GPS通信在長大隧道測量中的應用

　　GPS通信由于其建網快捷，方便的特點，現已廣泛應用于長大隧道的測量工程中。本文以具體工程實例，介紹了GPS通信的選點與布網設計，GPS通信在長大隧道控制測量中的主要問題及解決方法，GPS通信測量數據的處理。

　　《光通信研究》(雙月刊)創刊于1975年，是國家光纖通信技術工程研究中心、光纖通信技術和網絡國家重點實驗室——武漢郵電科學研究院主辦的光通信方面的專業刊物，本刊主要刊載光通信領域的學術論文、研究成果的技術報告、工程設計方案、施工及維護經驗，綜述國內外光纖通信先進技術和有關理論及最新動態等。

　　1引言

　　在隧道施工中眾多測量項目中，隧道施工中的線路測量至關重要。它不僅關系到隧道是否沿設計路線，而且還影響著隧道是否能在允許條件下正確貫通。傳統的隧道控制網建設中多采用全站儀等設備，但這種傳統的方法不僅勞動強度高，而且還受隧道內能見度的影響。采用GPS通信建立測量控制網，不僅具有快捷的優點，而且建網靈活，勞動強度小，受外界干擾小，因而現在被廣泛地應用于長大隧道的控制網建立中[1]。

　　2工程實例論文

　　某高速公路天水境內段總長36km，區段內共設計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，山勢陡峻，植被茂盛，地形條件不好，不適合采用傳統測量方法進行控制網布設置。采用傳統布網方法不但勞動作業強度高、而且難于布網，網形精度也難以保證。因而決定采用GPS通信進行布網。

　　3選點與布網設計

　　3.1選點論文

　　選點布網是CPS測量中的一項基礎性工作，點位的選擇是否正確合理對布網工作的順利進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置控制點，經過綜合考慮與論證，在隧道兩端分別布設兩個控制點。在布點時應按以下原則布置[2]：

　　1.視野開闊、便于隧道施工控制點加密、天線高度截止角大于15°;

　　2.交通方便、通訊設施信號良好;

　　3.避開高壓輸電線路、大功率無線電發射臺等，防止對衛星信號產生干擾;

　　4.避開強反射區域，防止多路徑效應的影響;

　　5.地面基礎穩定，利于點位的保存。

　　采用定測D級網成果對隧道控制點進行放樣，放樣點納入隧適獨立控制網進行測量、控制，實現了隧適獨立控制網與定測D級網的無縫銜接。根隧道的GPS通信控制網利用己有的控制點進行相對定位，以邊連接的方式進行布設。實測GPS通信控制點7個，其中已知點3個，未知點4個，組成多邊異步環3個，同步環5個，基線總數20條，其中必要基線6條，獨立基線10條，多余基線4條。GPS通信控制網形圖如圖1所示。GPS通信測量采用3臺Legency_E雙頻雙星GPS通信接收機論文。

　　圖1GPS通信控制網形圖

　　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通信接收天線上產生直接干擾，這種干擾稱為多路徑效應。多路徑效應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弱。在一般的情況下，多路徑效應產生的誤差可達5~9cm，在反射波較強的情況下可達到15cm。大量實踐證明，觀測值中出現的很多周跳均為多路徑效應引起，因而必須削弱多路徑效應的影響[3]。

　　在GPS通信選點布網時，要注意避免反射現象，如河道、池塘、山谷、沙灘等地形地貌都會構成反射現象，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的影響論文

　　由于隧道多位于山區，各點的垂線偏差很難準確測定，致使以垂線為準的施工測量無法與以法線為準的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鍵性的問題。

　　為了保證隧道貫通的精度要求，應在GPS通信網的控制下建立導線，導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。導線測量的方向觀測值變化到工程橢球面上的計算包括：由法截弧方向化為大地線方向的改正、由于照準點高程所引起的改正、垂線偏差改正。由于各導線邊較短，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。因為投影面己升至測區平均高度，因而各控制點的大地高不會太大，故由于照準點高程所引起的改正，可忽略不計。至此，只剩下垂線偏差改正：

　　(1)

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

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

　　5數據處理論文

　　5.1粗加工

　　5.1.1原始觀測數據的下載

　　一般采用接收機生產廠商提供的數據處理程序均可以直接從接收機中接收GPS通信原始觀測值數據，當數據處理軟件不能直接處理原始數據時，首先要對數據格式進行轉換，最常用的格式為RINEX格式。

　　5.1.2外業輸入數據的修改與檢查

　　檢查項目包括測點號、站名、天線高及測站坐標等，其檢查的目的是為避免外業誤操作。

　　5.2基線向量的解算

　　5.2.1設定基線解算的控制參數

　　基線解算的控制參數用以確定數據處理軟件采用何種處理方法來進行基線解算，是非常重要的環節，通過控制參數的設定，可以實現基線的精化處理。參數選取方法如下[4]：

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

　　②收斂標準：雙差分為0.0001m，三差分為0.01m。

　　③觀測值粗差排除限制參數：。

　　④模糊度固定標準：;當時，表示本條基線接受的數據中存在著不良衛星的觀測值，應當進行人工剔除。

　　⑤RMS指標：雙頻<0.02m，單頻<0.03m。

　　5.2.2基線解算

　　基線解算數據分析軟件采用Topcon公司生產的Pinnacle軟件，通過該軟件只需對點屬性進行定義后，即可對基線進行自動處理。當基線處理完后，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，如果這兩項值沒有達到精度的要求，則要對本基線邊進行刪星、開窗、高度角調整等操作，對在觀測時段內誤差較大的衛星進行刪除處理。

　　5.3基線向量網平差

　　當基線解算合格后，將所有基線邊選中拖入網平差欄，進行平差計算。在這個步驟應進行檢驗異步環、同步環指標的檢驗。在梁家山隧道控制測量網中，共有5個同步閉合環。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。

　　利用天水境內控制網中的SD1、SD2、SD3和SD4作為約束控制點。經過平差處理，可得梁家山隧道GPS通信控制網的平面坐標結果。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(GPS通信)測量規范》中規定。

　　6結語

　　采用GPS通信建立長大隧道測量控制網，具有布網方便、勞力強度小、量測結果精度高、點位精度比較均勻等優點。在選點是要注意垂線偏差對隧道控制網的影響，在數據處理過程中，要靈活應用GPS通信的開窗、刪星等特點，提高點位精度。

　　參考文獻：

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

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

　　[3]袁德寶.秦嶺隧道群GPS通信控制網的布設和精度設計[J].測繪工程，2009,2：42-45.

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