GPS通信在長大隧道測量中的應(yīng)用

　　GPS通信由于其建網(wǎng)快捷，方便的特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長大隧道的測量工程中。本文以具體工程實(shí)例，介紹了GPS通信的選點(diǎn)與布網(wǎng)設(shè)計(jì)，GPS通信在長大隧道控制測量中的主要問題及解決方法，GPS通信測量數(shù)據(jù)的處理。

　　《光通信研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1975年，是國家光纖通信技術(shù)工程研究中心、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——武漢郵電科學(xué)研究院主辦的光通信方面的專業(yè)刊物，本刊主要刊載光通信領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文、研究成果的技術(shù)報(bào)告、工程設(shè)計(jì)方案、施工及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，綜述國內(nèi)外光纖通信先進(jìn)技術(shù)和有關(guān)理論及最新動態(tài)等。

　　1引言

　　在隧道施工中眾多測量項(xiàng)目中，隧道施工中的線路測量至關(guān)重要。它不僅關(guān)系到隧道是否沿設(shè)計(jì)路線，而且還影響著隧道是否能在允許條件下正確貫通。傳統(tǒng)的隧道控制網(wǎng)建設(shè)中多采用全站儀等設(shè)備，但這種傳統(tǒng)的方法不僅勞動強(qiáng)度高，而且還受隧道內(nèi)能見度的影響。采用GPS通信建立測量控制網(wǎng)，不僅具有快捷的優(yōu)點(diǎn)，而且建網(wǎng)靈活，勞動強(qiáng)度小，受外界干擾小，因而現(xiàn)在被廣泛地應(yīng)用于長大隧道的控制網(wǎng)建立中[1]。

　　2工程實(shí)例論文

　　某高速公路天水境內(nèi)段總長36km，區(qū)段內(nèi)共設(shè)計(jì)3隧道，梁家山隧道、臥牛山隧道、石家山隧道，其全長分別為1700m，2800m，3800m。梁家山隧道為長大隧道，地形屬于山嶺重丘區(qū)，山勢陡峻，植被茂盛，地形條件不好，不適合采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)置。采用傳統(tǒng)布網(wǎng)方法不但勞動作業(yè)強(qiáng)度高、而且難于布網(wǎng)，網(wǎng)形精度也難以保證。因而決定采用GPS通信進(jìn)行布網(wǎng)。

　　3選點(diǎn)與布網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　3.1選點(diǎn)論文

　　選點(diǎn)布網(wǎng)是CPS測量中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，點(diǎn)位的選擇是否正確合理對布網(wǎng)工作的順利進(jìn)行和測量的精度具有重要意義。由于隧道施工采用兩端同時向中間開挖的方法，因此在隧道兩端都需要設(shè)置控制點(diǎn)，經(jīng)過綜合考慮與論證，在隧道兩端分別布設(shè)兩個控制點(diǎn)。在布點(diǎn)時應(yīng)按以下原則布置[2]：

　　1.視野開闊、便于隧道施工控制點(diǎn)加密、天線高度截止角大于15°;

　　2.交通方便、通訊設(shè)施信號良好;

　　3.避開高壓輸電線路、大功率無線電發(fā)射臺等，防止對衛(wèi)星信號產(chǎn)生干擾;

　　4.避開強(qiáng)反射區(qū)域，防止多路徑效應(yīng)的影響;

　　5.地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，利于點(diǎn)位的保存。

　　采用定測D級網(wǎng)成果對隧道控制點(diǎn)進(jìn)行放樣，放樣點(diǎn)納入隧適獨(dú)立控制網(wǎng)進(jìn)行測量、控制，實(shí)現(xiàn)了隧適獨(dú)立控制網(wǎng)與定測D級網(wǎng)的無縫銜接。根隧道的GPS通信控制網(wǎng)利用己有的控制點(diǎn)進(jìn)行相對定位，以邊連接的方式進(jìn)行布設(shè)。實(shí)測GPS通信控制點(diǎn)7個，其中已知點(diǎn)3個，未知點(diǎn)4個，組成多邊異步環(huán)3個，同步環(huán)5個，基線總數(shù)20條，其中必要基線6條，獨(dú)立基線10條，多余基線4條。GPS通信控制網(wǎng)形圖如圖1所示。GPS通信測量采用3臺Legency_E雙頻雙星GPS通信接收機(jī)論文。

