CN114923466B

CN114923466B - 一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法和系统

Info

Publication number: CN114923466B
Application number: CN202210263343.1A
Authority: CN
Inventors: 王坚; 赵佳星; 黎芳; 王朝榉; 何奎志; 李世卓; 胡世润
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2042-03-17
Also published as: CN114923466A

Abstract

本发明提供了一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法和系统，在建设的两段桥梁的相接端的两端分别布设GNSS接收机作为GNSS移动站；根据测设的GNSS基准站在当地坐标系的位置，安置GNSS基准站；根据GNSS移动站和GNSS基准站进行位置监测，将获得的位置信息，进行坐标系转换，转换为当地坐标系；通过将桥梁上的GNSS接收机作为移动站，基于GNSS‑RTK技术确定不同施工阶段桥梁引导中线在当地坐标系的位置。本发明通过将建设中的两端桥梁对接端上设置GNSS接收机作为RTK系统移动站，不需要传统的移动载具作为移动站，方法简洁高效，可以全天候监测，操作简单，定位精度高。

Description

一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法和系统

技术领域

本发明涉及桥梁拼接领域，具体涉及一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法和系统。

背景技术

随着中国既有大跨度桥梁智能化建设的不断完善，桥梁修建速度大大增加，桥梁之间的合拢拼接作为实现道路之间连接和转换的关键节点，其建设的准确度是建设过程中十分重要的因素。现有技术中，采用全站仪技术，测量人员根据施工图给定的路线里程和路线设计中心线的垂直距离计算大地坐标，再通过固定测站点测设角度和距离，使用全站仪放样；或利用横移和转体技术调整桥梁中线偏差等技术方案对桥梁进行实时桥梁中线引导与纠偏。存在工期成本长，人工消耗多，容易受到自然环境的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用GNSS技术进行桥梁中线测量与引导，可以全天候监测，操作简单，定位精度高。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法，包括，

S100在建设的两段桥梁的相接端的两端分别布设GNSS接收机作为移动站；

S200根据测设的GNSS基准站在当地坐标系的位置，安置GNSS基准站；

S300根据所述GNSS移动站和GNSS基准站进行位置监测，将获得的位置信息，进行坐标系转换，转换为当地坐标系；

S400通过将桥梁上的GNSS接收机作为移动站，基于GNSS-RTK技术确定不同施工阶段桥梁引导中线在当地坐标系的位置。

优选的，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机。

优选的，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机。

优选的，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机以及在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机。

优选的，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置多台GNSS接收机。

优选的，所述GNSS接收机为GPS-BDS联合定位接收机，所述GNSS基准站为GPS-BDS联合定位基准站。

优选的，所述坐标系转换通过确定WGS84坐标系和当地坐标系之间的转换参数完成。

优选的，所述移动站通过采集GNSS观测数据和来自于所述基准站的测站信息及观测数据上传至数据云平台，进行实时差分处理得到移动站点坐标，以反馈对桥梁中线进行引导及纠偏。

根据本发明实施例的另一个方面，提供大跨度桥梁中线偏距测量与引导系统，包括，基准站、移动站和数据云平台系统，所述基准站设置于桥梁外稳定开阔区域的高点，所述移动站设置在建设的两段桥梁的相接端的两端，所述数据云平台系统接收所述基准站和所述移动站接收机的卫星数据，并进行实时存储、处理和展示，当监测到所述桥梁中线位置偏离桥梁合拢引导中线时，发出预警并反馈引导桥梁中线纠偏作业。

优选的，所述数据云平台系统包括管理控制中心子系统、数据通信子系统、用户数据中心子系统。

本发明巧妙地将建设中的两端桥梁对接端上设置GNSS接收机作为RTK系统移动站，不需要采用全站仪等技术的多人协同多次测量，也不需要传统的移动载具作为移动站，方法简洁高效，可以全天候监测，操作简单，定位精度高。从而加快桥梁的建设，保证施工的精度，缩短施工周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法示意图；

图2为本发明GNSS接收机安置示意图；

图3为本发明一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导系统架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法，如图1所示。

S100在建设的两段桥梁的相接端的两端分别布设GNSS接收机作为移动站。

在一个实施例中，GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机。由于GNSS接收机所在位置为端部，因此通过GNSS接收机测得的坐标即可确定两段桥梁分别的中线坐标。

在另一个实施例中，GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机。布设图如图2所示，在建设的两段桥梁100的相互对接的一端的两侧分别布设2台GNSS接收机110，总计布置4台GNSS接收机。两段桥梁100上的各自的2台GNSS接收机110分别基于各自桥梁分段的中线对称设置，从而，基于各分段桥梁上的2台GNSS接收机110的坐标位置，可以求出桥梁中线位置。并且，在建设中，标记有既定的桥梁合拢引导中线以作参考，并需要保证各分段桥梁上的桥梁中线位置与桥梁合拢引导中线重合，以完成桥梁对接。

此外，还可以在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机以及在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机，即每段桥梁上各设置3台GNSS接收机。从而可以从两个计算体系去校准验证桥梁中线位置，提高准确性。

