GPS技术在隧道控制测量中的应用研究

摘要:现GPS已广泛应用于各个行业，如公路、水运、铁路、隧道控制测量及国防建设等各个域当中。文章首先介绍了GPS的工作原理及其优势，接着以一具体的工程实例来阐述如何在隧道工程当中运用GPS的技术来进行隧道控制测量，最后针对GPS在隧道控制测量中的应用体会进行了总结。

关键词:GPS 技术 隧道控制测量 应用研究

中图分类号： P228 文献标识码： A

0.引言

隧道是组成我国公路运输的一个重要部分，隧道洞外控制网测量是保证洞内施工的精准性及安全性直接关系着整个公路建设的安全性和经济效益，同时也与广大施工人群的生命财产安全有着密切联系，所以在对隧道进行施工前一定要做好隧道控制测量。传统的隧道控制测量方法主要是三角测量法及精密导线法[1]，但是这些方法受外部条件的影响较大，因此现在多使用GPS技术。

1.GPS的工作原理及优势

全球定位系统由三部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部份和用户部分。GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持系统的正常运转。地面监控站跟综GPS卫星，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后，再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。用户则用GPS接收机来测定从接收机至GPS卫星的距离，三维运动速度和钟差等参数。[2]

传统的隧道控制测量方法在使用的过程当中受到如地形、地貌、通视条件等外部环境的影响较大，不仅不利于平面观测，而且也不利于控制网点的选择，同时还会影响控制网的布设，由GPS工作原理可知GPS技术则不会受这些因素的限制。相比于传统的测量方法，在隧道控制测量过程当中应用GPS技术主要具有以下优势：

第一，不需要观测站之间的相互通视。GPS技术所要求的通视要求相对较低，这不但大大减少了测量成本，而且有效节约了作业时间，同时还可依照施工的具体需求来选择点位，使测绘工作更加方便灵活。

第二，定位精度更高。通常而言，若隧道的基线处50km以内，那么使用GPS技术的作业精度可保持在1×10-6-2×10-6之间[3，而且随着时间的不断增加，其对精度的控制会越来越准确，相比于传统的测绘方法，其对精度的控制显然更高，这也是传统测绘方法无法比拟的。

第三，观测时间更短。传统的观测主要是采取静态定位方法，其主要是根据某条基线的定位时间，同时依照不同的精度控制指标来实施作业，通常其观测时间处1h-3h之间。但是，与现所使用的定位短基线方法比较，其观测时间还比较长。而使用GPS技术其观测时间仅几分钟就可达到与静态定位法同样的观测效果。

第四，三维坐标更精准。为提高隧道控制测量的作业效率，GPS不但提供了直观的观测结果，而且其也提供了三维坐标，在平面位置利用三维坐标可使其测量结果更加精准，同时还可提供更加准确的大地高程，而这不但有利于对不规则的形状进行研究，而且还为测量作业地面点高程提供了更好的方法。

第五，操作简便。相比于传统测绘方法所使用的仪器，由于多数都使用计算机，因此GPS系统的重量较轻、体积较小，而且其测量流程相对简便，这在很大程度上减少了测量工作人员的劳动强度。

第六，可实现全天候作业。GPS可进行24h连续、不中断地观测，其受自然气候因素、时间及地点的影响非常小，可随时随地进行观测。

2.GPS在隧道控制测量中的应用实例

2.1工程概况

某高速公路全长35km，区段内共设3隧道，其长度分别为1600m、2500m、3700m。其中第2隧道处山岭重丘区，其地势陡峭、地形复杂且植被茂盛、行走困难，再加上其工程复杂、工期较紧，因此选择利用GPS技术进行控制网的布设。

