GPS控制网在苍岭隧道控制测量中的应用

ＧＰＳ控制网在苍岭隧道控制测量中的应用

【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。介绍台缙高速公路西段苍岭隧道工程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

1. 前言

由中铁十五局集团承建的台缙高速公路西段苍岭隧道工程CS2合同段位于缙云县壶镇浣溪村附近，苍岭特长隧道为本合同段关键、重点工程，隧道围岩类别有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类；隧道最大埋深768.2米，有断层、岩爆、涌水等不良地质现象；隧道最小平曲线半径2600米，最大2800米；纵坡采用人字坡，上坡1.8%，下坡-0.867%；隧道断面为单心圆，净高5.0米；采用沥青混凝土+水泥混凝土复合式路面结构；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，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技术实施苍岭隧道的控制测量。

2. 隧道控制测量的特点

a. 为便于计算施工放样数据，一般采用坐标系。

b. 控制网的基线面为某一高程的重力水准面，而非椭球面，因为网的范围较小，实际工作又将控制网的基线面视为平面。

c. 水平角和距离测量均是以垂线为准，而不是以椭球的法线为准。

GPS控制点布设的原则：

a. 为了使GPS控制点的坐标与隧道设计坐标取得统一，便于计算施工放样数据，直线隧道的中心线上或曲线隧道的每个切线上，均应布设两个GPS控制点；

b. 每一进洞处至少应布设两个相互通视的GPS控制点，为安全起见，最好布设三个控制点，各洞的控制点不要求通视；

c. 为消除或减弱垂线偏差对测设方向的影响，每一进洞处的三个控制点最好位于同一高程面上，在可能的情况下，各洞口控制点之间的高差尽量小一些；

d. 布设的GPS控制点满足良好的接收卫星信号的要求；

e. 各洞口投点宜设在便于施工进洞处，并且要尽可能便于GPS观测，各洞口点间高差不宜太大，距离以在300m 左右为宜，严禁出现长度不足lOOm 的短边。

3. GPS网的布设

3.1 GPS控制测量的前期准备工作

内容包括：提出项目、技术设计、搜集整理测绘资料、检验仪器、踏勘及选点埋石。

注意事项：一般隧道工程GPS控制网为D级网，选点时要保证GPS点位之间至少两两通视，便于相互检核，利于施工引测和放样复核。施工现场附近GPS点位>13个。

3.2 星历预报的重要性

在山区进行GPS作业，由于山坡、石壁、树木的遮挡非常严重，导致可观测卫星较少，卫星几何图形不够理想，视场偏小，部分卫星的整周模糊度难以确定，精度偏低。用一般方法进行星历预报，有时预报可见6颗卫星，但实际上只能有效观测到4颗甚至3颗卫星。在选择最佳观测时段时，需用高等级的PDOP≤6衡量，以获得最佳观测结果。

3.3 布网设计

为保证GPS控制网的精度苍岭隧道GPS控制网布设成空间三角形和空间大地四边形混合网Ⅲ，其中，DO1、D02、D03、D04为控制网约束点。如图1所示：

4. 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:

(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。

(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。

5. 测量方法及使用仪器

苍岭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NGS200 GPS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≤2 mm，采用算术平均值。

(3) 卫星高度截止角≥15?, PDOP值5。

(4) 观测时段长度：5>1 km 时，为80 min；5<1 km 时为60 min。

(5) 信噪比(SNR)在8O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。

6. 数据处理及精度分析

苍岭隧道施工控制测量数据处理采用南方公司的NGS200软件，通过串口接好GPS接收机，设置串口波特率为19200。

6.1 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。

6.2 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1×10-6～2×10-6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。

6.3 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。

6.4 网平差及成果评价

利用南方测绘公司NGS200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。苍岭隧道控制网约束点为ID01和D02，坐标系为自定义标系长半轴为6 378 140 nl，扁率为1／98.3，子施工坐标系，施工平面平均高程取510nl。施工坐午线比例系数为1，原点纬度为25?08′00″，经度为116?48′5″。经过平差处理，得出苍岭隧道洞外GPS控制网平面坐标成果。边长中误差最大为±4n-krn，最小为±2n-krn，相对误差最大为1／69 146，最小为I／1 060 569；平均边长1 109．904 m，相对精度1／353 233，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。

7. 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测量法建立的苍岭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. GPS在工程测量中的应用补充教材．武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.

[2] 周中漠, 易杰军, 周琪． GPS测量原理与应用，北京：测绘出版社，1992.