GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨.doc

GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨
GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨

摘要：GPS(全球定位系统)是信息产业技术时代的新兴科技产物。它具备精度高、测量准确、速度快，效率高等实用性特点，并被广泛应用在诸多产业化研究领域，如国防军事、工程测绘，大地测量，隧道工程等。基于GPS测量法建立的施工测量控制网具有精度高、布网方便等优点, 总的来说，GPS系统应用在隧道测量作业中,它的优势发挥彰显无遗。并且随着国家各领域科研事业的技术成果的不断完善，诸如一些高等级、高程长大隧道也就越多，用传统常规的测量方法已经很难满足其测量需求了，而GPS自由的优势及测量特点的发挥，已经使得它广泛受用在公路、铁路等交通事业领域中问。而像一些国家重点隧道工程显然早已应用了GPS系统，如秦岭隧道、军都山隧道、云台山隧道等工程中都运用了GPS系统中的强大测量技术，为国家与社会带来了巨大社会效益与投资价值。由于隧道工程一般处在山区，山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。隧道口的控制点至少两点通视的要求很难实现，所以需要制定出解决控制点间通视的方案。
关键词：GPS 全球定位系统 特长隧道 控制测量

1 GPS的组成部分及原理
GPS是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
1.1 空间部分
空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。在地球上的任何地面位置、任何时间都可观测到四颗以上的卫星。
1.2 地面监控部分
地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站对地面监控部实行全面控制，主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站的主要任务是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
1.3 地面用户GPS信号接收设备
GPS卫星所发送的信号，可供无限多用户共享，用户只需要接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备（即GPS信号接收机），就可以全天候用GPS信号进行导航定位测量，GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出运动（或静态）载体的位置、速度、高度、运动方向、时间等三维参数。
1.4 GPS 定位原理
GPS 定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图l.1 所示,在待测点Q 设置GPS 接收机。在某一时刻同时接收到3颗(或3 颗以上)卫星S1,S2,S3 所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心(测站点)Q 点的三维坐标。【7】

图1.1 定位原理图
2 GPS控制测量的优点
相对于常规测量来说．GPS 测量主要有以下特点:一是测量精度高,在小于50km的基线上,其相对定位精度可达10-6m,在大于l 000 km 的基线上可达10-8;二是测站间无需通视,GPS 测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便;三是观测时间短,在进行GPS 测量时,静态相对定位每站仅需20min 左右,动态相对定位仅需几秒钟;四是仪器操作简便,目前GPS 接收机自动化程度越来越高, 观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数, 接收机即可进行自动观测和记录;五是全天候作业,GPS 卫星数目多,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响; 六是提供三维坐标,GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。【7】
3 特长隧道控制点布设原则
隧道工程的山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。为了此工程的前期设计以及后期的施工方便．首先需要建立出首级的控制网。在前期的设计当中。考虑到通视、行走、工期等各方面的原因影响着施工进度，另外。为了提高施工的测量精度，特长隧道工程必定采用GPS测量技术。
对于GPS控制点的布设原则如下。
1)为了让GPS的控制点的坐标与隧道的设计坐标能够统一，方便在施工期间计算放样的数据．在曲线隧道的每一个切线之上或者是在直线隧道的中心线之上．都应该布置两个用于测量的GPS控制点。
2)在每一个隧道的进洞口都应该布置上至少两个能够相互进行通视的控制点．如果出于对安全的考虑。则最好设置三个点，而各个洞的控制点则不要求能够进行通视。
3)为了减弱或者是消除因为垂线偏差而对测设方向所带来的影响，在每一个进洞口最好是在同一高程面之上设置一个控制点，在条件允许的情况下．各个洞口的控制点之间应尽最缩小其高差。
4)对于GPs控制点的布置．需要满足对于卫星信号良好的接受要求。【1】
4 GPS在特长隧道控制测量中的应用
为保证隧道的准确贯通，本着先总体后碎步的原则，在隧道沿线建立一精密的控制网，覆盖所有隧道，使之总体受控，以便根据它进行隧道的洞内控制测量或中线测量。本项目是在每隧洞口布设三—四个GPS定位网点，由具有甲级测绘资质的成都测绘院布设观测，满足隧道洞口控制要求。在洞外GPS定位网的基础上，根据洞口施工情况于洞口设置1—2个洞口投点作为洞外、洞内的联系测量，洞口投点和洞外GPS网点组成小三角形或大地四边形进行边角测量，并达到一级边角网的精度要求，以提高地下网精度，洞口投点作用是将洞外控制网与洞内控制网连成一体，统一到同一个坐标系内。根据隧道掘进进度向洞内布设中线或导线网进行洞内控制，保证隧道顺利贯通，短小隧道适用于中线法控制，长大隧道适用导线网控制。【8】
5 控制网数据处理流程及坐标基准的建立
5.1 控制网数据处理流程
隧道GPS控制网观测数据一般按图5.1流程进行处理。

