青島海灣大橋gps分級平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

青島海灣大橋gps分級平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

青島海灣大橋（北橋）位于膠州灣。線性起點(diǎn)位于山東省四方區(qū)楊家群，全長33.5公里。它是一座大型橋梁，在全國和世界上是罕見的。由于長度大,海中沒有測量平臺,傳統(tǒng)的測量方法無能為力,必須采用高精度的GPS技術(shù)來完成首級平面控制網(wǎng)測量工作。為了保證大橋順利施工,考慮到橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本平面控制網(wǎng)按《公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求,整個(gè)外業(yè)到內(nèi)業(yè)進(jìn)行了全程監(jiān)理,在技術(shù)上也采取了一系列措施。1網(wǎng)絡(luò)分布和外部行業(yè)觀察1.1內(nèi)標(biāo)布點(diǎn)和施工放樣控制網(wǎng)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)是精度保證的關(guān)鍵工序,經(jīng)甲方、專題承擔(dān)方和監(jiān)理方現(xiàn)場踏勘后,最終按公路GPS一級網(wǎng)建立,共計(jì)布設(shè)15點(diǎn),青島、紅島、黃島三岸各布設(shè)5點(diǎn)。點(diǎn)位要滿足地質(zhì)條件良好,便于保存,既能滿足GPS觀測的需要,又能滿足常規(guī)測量、施工放樣和未來變形監(jiān)測的需要,每個(gè)點(diǎn)至少與網(wǎng)中其它2點(diǎn)通視。首級平面控制網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。為了消除對中誤差,本項(xiàng)目控制點(diǎn)采用高強(qiáng)度的鋼筋混凝土觀測墩。選定點(diǎn)位時(shí)特別考慮了點(diǎn)位附近的環(huán)境及地質(zhì)情況,盡量選擇基礎(chǔ)好的位置,使點(diǎn)位處于丘陵或基巖上。墩頂部埋設(shè)不銹鋼強(qiáng)制對中基盤,為便于未來施工放樣,基盤上需帶有標(biāo)志,作墩面高程點(diǎn)。建成后的觀測墩如圖2所示。1.2網(wǎng)絡(luò)布置及測點(diǎn)布置為納入地方坐標(biāo)系中,與規(guī)劃中相連的公路及橋位附近地形連接,首級網(wǎng)與青島80坐標(biāo)系中的3個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測。GPS觀測共18點(diǎn),其中大橋首級控制網(wǎng)點(diǎn)15點(diǎn),聯(lián)測已知點(diǎn)3點(diǎn)。GPS觀測時(shí)最多采用了9臺Trimble5700GPS接收機(jī),并全部配置大地型天線,以保證GPS接收機(jī)接收信號的強(qiáng)度。安置天線時(shí),所有測點(diǎn)上均將大地型天線上的方向指示箭頭對準(zhǔn)正北方向,消除天線相位中心的誤差。為了保證首級網(wǎng)成果精度,滿足設(shè)計(jì)要求,觀測按優(yōu)于公路GPS一級網(wǎng)(超過10km長的基線觀測要求同國家B級網(wǎng))的精度要求施測(表1)。GPS控制網(wǎng)采用邊連式和網(wǎng)連式進(jìn)行布設(shè),可保證圖形強(qiáng)度。重復(fù)設(shè)站率不小于2,網(wǎng)中每點(diǎn)至少有3條獨(dú)立基線與之相連。每時(shí)段觀測2h,為了提高長邊的基線解算精度和可靠性,并與IGS國際跟蹤站進(jìn)行了聯(lián)測,對涉及長邊的觀測時(shí)段延長了觀測時(shí)間,每時(shí)段觀測12h。為了提高首級控制網(wǎng)的精度,檢核GPS成果的可靠性,采用DI2002測距儀加測了11條邊,并進(jìn)行了相應(yīng)的距離改化,以此與GPS觀測結(jié)果進(jìn)行比對,并作為地面觀測值與GPS觀測值進(jìn)行了聯(lián)合平差。2星歷和gps基本前提基線處理軟件采用美國麻省理工學(xué)院和Scripps研究所共同研制的GAMIT(版本10.05)軟件。該軟件可以解算地面站的三維坐標(biāo)和對空中飛行物定軌,解基線的相對精度能夠達(dá)到10-9左右,是世界上最優(yōu)秀的GPS軟件之一。星歷衛(wèi)星軌道的精度是影響GPS基線解算精度的重要因素之一,因此提高衛(wèi)星軌道的精度是保證GPS相對定位精度的關(guān)鍵之一。該控制網(wǎng)的處理,采用IGS(InternationalGPSServiceforGeodynamics-國際GPS地球動力學(xué)服務(wù))精密星歷,其軌道精度達(dá)到0.05m。如控制網(wǎng)中的邊長為100km,星歷對基線在最不利的情況下影響不超過0.2mm。在基線解算中,需要一個(gè)起算點(diǎn)。