　　圖1GPS通信控制網(wǎng)形圖

　　4GPS通信在長大隧道控制測量中的主要問題及解決方法

　　4.1多路徑效應(yīng)的影響論文

　　由于GPS通信信號射到其他物體上會反射到GPS通信接收天線上，因而會對GPS通信信號直接射至GPS通信接收天線上產(chǎn)生直接干擾，這種干擾稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)會造成測量中的誤差，而誤差的大小主要取決于用戶天線抗衡反射波的能力和反射波的強(qiáng)弱。在一般的情況下，多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差可達(dá)5~9cm，在反射波較強(qiáng)的情況下可達(dá)到15cm。大量實(shí)踐證明，觀測值中出現(xiàn)的很多周跳均為多路徑效應(yīng)引起，因而必須削弱多路徑效應(yīng)的影響[3]。

　　在GPS通信選點(diǎn)布網(wǎng)時，要注意避免反射現(xiàn)象，如河道、池塘、山谷、沙灘等地形地貌都會構(gòu)成反射現(xiàn)象，可采取提高天線高度和其他措施，同時也要避免高電磁物體對GPS通信接收信號的干擾。

　　4.2垂線偏差對隧道控制網(wǎng)的影響論文

　　由于隧道多位于山區(qū)，各點(diǎn)的垂線偏差很難準(zhǔn)確測定，致使以垂線為準(zhǔn)的施工測量無法與以法線為準(zhǔn)的GPS通信成果相一致。而隧道在貫通中的精度主要依賴方向觀測的精度，而如何消除或減弱垂線偏差的影響是其關(guān)鍵性的問題。

　　為了保證隧道貫通的精度要求，應(yīng)在GPS通信網(wǎng)的控制下建立導(dǎo)線，導(dǎo)線在空間測量精度為5+1×s(mm)，空間向量方位角測量精度為1″+1″/s。導(dǎo)線測量的方向觀測值變化到工程橢球面上的計(jì)算包括：由法截弧方向化為大地線方向的改正、由于照準(zhǔn)點(diǎn)高程所引起的改正、垂線偏差改正。由于各導(dǎo)線邊較短，由法截弧化至大地線方向的改正，以及方向值由工程橢球面變化至高斯平面的方向變化也可略去。因?yàn)橥队懊婕荷翜y區(qū)平均高度，因而各控制點(diǎn)的大地高不會太大，故由于照準(zhǔn)點(diǎn)高程所引起的改正，可忽略不計(jì)。至此，只剩下垂線偏差改正：

　　(1)

　　式中：和為測站點(diǎn)j處的垂線偏差分量;為ji邊的方位角;為ji邊的高度角。

　　對洞外的聯(lián)系測量，為了減弱垂線偏差對隧道控制網(wǎng)量測精度的影響，可在選點(diǎn)時保證前后視方向的高度角大致為零，即GPS通信聯(lián)測導(dǎo)線邊與定向邊大致水平，這樣可保證使進(jìn)洞方向和橫向貫通誤差受垂線偏差影響產(chǎn)生的改正為零。采用這一方法最簡單，而又有效的，在實(shí)際工作中應(yīng)盡量采用。但由于隧道進(jìn)出口大多處于深山峽谷之中，為提高引向洞內(nèi)的精度，GPS通信定向邊需保持通視且間距不能太短，同時GPS通信點(diǎn)的上空視野要開闊，以保證衛(wèi)星信號的正常收視，故很難在洞口等高面處選擇至少兩個GPS通信點(diǎn)。為解決上述問題，可將GPS通信定向邊移至正洞口外的、與正洞口等高處。而對于洞內(nèi)導(dǎo)線測量，正好滿足觀測角值的垂線偏差為零。

　　5數(shù)據(jù)處理論文

　　5.1粗加工

　　5.1.1原始觀測數(shù)據(jù)的下載

　　一般采用接收機(jī)生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)處理程序均可以直接從接收機(jī)中接收GPS通信原始觀測值數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)處理軟件不能直接處理原始數(shù)據(jù)時，首先要對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最常用的格式為RINEX格式。