5.1 GPS测量数据处理与平差流程
5.2坐标基准的建立
线路勘测控制点精度一般不能满足长大隧道横向贯通精度的要求，为了提高长大隧道的贯通精度，必须在精度较低的线路控制网基础上建立高精度隧道施工控制网。为保证隧道施工独立坐标系放样隧道线路中线与隧道进出口采用勘测设计坐标系放样线路中线之间的衔接精度，通过采用“一点一方向”引入控制网起算数据的原则建立长大隧道独立坐标系，由于线路控制点和隧道独立控制网之间的精度差异形成的连接误差主要体现在线路纵向，这样可以避免受较低等级的线路定测控制网精度的影响。选择起算基准时，应先对隧道洞外线路勘测设计控制点进行全面复测，确认所选控制点精度满足线路控制精度，并且稳固可靠。在隧道进出口各选一个线路控制点，以其中一个作为固定点，该点与另一点之间的坐标方位角为固定方向进行约束平差，投影面根据测区投影变形宜选择抵偿高程面。【8】
6 文献对我的帮助
我的论文题目是GPS技术用于特长隧道控制网建立的应用探讨，预备论点是用于隧道口投点的GPS控制点间不通视的解决方案探讨。通过对下载文献的浏览，我的论文会以GPS的组成及原理的简单介绍开始论述。接下来，通过与传统控制测量相比较，阐明GPS控制测量的优点。然后，再根据特长隧道工程的特点，探讨一下特长隧道工程控制点的布设原则。再下来，就是接合某个特长隧道工程实例，说明GPS测量技术在特长隧道工程中的应用过程。再接下来就是论述GPS控制网数据处理流程及坐标基准的建立最后，就是论述我的论点——用于隧道口投点的GPS控制点间不通视的解决方案探讨。由于隧道工程一般处在山区，山上树木较多、地形相对复杂、无论是通视还是行走都不方便。隧道口的控制点至少两点通视的要求很难实现，所以需要制定出解决控制点间通视的方案，进而引出我的论文论点。我的参考文献都是与我论文相关的论文或科技报告，为我论文的完成奠定了数据基础，并将发挥了指导作用。

参考文献

【1】汪洋兵，刘磊，段文贵 GPS系统在隧道测量中的应用探讨 湖北省地球物理勘察技术研究院
【2】杨国兴 GPS应用于布测长大隧道控制网的研究 长江三峡技术经济发展有限公司向家坝监理部
【3】段杰 大地四边形在隧道洞口投点控制测量中的应用 上海嘉金高速公路发展有限公司
【4】郭志强 基于GPS的秦岭特长隧道控制测量技术研究 中铁十八局襄渝二线工程指挥部
【5】钟发牯 彭武隧道施工控制测量方案设计 江西省第一测绘院
【6】吴钧 全球定位系统(GPS)在公路特长隧道控制测量中的应用 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院
【7】王增学 如何提高GPS在工程测量应用中的精度 深圳市工勘岩土工程有限公司
【8】隧道施工控制测量方案 中交第一公路工程局有限公司
【9】李 峰 特长隧道高精度GPS施工控制网建立方法 山西省工程测绘院
【10】王守彬，李林，王新洲 雪峰山特长隧道平面控制测量基准的建立 中交第二公路勘察设计研究院
【11】韩有文 应用GPS技术的某特长隧道平面控制测量方法研究 青海省第二测绘院
【12】肖建洋 GPS技术在隧道测量中的应用研究 广州轨道交通建设监理有限公司
【13】赵铁怀 GPS技术在关角特长隧道控制测量中的应用 中铁一院集团甘肃铁道综合工程勘察院有限公司
【14】李贵兵 隧道工程施工中GPS测量技术的应用探讨 贵州省有色地质勘查局二总队
【15】赵佳楠，谯生有 石林特长隧道洞外GPS施工控制网建立探讨 中铁一局集团第五工程有限公司
【16】Chris Rizos Precise GPS Positioning Prospects and Challenges School of Geomatic Engineering The University of New South Wales Sydney NSW 2052, AUSTRALIA
【17】Sameet Mangesh Deshpande Study of Interference Effects on GPS Signal Acquisition July 2004
【18】Zhao Wanqiang,GaoBo,Lin Anlin,Guangdu synthetical environmental effect analysis of tunnel portal engineering Southwest Jiaotong University
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