摘要：通過寧德特大橋控制網測設實例，論述了應用GPS測量建立跨海灣大橋平面施工控制網的精度設計、外業觀測、數據處理等方面的全過程及特點。提出了幾點在實際運用GPS測量的體會和建議。
　　關鍵詞：GPS測量，大橋控制網，精度設計，外業實施，數據處理
　　一、工程實例概況
　　自2004年以來，隨著國家大規模建設鐵路客運專線的開始，全國各地都在修建鐵路客運專線，這些客運專線建成后，將形成我國將來的高速鐵路系統，由于新建的客運專線一般都要求時速在250km以上，它的質量標準要求非常高，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標段施工任務，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，溫福端位于漳灣鎮蔣沃村，福州端在寧德市天坪崗村進入筆架山隧道，橋梁跨越整個寧德海灣，其橋梁大部分位于寧德海灣中，海灣寬度有6km左右，在海灣內無法布設點位，控制網布設存在很大困難，用常規測量方法無法輕松實現。我們選用GPS進行測量控制。
　　二、GPS測量控制網的設計
　　GPS測量與常規測量工作相似，按照GPS測量實施的工作程序可分為以下三個階段：技術設計、外業實施、數據處理。GPS測量是一項技術復雜、要求嚴格的工作，實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計、精心組織與實施。
　　2.1GPS控制網的精度等級設計
　　GPS施工控制網的等級應根據橋梁長度和精度要求等來確定，根據《全球定位系統(GPS)鐵路測量規程》（TB10054-97）的規定，橋軸線長度超過2000m時，GPS網應按照B級網施測。其相鄰點間基線精度用式1表示。
　　式1
　　式中：——距離中誤差（mm）
　　——固定誤差（mm）
　　——比例誤差系數（mm）
　　——相鄰點間距離（km）
　　根據式1，B級網的相鄰點間基線精度規范要求a<8mm、b<1mm/km。
　　2.2基準設計
　　GPS測量獲得的是GPS基線向量,它屬于WGS—84坐標系的三維坐標差,而實際需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標。因此需要結合當地位置和有關規范規定,進行GPS網的基準設計。根據大橋的具體情況，坐標系統采用鐵路通用的北京54坐標系。由于大橋位于東經119°35′、北緯26°30′左右，且方向與經線方向大致平行。故采用高斯3°帶投影，中心經度為120°。經計算其長度變形為19mm，能滿足長度變形不能大于25mm的規范要求。
　　2.3GPS控制網的布設
　　控制網的布設時，為了組成最強的圖形，由相連的三個大地四邊形組成，寧德海灣的兩岸各布設了4個點，要求同岸側的4個點相互之間必須通視，點位間間距不大于1000m，且為保證對衛星的連續跟蹤觀測和衛星信號的質量，要求點位上空應盡可能的開闊，在10～15°高度角以上不能有成片的障礙物,在點位周圍約200m的范圍內不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發射設施、高壓輸電線、高層建筑、成片水域等。GPS控制網一共由8個點組成，其網形簡圖如圖1：
　　
　　圖1寧德特大橋控制網簡圖
　　三、外業實施
　　外業觀測采用三臺Timble5700雙頻GPS接受機,它的標稱精度可達5mm±1ppm,滿足精度要求。在精度和網型確定好后，就要進行外業觀測，制定作業計劃。明確需要觀測那些基線，怎樣觀測能提高GPS網的效率、可靠性等指標？總的原則為，為了保證網的整體性和內符合度，先確定N1-N4-B1-B4為框架網點，后測定其余點相互及與框架點關系。具體做法為，先選取同步觀測環，由于只有三臺接收機，則三點為一同步環，共確定8個同步觀測環，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,既免去費時費力的繞過海灣來回搬站，提高了作業的效率，又能具有足夠的多余的獨立基線，每點至少有五條基線相連，保證網的可靠性。需要詳細說明的，GPS網的可靠性是指網發現和抵御粗差能力，可靠性就是整網的多余獨立基線數與總的獨立基線數的比值，即：
　　
　　其中：
　　為多余的獨立基線數
　　為總的獨立基線數
　　通過上面同步環的選取，可以得到網中總的獨立基線為16條，多余的獨立基線數為9條，則網的可靠性為0.56。
　　為提高網的精度和檢核起算數據，用徠卡TCA2003全站儀精密測量了N1-B4、N4-B4兩邊的邊長。
　　三、數據處理