　　5.1.2外業(yè)輸入數(shù)據(jù)的修改與檢查

　　檢查項(xiàng)目包括測點(diǎn)號、站名、天線高及測站坐標(biāo)等，其檢查的目的是為避免外業(yè)誤操作。

　　5.2基線向量的解算

　　5.2.1設(shè)定基線解算的控制參數(shù)

　　基線解算的控制參數(shù)用以確定數(shù)據(jù)處理軟件采用何種處理方法來進(jìn)行基線解算，是非常重要的環(huán)節(jié)，通過控制參數(shù)的設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)基線的精化處理。參數(shù)選取方法如下[4]：

　　①衛(wèi)星高度角的選擇：當(dāng)測站一側(cè)的衛(wèi)星信號被遮擋時，需適當(dāng)增大截止高度角，可使觀測衛(wèi)星的分布較為對稱，有助于減少大氣延遲誤差與多路徑誤差的影響。當(dāng)測站周圍比較開闊，截止高度角取15°效果較好。

　　②收斂標(biāo)準(zhǔn)：雙差分為0.0001m，三差分為0.01m。

　　③觀測值粗差排除限制參數(shù)：。

　　④模糊度固定標(biāo)準(zhǔn)：;當(dāng)時，表示本條基線接受的數(shù)據(jù)中存在著不良衛(wèi)星的觀測值，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行人工剔除。

　　⑤RMS指標(biāo)：雙頻<0.02m，單頻<0.03m。

　　5.2.2基線解算

　　基線解算數(shù)據(jù)分析軟件采用Topcon公司生產(chǎn)的Pinnacle軟件，通過該軟件只需對點(diǎn)屬性進(jìn)行定義后，即可對基線進(jìn)行自動處理。當(dāng)基線處理完后，查看基線處理信息，在這里需要查看基線最好的Ratio值及精度RMS值，如果這兩項(xiàng)值沒有達(dá)到精度的要求，則要對本基線邊進(jìn)行刪星、開窗、高度角調(diào)整等操作，對在觀測時段內(nèi)誤差較大的衛(wèi)星進(jìn)行刪除處理。

　　5.3基線向量網(wǎng)平差

　　當(dāng)基線解算合格后，將所有基線邊選中拖入網(wǎng)平差欄，進(jìn)行平差計(jì)算。在這個步驟應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)異步環(huán)、同步環(huán)指標(biāo)的檢驗(yàn)。在梁家山隧道控制測量網(wǎng)中，共有5個同步閉合環(huán)。其中相對誤差小于1×10-6的2個，介于1×10-6-2.5×10-6之間的3個。

　　利用天水境內(nèi)控制網(wǎng)中的SD1、SD2、SD3和SD4作為約束控制點(diǎn)。經(jīng)過平差處理，可得梁家山隧道GPS通信控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)結(jié)果。邊長中誤差最小值為0.3mm，最大值為1.5mm。滿足《公路全球定位系統(tǒng)(GPS通信)測量規(guī)范》中規(guī)定。

　　6結(jié)語

　　采用GPS通信建立長大隧道測量控制網(wǎng)，具有布網(wǎng)方便、勞力強(qiáng)度小、量測結(jié)果精度高、點(diǎn)位精度比較均勻等優(yōu)點(diǎn)。在選點(diǎn)是要注意垂線偏差對隧道控制網(wǎng)的影響，在數(shù)據(jù)處理過程中，要靈活應(yīng)用GPS通信的開窗、刪星等特點(diǎn)，提高點(diǎn)位精度。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]瞿靜庵.GPS通信控制網(wǎng)在長大隧道控制測量中的應(yīng)用[J].甘肅科技縱橫，2010,2：145-147.

　　[2]刑庭松.隧道GPS通信網(wǎng)對貫通誤差的影響[J].隧道建設(shè)，2003,5：60-62.

　　[3]袁德寶.秦嶺隧道群GPS通信控制網(wǎng)的布設(shè)和精度設(shè)計(jì)[J].測繪工程，2009,2：42-45.

　　[4]鄒積亭.GPS通信在南水北調(diào)隧道控制測量中的應(yīng)用[J].工程勘察，2007,7：41-44.