此外，还可以在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置多台GNSS接收机，以彼此验证，提高准确性。

其中，布设需要根据当地坐标系布设，当地坐标系是局部地区建立平面控制网时，根据需要投影到任意选定面上和(或)采用地方子午线为中央子午线的一种直角坐标系。在施工过程中，需要精确的当地坐标系以完成施工作业，因此，在建设的桥梁两端分别布设2台GNSS接收机时，需要根据当地坐标系，测设确定桥梁上4台GNSS接收机的位置。

其中，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)利用地面或载体上的接收机，接收到卫星观测与导航数据进行定位，这些数据有伪距、载波和多普勒及卫星基准站天线位置等数据。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

GNSS系统包括GPS、GLONASS、伽利略卫星导航系统(GALILEO)、北斗卫星导航系统(BDS)。

由于北斗系统有量程大，精度高、定位速度快以及适应各种天气条件的优势，并且高精度测定位移自动化程度高，所测三维坐标可以直接存入服务器进行数据分析，延时短，实时性强且可以实现多个站点同步监测。故采用GPS-BDS联合定位基站的增加多余观测量，提升定位精度。

S200根据测设的GNSS基准站在当地坐标系的位置，安置GNSS基准站(未图示)。测设的GNSS基准站在当地坐标系的位置安装在距离施工几公里外的开阔稳定区域的高点，布设在已知点位，GNSS基准站与桥梁两端之间没有遮挡，周围无杂草、树林及其他不利因素。

S300根据GNSS接收机和GNSS基准站进行位置监测，将获得的位置信息，转换为当地坐标系。

由于GNSS接收机接受的位置信息是采用的地心坐标系，而施工采用当地坐标系，GNSS接收机接受的位置信息需要进行坐标转换，需要把GNSS测量的处理结果从WGS84坐标系转换到地方坐标系中，以转换为可用的当地坐标系。

WGS84坐标系采用的椭球为WGS84椭球，因此，必须将GNSS网在WGS84坐标系中的平差坐标转换到属于地方独立坐标系的椭球面(地方独立椭球面)上，而地方独立椭球面必须与测区平均高程面或抵偿高程面(简称为投影面)相贴近，并将高斯投影的中央子午线选在测区中央。这样，才能保持GNSS控制网在高斯平面上的边长与地面实测边长的一致性。地方独立椭球长半径al的计算公式为：al＝a+h0+C，其中，a为WGS84椭球长半径，h0为投影面正常高，C为测区平均大地水准面差距，由EGM96模型计算求得。

GNSS控制网在WGS84平差坐标转换到地方独立椭球面上可分两种情况来计算：当WGS84平差坐标为大地坐标时，可按式(1)计算；当WGS84平差坐标为空间直角坐标时，可按式(2)计算。

式中，B，L，H为GNSS网点在WGS84坐标系中平差所获得的大地坐标，Δa为地方独立椭球长半径与WGS84椭球长半径之差：Δa＝a_l-a，a和e为WGS84椭球的长半径和第一偏心率。

式中，X，Y，Z为GNSS网点在WGS84坐标系中平差所获得的空间直角坐标，b_l为地方独立椭球的短半径，e′为WGS84椭球的第二偏心率。在对GNSS网中所有点的WGS84平差坐标进行上述转换后，按选定的测区中央子午线计算高斯坐标，再在高斯平面上进行平移、旋转变换，最终获得属于地方独立坐标系的坐标成果。

实际中，大多商业化GNSS数据处理软件都具备上述坐标系转换功能，因此，只要确定了地方独立椭球的长半径，就可以利用GNSS后处理软件的坐标系转换功能实现WGS84平差坐标向地方独立坐标系的转换。

或者，通过确定WGS84坐标系和当地坐标系之间的转换参数，亦可进行WGS84与当地坐标系之间的转换。可以采用GNSS静态测量方法求解坐标转换参数，将GNSS-RTK测量的WGS84坐标系坐标转换为桥梁当地坐标系坐标。

S400确定不同施工阶段桥梁引导中线在当地坐标系的位置。

最后，利用GNSS-RTK技术，通过在建设的两段桥梁相接端的两端布设GNSS接收机的方法可以实时监测桥梁的坐标以计算其中线，通过与设计图的中线进行实时偏差对比，来对桥梁进行监测。其中，RTK(Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

GNSS基准站上的GNSS接收机观测得到卫星数据，通过数据通信链(无线电台或网络通信)实时将卫星数据发送出去，而位于附近的移动站GNSS接收机在对卫星观测的同时，也接收来自基准站的电台信号，通过对所收到的信号进行实时处理，给出GNSS接收机的三维坐标，并估算其精度。GNSS基准站通过通讯链路向两段桥梁各自两端分别布设的2台GNSS接收机发送差分改正数据，2台GNSS接收机接收差分改正数据并进行差分定位，并以此来监测桥梁两端的中线位置。当监测到两段桥梁的中线不同步时，或者某一段桥梁中线偏离桥梁合拢引导中线时，发出预警并反馈引导桥梁中线纠偏作业，以使两段桥梁中线与既定的桥梁合拢引导中线重合。

