论GPS技术在马鞍山特长隧洞洞外平面控制测量中的运用

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摘 要: 简述gps控制测量技术的原理及特点，通过GPS在马鞍山特长隧洞洞外平面控制测量中的应用实例，总结GPS控制测量技术在特长隧洞洞外平面控制测量中的优势。

关键词：GPS；平面控制测量实例

一、GPS简述

1、简述

GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中 。目前，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。 我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。

2、GPS系统组成

GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：

2.1、GPS的空间部分，是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星，卫星重464千克，主体呈圆形，直径1.5米。这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60度。扁心率约为0，周期约为12小时。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗， 最多可见到11颗。

2.2、GPS的控制部分，由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。

2.3、GPS的用户部分，由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

3、GPS的定位原理

GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS 接收机中心（测站点） 的三维坐标。

在1个测站上，原则上观测了3颗卫星，有3个独立卫星的距离观测量就能求解出该测站的空间坐标（X， Y，Z），但由于GPS采用单程测距原理，实际观测的测站至卫星的距离，均含有卫星钟差和接收机钟差同步差的影响，因此，在1个观测站上为了实时求解出X、Y、Z分量和1个钟差参数等四个未知数，就必须至少有4颗观测卫星。

GPS 定位方法的实质，就是根据测量学中的空间距离后方交会定点原理实现的。如图所示，在待测点设置GPS 接收机，在某一时刻同时接收到4颗（或4 颗以上） 卫星S1、S2、S3 、S4所发出的信号，通过数据处理和计算，就可求得该时刻接收机天线中心（测站点） 至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3、ρ4。根据卫星星历可查到该时刻4颗（或3 颗以上）卫星的三维坐标（Xj， Yj，Zj），j＝1，2，3，4，从而由下式解算出接收机的三维坐标（X， Y，Z）：

空间距离方程

1=―[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]

2 =―[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]

3=―[(X3- X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]

4=―[(X4- X)2+(Y4-Y)2+(Z4-Z)2]

……

X、Y 、Z ――测点点位坐标

Xi、Yi、Zi――卫星星历（坐标）

1、 2、 3、4 ――观测所得伪距

4、GPS在平面控制测量方面具有的特点：

4.1测量精度高

GPS基线向量的相对精度一般在~之间，在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm。

4.2选点灵活、不需要造标、费用低

GPS测量，不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。

4.3全天侯作业

在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。

4.4观测时间短

采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1~2个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。

4.5操作简便，观测、处理自动化

采用GPS布设控制网，观测过程和数据处理过程均是高度自动化的。

二、GPS平面控制应用实例

1、工程概况

重庆酉阳钟渤快速通道工程是连接酉阳县新旧县城之间的市政工程项目，线路全长16.642Km，其中马鞍山隧洞由两座基本平行的隧道组成, 两隧洞中线水平间距为34.75 m, 左线隧洞全长4836m,右线隧道全长4845 km。隧道所处的地理位置属山地地形，山高谷深、悬崖峭壁嶙峋、植被茂盛，测区相对高差大。由于受地形条件限制，洞外控制点不易布设，若采用传统测量方法进行隧洞洞外平面控制测量，难度极大，测量时间极长，工作效率极低，并且测量结果不一定能完全满足该特长隧洞测量精度要求。

为了保证马鞍山隧洞洞外平面控制测量的精度，决定采用GPS对其进行平面控制测量。

2、GPS网形设计、埋点

按国家《工程测量规范》GB50026-2007和《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T 18314-2001)要求，马鞍山隧洞全长≤5Km,其平面控制网应采用三等GPS控制测量。

根据重庆酉阳城建公司业主单位提供的设计图纸，进行马鞍山隧洞测区控制点图上布设和网形设计，为便于以后隧洞施工方便准确，本次GPS平面控制网按照“先整体后局部、主次分明、顾及发展”的

原则布网。

重庆酉阳钟渤快速通道工程马鞍山隧洞

GPS控制网布置示意图

2.1.依据设计好的网图，现场实地在马鞍山隧洞进口布设GP16、GP16-1、GP16-2三控制点组成闭合三角形，在其出口布设MLK、DTB、SHZ三控制点组成闭合三角形；配合设计单位提供的隧洞进口端很远处起算点GPS7、GPS9与隧洞出口端很远处起算点LTSK、TSB1，组成平面闭合图形控制网，以增加检核条件，提高网的可靠性。

所有异步环采用边连接形式。

2.2.进、出口所有控制点埋设都稳固可靠，三点间相互通视良好，最短边长为641m,最长边长1529m。

2.3.所有控制点附近无大的功率发射台和高压输电线路以及大的水面等反射面，避开了外部对卫星信号的干扰，防止了多路径效应的影响。

2.4、点间相互高差不大，且天空视野开阔，接收信号良好。

2.5.进洞施工测量联测也十分方便。

3、GPS控制测量作业模式选择

GPS技术普遍使用的作业模式主要有: 静态相对定位、快速相对静态定位、准动态相对定位和动态相对定位。但要建立GPS控制网,只能采用静态相对定位、快速相对静态定位。