起算點(diǎn)的精度將影響基線解算的精度。因此很有必要獲得高精度的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)及監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)。起算點(diǎn)對基線解算的最大影響可以用式(1)表示:δs=0.60×10-4×D×δX1(1)式(1)中δs為對基線的影響,D為基線的長度以km計(jì),δX1為起算坐標(biāo)的誤差。令D=10km,如要對基線的影響小于1cm,則要求起算坐標(biāo)的誤差小于17m。為了獲得基準(zhǔn)站及其它GPS監(jiān)測站的較為精確的地心坐標(biāo),利用GPS跟蹤站,將它們與基準(zhǔn)站及其它GPS監(jiān)測站聯(lián)測,通過解算獲得了高精度的ITRF框架坐標(biāo)。為此,引入全球永久跟蹤站作為GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn),選取的跟蹤站為:SUWN(釜山)、SHAO(上海)和BJFS(北京)。該控制網(wǎng)采用的框架與歷元為觀測期間IGS事后精密星歷所對應(yīng)的框架和瞬時(shí)歷元,即框架為ITRF2000、歷元為2005.1753。觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是保證基線解算精度和可靠性的關(guān)鍵之一。用GAMIT軟件處理時(shí),正確修正觀測數(shù)據(jù)中的跳周和刪除大殘差觀測值的數(shù)據(jù)編輯是GPS數(shù)據(jù)處理中的主要工作。數(shù)據(jù)編輯采用AUTCLN模塊自動進(jìn)行。數(shù)據(jù)編輯工作完成后,生成干凈的觀測數(shù)據(jù)文件(X-文件),用于每時(shí)段基線解算。在完成以上工作的基礎(chǔ)上,從干凈的X文件開始,生成觀測方程和解算基線,得出時(shí)段的解。為了說明精化的必要性,對其中幾條長基線以同樣的精密星歷采用商用TGO軟件也進(jìn)行了解算,結(jié)果參見表2。從表2看出,最大基線分量差達(dá)到了±1cm,這對大橋的高精度要求的影響不可忽視,故對長基線,還是需采用GAMIT等精密解算的結(jié)果為正式結(jié)果。最終解算結(jié)果的同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了技術(shù)設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。3基線出平差及gps網(wǎng)平差的軟件采用武漢大學(xué)GPS工程技術(shù)研究中心研制的GPS商用嚴(yán)密平差軟件PowerAdj4.0。三維平差基準(zhǔn)以3個(gè)IGS點(diǎn),計(jì)算出首級網(wǎng)點(diǎn)某點(diǎn)的坐標(biāo)。二維平差基準(zhǔn)分別在青島80坐標(biāo)系、大橋施工坐標(biāo)系中進(jìn)行。通過對10個(gè)時(shí)段的GPS基線進(jìn)行檢核,從中選擇了45條獨(dú)立基線參加平差計(jì)算。三維最小約束平差點(diǎn)位中誤差均介于±3.4～±4.6mm之間,基線分量的改正數(shù)整體較小(小于6mm),其平均改正數(shù)不到1mm,說明觀測質(zhì)量好,基線解的精度較高。首級網(wǎng)基線的平均相對精度為2.93×10-7,最弱邊相對精度為1.45×10-6。坐標(biāo)分量在水平方向上的平均精度為1.1mm,大地高方向?yàn)?.2mm。最弱點(diǎn)其水平精度為1.2mm,大地高精度為4.4mm。根據(jù)公路GPS規(guī)范,一級網(wǎng)邊長的精度指標(biāo)為:固定誤差為10mm,比例誤差系數(shù)小于1ppm。由此可知,青島海灣大橋(北橋位)GPS網(wǎng)滿足設(shè)計(jì)精度要求。電磁波測距邊與GPS基線結(jié)果較差最小為0.43mm,最大-3.57mm,可見GPS觀測及基線解算精度很高。在大橋施工坐標(biāo)系中的平差結(jié)果顯示,首級網(wǎng)的平均相對精度為1/136萬,最弱邊基線相對誤差為1/31.6萬。控制網(wǎng)點(diǎn)位誤差坐標(biāo)分量及點(diǎn)位中誤差精度情況見表3。4技術(shù)條件優(yōu)勢根據(jù)解算結(jié)果,可得出以下結(jié)論:(1)青島海灣大橋采用最先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)技術(shù)建立首級控制網(wǎng),使用雙頻GPS接收機(jī),用精密星歷解算基線向量,為獲取高質(zhì)量的測量成果提供了技術(shù)保證。(2)對首級GPS控制網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),選點(diǎn)布設(shè)合理,與國家GPS基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了有效的連接,為青島海灣大橋工程提供了永久