本发明通过GNSS-RTK技术，在桥梁上的GNSS接收机作为移动站，通过采集GNSS观测数据和来自于基准站的测站信息及观测数据上传至数据云平台系统，进行实时差分处理得到移动站点坐标，移动站和基准站之间主要通过电台或数据网络方式进行通信，对桥梁中线进行引导及纠偏，RTK技术使用了GNSS的载波相位观测量，并利用了基准站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位，理论上其精度可以达到1厘米左右。

本发明实施例的另一个方面，提供一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导系统，包括基准站、移动站和数据云平台系统。数据云平台系统包括管理控制中心子系统、数据通信子系统、用户数据中心子系统。

系统管理控制中心是整个网络RTK系统的核心，网络RTK体系是以系统管理控制中心为中心节点的星形网络，其中各基准站是网络RTK系统网络的子节点，系统管理控制中心是系统的中心节点，主要由内部网络、数据处理软件、服务器等组成，通过ADSL、SDH专网等网络通信方式实现与基准站间的连接。系统管理控制中心具有基准站管理、数据处理、系统运行监控、信息服务、网络管理、用户管理等功能。

数据通信子系统由多个基准站与管理控制中心的网络连接和管理控制中心与用户的网络连接共同组成。网络RTK系统运行需要大量的数据交换，因此需要一个高速、稳定的网络平台即数据通信子系统。数据通信子系统建设包括两方面：一是选择合理的网络通信方式，实现管理控制中心对基准站的有效管理和快速可靠的数据传输；二是对基准站资源的集中管理，为用户提供一个覆盖本地区所有基准站资源的管理方案，实现各基准站、管理中心不同网络节点之间的系统互访和资源共享。

用户数据中心子系统一般安置于管理中心，其功能包括实时网络数据服务和事后数据服务。用户数据中心所处理的数据可分为实时数据和事后数据两类。实时数据包括RTK定位需要的改正数据、系统的完备性信息和用户授权信息。事后数据包括各基准站采集的数据结果，供用户事后精密差分使用；其他应用类包括坐标系转换、海拔高程计算、控制点坐标。

GNSS基准站上的GNSS接收机观测得到卫星数据，通过数据通信链(无线电台或网络通信)实时将卫星数据发送出去，而位于附近的移动站GNSS接收机在对卫星观测的同时，也接收来自基准站的电台信号。数据云平台系统接收GNSS基准站和移动站GNSS接收机的卫星数据，并进行实时存储、处理和展示，当监测到两段桥梁的中线不同步时，发出预警并反馈引导桥梁中线纠偏作业。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法，其特征在于，包括，

S100在建设的两段桥梁的相接端的两端分别布设GNSS接收机作为GNSS移动站；

S400通过将桥梁上的GNSS接收机作为移动站，基于GNSS-RTK技术确定不同施工阶段桥梁引导中线在当地坐标系的位置；

其中，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机；

或者，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机；

或者，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机以及在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机，

或者，所述布设GNSS接收机为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置多台GNSS接收机；

所述移动站通过采集GNSS观测数据和来自于所述基准站的测站信息及观测数据上传至数据云平台，进行实时差分处理得到移动站点坐标，以反馈对桥梁中线进行引导及纠偏。

2.如权利要求1所述的大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法，其特征在于，

所述GNSS接收机为GPS-BDS联合定位接收机，所述GNSS基准站为GPS-BDS联合定位基准站。

3.如权利要求1所述的大跨度桥梁中线偏距测量与引导方法，其特征在于，

所述坐标系转换通过确定WGS84坐标系和当地坐标系之间的转换参数完成。

4.一种大跨度桥梁中线偏距测量与引导系统，其特征在于，包括，基准站、移动站和数据云平台系统，

所述基准站设置于桥梁外稳定开阔区域的高点，

所述移动站设置在建设的两段桥梁的相接端的两端，

所述移动站通过采集GNSS观测数据和来自于所述基准站的测站信息及观测数据上传至所述数据云平台系统，进行实时差分处理得到移动站点坐标，以反馈对桥梁中线进行引导及纠偏；

所述数据云平台系统接收所述基准站和所述移动站接收机的卫星数据，并进行实时存储、处理和展示，当监测到所述桥梁中线位置偏离桥梁合拢引导中线时，发出预警并反馈引导桥梁中线纠偏作业；

其中，所述移动站为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机；

或者，所述移动站为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机；

或者，所述移动站为在建设的两段桥梁的相接端的两端的端部中线位置上各设置一台GNSS接收机以及在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置2台GNSS接收机，

或者，所述移动站为在建设的两段桥梁的相接端的两端的中线对称位置上各设置多台GNSS接收机。

5.如权利要求4所述的大跨度桥梁中线偏距测量与引导系统，其特征在于，

所述数据云平台系统包括管理控制中心子系统、数据通信子系统、用户数据中心子系统。