　　GPS接收機采集的是接收機天線相位中心至衛星發射中心的偽距、載波相位和衛星星歷等數據，而不是常規測量技術所測的地面點間的相對位置關系量(如邊長、角度、高差等)。因而要想得到有實用意義的測量定位成果，需要對采集到的數據進行一系列的處理。GPS測量數據處理是指從外業采集的原始觀測數據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軟件計算。
　　3.1基線處理
　　在進行基線解算時，首先用軟件讀取原始的GPS觀測值數據。開始解算前需要對觀測數據進行必要的檢查，檢查的項目包括：測站名、點號、測站坐標、天線高等。軟件對觀測值進行各種模型改正，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，基線結果并不能馬上用于后續的處理，還必須對基線的質量進行檢驗，基線的質量檢驗需要通過比率、RMS、參考方差、同步環閉和差、異步環閉和差和重復基線較差來進行（具體數值見表1）。只有質量合格的基線才能用于后續的處理，如果不合格，則需要借助觀測值殘差圖對GPS觀測值進行剔除處理，剔除那些殘差較大和周跳嚴重的時間段的觀測值，觀測時間很短的衛星觀測值也需剔除，數據的剔除率不得大于10%，若解算還不合格，則需補測直至基線合格。

　　注：σ為相應等級規定的精度；n為閉合環的邊數
　　表1基線精度指標
　　3.2平差計算
　　基線解算完畢后，即用平差軟件進行平差計算。首先軟件上設置預先設計好的坐標系統，先進行三維無約束平差，GPS網的三維無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行，平差時不引入使得GPS網產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。三維無約束平差能很好的評定GPS網的內部符合精度，發現和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差，反映了GPS網本身的質量好壞，如果平差結果質量不好，則說明GPS網的布設或GPS觀測值的質量有問題。判定三維無約束平差好壞的指標為基線分量的改正數（VΔX、VΔY、VΔZ），改正數的絕對值應小于3σ（σ含義與上同）。
　　在三維無約束平差精度符合要求后，在平面坐標系內進行二維約束平差。需輸入約束點的坐標和其他距離或方位的約束值。約束點的選擇是關鍵，約束點的內符合精度將直接網的平差精度，精度不高的約束點將把網整體進行較大的縮放和旋轉。人為降低網的精度。平差時選擇N1、B4為約束點。選擇這兩點有兩個原因，一是它們是Ⅲ標整體控制網的控制點，為了大橋網與Ⅲ標網相統一。二是經過TCA2003精密測量邊長的校核，兩點相對精度較高，滿足B級網的要求。判定二維約束平差好壞的指標有點位中誤差、相對中誤差、基線分量的改正數，其中基線分量改正數與三維無約束平差結果的同一基線的相應改正數較差的絕對值（dVΔX、dVΔY、dVΔZ）應小于2σ（σ含義與上同）。
　　3.3平差總結
　　經過平差處理后，網中最弱點位中誤差為8mm，平均點位中誤差為4mm，最弱邊相對中誤差1/257515，平均邊長相對中誤差1/732981。精度比常規測量要高許多，且誤差穩定分布均勻。達到B級網要求。大橋測量控制點成果見下表2。

　　表2控制網成果表
　　四、幾點體會
　　在這次布設控制網中，通過用GPS測設控制網，從布設、作業及后期的數據處理中得到一些體會，也是在今后做同樣工作時需要注意的：
　　⑴ GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，只需保證與足夠的基線相連，當精度要求較高時，同一點最好不要少于四條基線，同時應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。
　　⑵ GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業強度，觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受外界條件限制，如B3點的樹木遮擋和N2的高速公路干擾，還有漲退潮的多路徑效應均影響對衛星的觀測及信號的質量，經重測后通過。因此，應嚴格按有關要求選點，合理選擇最佳時段觀測，并適當增加重復設站次數。能顯著提高觀測數據質量。
　　⑶ GPS測量的基線處理是內業處理的最重要一環，需要合理的剔除觀測值數據。
　　⑷ GPS網中的基線數量并不是越多越好，太多時反而會降低精度。且浪費人力物力，在保證網的可靠性的基礎上，盡量減少基線數量。
　　⑸ 約束平差中約束點的選擇，不恰當的約束點會人為降低網的精度，約束點的檢核至關重要。