2.2GPS在隧道控制测量中应用的主要问题及解决方法

GPS在隧道控制测量中应用的主要问题有两点：第一点是受到多路径效应的影响。所谓多路径效应是指GPS在发射信号时由于有物体阻挡而使发射出去的信号又反射到GPS的接收天线上，从而干扰了GPS信号直接发射到GPS的接收天线上。多路径效应所造成的误差大小由反射波的强弱及用户天线的抗反射波能力决定。一般来说，多路径效应所造成的误差可达5-9cm,若遇高反射，其误差可达15cm。实践证明，观测值当中出现很多周跳都是多路径效应所造成的，由此可以看出，多路径效应会在很大程度上影响GPS隧道控制的精准度。因此在进行GPS选点时，要尽量避免产生反射现象的地方，如河道、池塘、沙滩、山谷等，也可根据实际情况将天线高度提高或采取其他抗干扰措施，此外还要注意电磁影响，要尽量远离大功率发射台以减少对GPS接收信号所产生的干扰。第二点是受垂直偏差的影响。通常来说，隧道都是位于山区的，使得垂线的偏差难以测定准确，而这就使得以垂线为标准的施工测量结果无法匹配以法线为标准的GPS成果。隧道的贯通精度主要取决于方向观测的精度，因此必须消除或减少因垂直偏差而产生的影响。为提高隧道贯通的精度，在利用GPS系统的同时还要建立导线。建立导线时从测量方向观测值到计算工程椭球面主要包括垂线偏差的改正、因照准点高程而引发的改正、因法截弧方向至大地线方向的改正。因投影面已达测区的平均高度，因此各控制点的大地高程不会相差很大，因此因照准点高程而引发的改正可忽略，另因导线边较短，故因法截弧方向至大地线方向的改正也可忽略，这样就只剩下垂线偏差的改正：，其中与为测站点的垂线偏差分量；为导线边的方位角；为导线边的高度角。为尽量减少垂线偏差所造成的影响，可在进行选点时尽量使前后视方向高度角为零。

2.3GPS控制网的布设

在利用GPS技术进行控制网的布设主要包括两个步骤：第一步，选点。选点是利用GPS技术进行隧道控制测量的基础工作，所选择的点位是否正确不仅会对布网工作是否能顺利进行造成直接影响，而且还会影响所测量的数据的精准性。根据此隧道工程的具体情况，由于其采取的是由两端同时开工逐渐向中间开挖的施工方式，因此必须在隧道两端同时设置相应的控制点，经分析与论证，最终决定在隧道两端同时分别设置两个控制点。第二步，布网。选好网点之后就可开始布网。布网需要遵循以下四个原则：(1)视野开阔、便于施工，天线高度截止角不得低于15°；(2)交通便利、通讯信号良好；(3)远离高压线及大功率发射台等，以免干扰卫星信号；(4)远离强反射区，以免受多路径效应影响；(5)稳定地面基础，有效保存点位。放样隧道控制点可选择使用定测D级网成果来进行，放样点输入隧适独立控制网当中以便于进行测量及控制，同时也便于将隧适独立控制网与定测D级网联系起来。根据隧道的GPS控制网结合当前的控制点以进行定位，控制网的布设可采取边连接的方法。此隧道工程的GPS控制点的实际布设可见图1。

图1 GPS控制点布设

2.4数据处理

数据处理主要包括三点：第一点，数据的粗加工。一般来说，使用接收机生产厂商所提供的数据处理系统都可将GPS的原始观测值数据进行接收，若不能处理则需要将数据格式转换为RINEX这种最常用的数据格式。另外防止外业误操作，还要对数据进行检测，包括测点号、站点名、天线高度和测站的坐标等。第二点，处理基线向量。首先初始化基本向量，然后对基线向量的条件进行设置，同时设置高度截止角及采样间隔并选择类型，这些设置都可在一定程度上使解算精度得以提高。处理基线向量可采取的方法有三种：(1)将历元间隔进行改变；(2)加大高度截止角；(3)将有效历元进行调整。最后基线，在此可使用Pinnacle软件，在定义好相关属性之后系统将会自动解算基线向量。第三点，网平差。基线解算结果合格之后，将所有的基线边都拖入网平差菜单栏当中以计算平差。在进行此步骤时还要同时检验异步环及同步环指标。本案隧道工程同步闭合环5个，2个其误差不大于1×10-6，3个其误差处1×10-6-2。5×10-6之间。选取GPS控制网中的SD1、SD2、SD3及SD4等当作约束控制，经平差处理便可得到第二段隧道GPS控制网的平面坐标。导线边长当中误差最大的为1.5mm，误差最小的为0.3mm，与《公路全球定位系统测量规范》中的规定相符。

3.结语

利用GPS技术进行测量控制网的建设不但更加快捷，而且其具有相当大的灵活性，受外界环境的影响较小，同时其所需劳动强度相对较低。但是在具体的应用过程当中，因隧道通常处山区，而GPS观测要求对空通视，受地形条件的影响较大，因此必须重视GPS点位的选择，同时在对数据进行处理时，要灵活运用GPS的特殊优势，以将点位的精度提高。

【参考文献】

[1]吴红跃.GPS系统在测绘中的应用探讨[J].科技致富向导.2012(03),pp.316+414

[2]李征航、黄劲松GPS测量与数据处理武汉大学出版社2010年9月第2版

[3]田超.谈GPS在科学研究及测绘工程技术的应用[J].科技创新导报.2014(01),pp.15+17

简介：李仕春（1977-），男，籍贯：湖南省涟源市，职称：测绘工程师，学历：本科，主要研究方向：公路隧道测量。