高精度GPS定位、GPS控制网、高精度GPS跨江水准诸多方面进行了研究，取得一定成果。
【关键词】GPS全球定位技术 高效率 高精度 全天候
一、前言
1993年美国国防部24颗GPS工作卫星相继发射成功，从而建成由分布在 6个轨道平面内GPS卫星组成的GPS工作星座。随着美国政府宣布解密卫星的部分导航电文而供民间使两，由于GPS全球定位技术具有经济、快速、精度均匀、不受天气、时间和通视条件限制等优点，该技术日益广泛地应用于测绘、天文、导航、通讯等各个领域，是现代高科技产物的结晶。该技术的应用，使测绘科学发生了根本性的变革，GPS卫星定位的基本理论及其进一步的开发和应用，已逐步成为测绘学科最为重要的内容和任务。
二、概述
南京长江第二大桥南汊桥全长2958m，主桥为主跨628in的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，此跨径在同类型桥梁中居国内第一，世界第三。南、北塔高195.41m，由于桥体高大，桥型结构复杂，施工放样精度要求高，如在索塔施工中，立模的定位精度应小于±5mm；高程应小于±10mm；斜拉索套筒的定位精度（平面、高程）应小于±5mm；索塔垂直度应小于1/3000；在斜拉桥桥面无索区钢箱梁吊装施工中，梁段桥轴线定位精度小于±2mm，等等。如此高的定位要求，建立一个高精度的控制网是关键。
在进场之前，1997年已由长江水利委员会布设国家二等三角网和水准网，但由于地基沉降及桥墩出水造成不通视，控制网需定期复测及加密控制点，常常需集中人力、物力，耗时3～4周，工作量很大，影响日常工作。
南汊江面宽1400m，江面经常有雾，能见度较差，江面船舰来往频繁，江滩满布芦苇杂树，特别是贴近江面视线受大气折光影响极大，难于布设常规的精密控制网。因此，GPS高精度控制网的建立和高精度过江水准的传递，把两岸有机地联系成一个系统是整个工程的关键之一。
三、GPS测量的误差分析
GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三种类型：
l.与卫星有关的误差
主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等；
2．信号传播误差
因为GPS卫星是在距地面2000km的高空中运行，GPS信号向地面传播是要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层和对流层的影响。此外，还有信号传播的多路径效应的影响；
3.观测误差的接收设备的误差
通常可采用适当的方法减弱或消除这些误差的影响：如建立误差改正模型对观测值进行改正，或采用适当的观测方法等。由于卫星的误差不能为测量人员控制，因此GPS定位中，我们主要研究和分析信号传播误差、观测误差等。
（1）信号传播误差对定位的影响
a．电离层折射的影响
由大气物理学研究可知，电磁波经过电离层时，由于折射率的变化所引起传播路径的延迟可以通过以下途径解决：
①利用导航电文中提供电高层改正模型，加以改正，可将延迟影响减少75％；
②利用双频接收机减少电离层延迟；
③用两个观测站同步观测求差也可削弱电离层延迟的影响。
b．对流层折射的影响
可采用；
①根据实测地区气象资料利用模型改正，能减少对流层引起的延迟达92％～93％；
③当基线较短时，利用基线两端同步观测求差，可以更好地减弱影响。
（2）多路径效应的影响
为减少多路径效应影响，在安置天线时，应尽量避开强反射物，另外采用防多路径无线。
（3）天线相应中心的位置偏差
在野外观测时，要求天线要严格对中、整平，同时还要将无线盘上方向标指北（偏差在3°～5°之内）。
四、该研究项目主要的创新特色
（l）在高精度GPS控制同优化的研究中，提出了多目标二次规划设计的新方法，根据逼近准则矩阵的理论建立目标函数，实施控制网优化。该方法可适用于不同类型的同。与现有控制网优化的方法相比，克服和弥补了现有方法的缺陷，在理论和方法上有创新，且具有广泛的应用价值。
（2）研究和分析了电高层及对流层折射影响、多路径效应、观测误差、整周模糊度的快速解算，探讨了快速解算的最佳时间长度，以使解算结果精度高且稳定可靠；还研究了GPS同起算点的优化选取，进行了不同等级起算点兼容性分析。
（3）高精度GPS过江水准研究提出GPS高程抗差拟合推估的新处理方法，通过选权、选代，减低已知拟合点的粗差对平差的结果，克服了单纯的拟合参数法的缺陷。
五、南京长江二桥高精度GPS测量的应用
1.平面首级控制网简介
平面网共9个点，最大边长1927m，最小边长224.5m（见图1），高程网也包括9个点。
2.仪器
选用三台Z12型由ASHTECH公司生产的双频GPS接收机。
3.GPS外业观测
外业观测采用静态定位模式。卫星高度角不小于15°，PDOP值小于6，采样间隔为20s，观测时间采用90min，仅用了2d时间完成外业观测工作。
4.观测成果平差分析
GPS观测处理的基线首先进行GPS网的三维平差计算，采用HHGPPS的自由平差功能。现将平差结果与已知点坐标差列于表1。
GPS测量结果与二桥三角测量及水准成果进行比较知，二级GPS测量方法可以达到国家二等平面测量精度。GPS高精度处理方法得当的情况下，也可达到国家二等水准的精度。
5.效果综述
由湖南路桥与河海大学共同研究的课题"高精度GPS全球定位技术在特大桥中的应用"，经在南京长江第二大桥首级控制网中应用后，取得了较好的效果。
该控制网精度标准满足了南京长江第二大桥高精度的施工要求，为二桥工程高速、优质的建设提供了保证。从对已竣工的索塔验收检测资料可以看出：索塔线条平顺光滑，与设计值比较，南北塔下横梁跨径偏差4mm、中横梁跨距偏差3mm、塔顶跨距偏差仅lmm、垂直度高于l／10000、斜拉索套筒定位精度均满足了工程设计要求。南、北塔通过江苏省质监站最后交工验收，评定分为创记录的97.6分。已完钢箱梁吊装施工，无索区钢箱梁轴线偏差为±lmm，高程偏差为±2mm，由于质量优良、工程进展顺利，受到了国务院、交通部、江苏省交通厅、业主、监理及社会各界人士的高度评价，取得了良好的经济、社会效益，被江苏省评为1999年优质工程。
实践证明，高精度GPS定位技术应用在特大桥首级控制网测量中．具有高效率、高精度、全天候、无需通机等特点，这是常规测量中无法比拟的。因此，利用该技术可以节约大量的人力和物力，减少大量的开支，提高建桥的速度和质量。所以其经济效益和社会效益是显而易见的，相信该技术具有推广意义。
六、结论与建议
通过研究和应用，得出以下几点结论：
（1）GPS测量技术用于高精度工程控制网，需根据工程的需要确定点位精度，然后根据点位精度要求选定相应的GPS等级。
（2）对于桥梁工程，一般面积不大，但精度要求较高，应尽量减少对中误差，应建造强制对中观测墩。
（3）数据处理过程中，严格的基线评定，对发现、剔除粗差，提高成果的质量具有重要的意义。
（4）在观测合理、处理方法得当的情况下，二级GPS测量方法可以达到国家二等平面测量精度，GPS高程精度也可达到二等水准的精度。
参考文献
［1］刘基余，李证航.全球定位系统原理及其应用.北京：测绘出版社，1993
［2］钱天爵．瞿学林．GPS全球定位系统.北京：海军出版社，1989
［3］王昆杰，王跃虎等.卫星大地测量学.北京：测绘出版社，1990
［4］贾沛璋，朱证桃.最优估计及其应用.北京：科学出版社，1984
| 
