GPS控制网在长大隧道控制测量中的应用

　总第215期交　通　科　技

Serial No.215　2006年第2期Transportation Science &Technology No.2Apr.2006

收稿日期:2006201220

GPS 控制网在长大隧道控制测量中的应用

丁冬夏

(中铁十一局集团有限公司　武汉

430064)

摘　要　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。介绍天心山长大隧道GPS 控制网的设计、实施、数据处理方法及精度控制情况等。关键词　GPS GPS 控制网　精度

赣龙铁路天心山隧道全长5490m ,进口位于直线段,出口位于曲线段。进口、出口端各有2个设计控制点,隧道地形属于山岭重丘区,植被发育,由于受地形地貌、通视条件的限制,实施常规控制测量不仅劳动强度大,效率低,更重要的是布网困难,精度难以保证。基于GPS 在控制测量领域具有测量精度高、选点灵活、费用低、全天候作业、观测时间短、自动化程度高的特点,决定采用GPS 技术实施天心山隧道的控制测量。1　布网设计

为保证GPS 控制网的精度,天心山隧道GPS 控制网布设成空间三角形和空间大地四边形混合网[1],其中,D 01、D 02、D 03、D 04为控制网约束点。如图1所示

:

图1　控制网布设点

2

选点要求

为确保GPS 观测质量,提高工作效率,方便

施工测量,隧道GPS 控制网选点时应注意以下几点[2]。

(1)洞口应至少布设3个控制点,尽量等距

等高布设,联系测量时以减弱观测调焦和垂线偏差对进洞连接角的影响[3]。

(2)视野开阔,高度截止角15°以上不得有障

碍物,以便GPS 接收机的安置和卫星信号的接收。

(3)远离强电磁源,周围不应有大面积反射

面,以避免多路效应。

(4)点位埋设要稳固,洞外与洞内测量连接

边的边长不短于300m 。

(5)点位尽量选择在交通便利的地方,并至

少应有两个以上的通视方向,以便用常规手段进行联测和加密。3

测量方法及使用仪器

天心山隧道施工控制测量采用当前GPS 测

量中精度最高的一种方法———静态相对定位法。根据制定的观测方案,将3台GPS 接收机安置在构成同步环的待定点上同时接收卫星信号,直至将所有环路观测完毕。然后进行基线向量的解算和网平差。

控制测量作业时,使用3台国产南方N GS200GPS 接收机,仪器静态定位标称精度±(5mm +2×10-6D )。

在进行GPS 观测时,应注意以下几点。

(1)观测前根据卫星可见性预报,优选最佳

观测时段。

(2)天线高在观测时段前后,从3个方向分

别量取,误差≤2mm ,采用算术平均值。

(3)卫星高度截止角≥15°,PDO P 值<4,接

收卫星数>5。

(4)观测时段长度:s >1km 时,为80min ;

s <1km 时为60min 。

(5)信噪比(SNR )在80左右,越大越好。(6)观测时,不要在天线附近使用对讲机或

移动电话,以减少信号干扰。

4　数据处理及精度分析

天心山隧道施工控制测量数据处理采用南方公司的N GS200软件,通过串口接好GPS接收机,设置串口波特率为19200。

4.1　基线向量处理

首先进行基线向量初始化,然后设置基线向量解算条件,对高度截止角、采样间隔进行设置,选择解算类型。以下设置可以提高基线向量的解算精度。

(1)改变历元间隔　由于GPS机本身和外界干扰产生整周跳变,如卫星被某些障碍物阻断,这时改变历元间隔,可提高基线向量解算精度,改变历元间隔越大,需要的观测时间段就相对越长。

(2)增大高度截止角　增大高度截止角对求解整周未知数与提高成果精度有益,因为所有相应的噪声随卫星的高度截止角增大而降低,但这时要有足够多的卫星参与运算且PDOP值良好(小于4)。

(3)调整有效历元　该参数常用来删除某些卫星的某段质量较差的数据。

4.2　同步环检验

根据自行处理后的基线向量结果,共搜索到11个同步环,其中相对误差小于10-6的5个;相对误差为l×10-6～2×10-6的2个;相对误差为2×10-6～3×10-6的1个;相对误差为3×10-6～4×10-6的2个;相对误差大于4×10-6的1个。

4.3　独立异步环检验

异步环的检查至关重要,是衡量外业观测成果和GPS网内部结构质量的重要指标,它反映了GPS测量总体精度,全网共检查异步环22个,闭合差为0～3×10-6的18个,闭合差为3×10-6～5×10-6的4个。闭合差最小值为0.11×10-6,最大值为4×10-6,平均值为1.52×10-6。

4.4　网平差及成果评价

利用南方测绘公司N GS200软件包进行网平差。在网平差设置中,确定好转换坐标系参数,输入约束点坐标,选择二维约束平差的方式。天心山隧道控制网约束点为D01和D02,坐标系为自定义施工坐标系,施工平面平均高程取510m。施工坐

标系长半轴为6378140m,扁率为1/98.3,中央子午线比例系数为1,原点纬度为25°08′00″,经度为116°48′5″。经过平差处理,得出天心山隧道洞外GPS控制网平面坐标成果。边长中误差最大为±4 mm,最小为±2mm,相对误差最大为1/69146,最小为1/1060569;平均边长1109.904m,相对精度1/353233,最弱边边长137.988m。点位中误差最大为±6mm,最小为±2mm,最弱点点位精度6mm,平均点位精度3.7mm。

平差后,最弱边、最弱点的精度完全满足《新建铁路工程测量规范》(TB10101—99)中规定的各项限差,且点位精度比较均匀。从平差结果可以看出最弱边均出现在短边上。常规边角网中边和角起到基准传算的作用。因此规定边长尽量一致,平差后用最弱边相对中误差作为评定精度的一项重要指标。而在GPS网中,边长无需传算,也就无最弱边之言,只是在短边上,接收机本身的固定误差起了较大影响,造成短边相对长边而言相对精度较低。对施工现场来讲,由于受地形条件的限制,往往造成边长比例相差悬殊。GPS网中的基准点有很强的约束性和复杂性,因此应对最弱相邻点点位中误差和最弱边相对中误差综合考虑,共同衡量GPS工程测量网的精度。

5　结语

使用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。应用GPS测量法建立的天心山隧道施工控制网完全满足《新建铁路工程测量规范》(TB10101-99)中规定的各项要求,且点位精度比较均匀。在平差计算时要注意GPS计算设置,如改变历元间隔、增大高度截止角、调整有效历元等可以提高基线向量的解算精度,也可提高施工控制网点的点位精度。

参考文献

[1]蔡宏翔1GPS在工程测量中的应用补充教材1武汉:

武汉测绘科技大学出版社,1998

[2]周中漠,易杰军,周　琪1GPS测量原理与应用,北

京:测绘出版社,1992

[3]TB10054—97全球定位系统(GPS)铁路测量规程1

北京:中国铁道出版社,1997

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