由于静态相对定位模式是将两台或多台GPS接收机分别安置在一条或多条基线的两端, 同步观测4 颗以上卫星, 观测时间在60分钟以上，采用这种方法其基线相对定位精度可达到5mm+0.5ppm×D(D为基线长度)，其观测精度与可靠性较高，所以本次GPS测量控制网采用静态相对定位模式。

4、观测前的准备工作

本次三等GPS控制网观测使用四台美国天宝TrimbleR8-2双频双星型接收机（仪器标称精度：5mm+0.5ppm，仪器编号为4906165924、4906165914、4906165890、4852162583），接收机状态良好，其都在当年鉴定全格期内。

4.1、检验校正接收机基座，清除各接收机原有的数据；

4.2、拟定本次各观测时段调度计划及测量人员工作安排；

4.3、提前做好GPS 卫星可见性预报；

准确了解每天通过该地区上空的GPS 卫星、可见卫星数目及编号、卫星高度角、图形强度GDOP（≤6）或PDOP 等，从而制定出最佳观测时段（避开GDOP>6 的时段）。保证观测的正常进行，取得可靠的观测数据。

4.4、做好GPS观测和安全应急预案。

5、GPS外业观测及完成情况

2009年9月21日～25日，我们采用全球定位技术，按三等GPS控制测量要求，用静态相对定位方式对该控制网进行测量。

5.1、观测时，GPS接收机严格对中整平，对中误差不大于0.5mm;观测开始和结束时各量一次天线高，两次差值不大于2mm，并采用两次的天线高读数中数作为计算天线高依据。

5.2、观测的卫星高度角大于等于15°，观测有效卫星数每次都大于5颗。

5.3、考虑到隧洞较长，每时段观测时间为90分钟；数据采样间隔为5秒。

5.4、观测时段内接收机旁不能有人随意走动，更不能重新整平仪器。

5.5、接收机20m范围内不能使用对讲机和手机。

5.6、本次共观测了8 个时段，22 条独立基线所构成4个同步环，16 个异步环，每个控制点重复设站都大于2次。

6、记录

本次GPS控制网测量记录使用GPS接收机自带软件进行。

观测结束后，及时将GPS接收机内的数据传输到计算机，并对点号、时段号、天线高等进行检核。

所有数据传输完后将原始数据备份保存，以防数据丢失。

7、GPS数据处理及注意事项

7.1、本次GPS控制网基线解算，GPS基线网平差、坐标转换、平面网平差均利用天宝GPS软件自动处理。

7.2、注意事项

a、天宝GPS软件自动解算的基线，要检查其是否满足规范要求的精度指标，对基线解算结果不好的基线要单独进行手工解算，通过删减卫星、改变时段、调整卫星高度角、改变卫星历元间隔等方法改善基线解算结果；对于单独解算结果仍不满意的基线，必须在次日进行重测。

B、在GPS数据处理过程中，输入坐标系椭球参数和转换基准后，一定要准确设置控制网坐标高程投影面参数。本次GPS平面控制网坐标高程投影面为马鞍山隧洞进、出口设计平均高程+485m。

8、GPS平面控制网成果精度分析

对采集的GPS 数据进行处理后，其成果精度分析如下：

异步环闭合差:最小值为0.238 ×10- 6 ，最大值为2.12×10- 6，允许值为5×10- 6；

同步环闭合差:最小值为0.173 ×10- 6 ，最大值为2.31×10- 6，允许值为5×10- 6；

最弱点点位误差为0.18 cm ，小于5mm的限差要求。

最弱边相对误差为1/783337，小于1/70000限差要求。

结果表明基线闭合差和平差的精度都完全满足规范和施工的要求。

9、应用实例贯通结果情况

2011年6月5日，马鞍山隧洞右洞准确贯通，经检测，其横向贯通误差为5mm；2011年6月17日，马鞍山隧洞左洞准确贯通，经检测，其横向贯通误差为5mm。

以上两隧洞贯通横向误差均在《规范》限差范围内(隧洞4Km≤L＜8 Km,其横向贯通误差限差为150mm),属于高精度贯通，再次证明用GPS技术建立的马鞍山隧洞洞外平面控制网精确可靠。

三、结束语

1、GPS控制测量要按既定如下流程图组织作业。

2、通过重庆酉阳钟渤快速通道工程马鞍山特长隧洞平面控制网的布设和测量实例说明，GPS 控制测量的发展前景广阔，长隧道采用GPS 技术做洞外平面控制网，其测量精度高，其工作效率和经济效益都远高于常规测量。