畢業(yè)論文---gps在隧道施工測量中的應用與研究

1、<p>　　GPS在隧道施工測量中的應用與研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))是英文“Global Positioning System”的字母縮寫GPS的簡稱。是隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展而興起的以衛(wèi)星為基礎的無線電導航、定位技術。能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。GPS衛(wèi)星定位測量是利用GP

2、S系統(tǒng)解決大地測量問題的一項空間技術。本文描述了GPS在國內和國外的發(fā)展以及在國內存在的問題，GPS的空間組成、工作原理和GPS的特點以及GPS在隧道測量中的應用，為了說明GPS在做平面控制網這方面有高精度、作業(yè)簡便等優(yōu)點，引進了一套GPS數(shù)據處理示例，詳細寫了其解算過程，并與全站儀所測的長度進行了比較。</p><p>　　關鍵字：GPS 隧道測量 平面控制 基線解算</p><p>&

3、lt;b>　　Abstract</b></p><p>　　GPS (Global Positioning System) is short for "Global Positioning System". satellite navigation and positioning technologies of radio is risen with the developm

4、ent of modern science. For all kinds of users with sophisticated three-dimensional coordinates, speed and time. GPS positioning satellite measurements are using GPS system to solve geodesy space technology. This paper d

5、escribes the GPS in the development of domestic and abroad and at home, the existing problems of the GPS space compositio</p><p>　　Keywords： GPS tunnel survey horizontal control network Baseline decodi

6、ng</p><p><b>　　一、緒論 </b></p><p>　　全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS）是美國研制的第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它匯集了當代最先進的空間技術、通訊技術及微電子技術，以其定位精度高，全天候獲取信息，儀器設備輕巧、價格比較低廉等諸多優(yōu)點而被世人注目。</p><p>　　我國在衛(wèi)星導航定位應用方面主要是以美國的GPS技術為

7、代表。自80年代末我國引進GPS接收機以來，在理論研究、應用技術開發(fā)、接收機制造等方面不斷取得發(fā)展，隨著我國科技的高速發(fā)展，GPS在隧道施工中的應用越來越廣泛，利用其優(yōu)點，不僅能提前完成任務，還節(jié)約很多費用，使工程的造價減低。雖然GPS有很多優(yōu)點，但在國內仍然從在很多問題，比如：我國缺少系統(tǒng)的整體的空間對地觀測發(fā)展計劃，特別是在空間技術實力薄弱的條件下，應用方面統(tǒng)籌協(xié)調不足，基礎研究薄弱，同時也缺少一個有權威的國家協(xié)調機構；通信鏈路的速

8、率也制約著GPS技術的應用，成為重要的瓶頸問題，急需有關部門進行專項研究。GPS核心軟件商品化程度不高，往往把復雜的系統(tǒng)工程簡單化，將實驗室樣品操之過急地當工業(yè)化產品推向市場，反而拖累了尚未形成的市場等。</p><p>　　在國外GPS不僅僅用于隧道，在其他領域應用更加廣泛， 以美國GPS技術和俄羅斯的GLONASS為代表的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在世界范圍內得到了廣泛的認可與應用，尤其是美國為保持這一領域的壟斷地位

9、，一方面取消限制政策，一方面改進GPS系統(tǒng)性能，比如車輛導航與監(jiān)控融合導航與通信技術的融合等，可見在未來，GPS導航系統(tǒng)應用更加廣泛。</p><p>　　隨著科技的高速發(fā)展，GPS在隧道施工中的應用越來越廣泛，尤其在做平面控制方面，利用其優(yōu)點，不僅能提前完成任務，還節(jié)約很多費用，使工程的造價減低。</p><p>　　二、全球定位系統(tǒng)的基本組成</p><p>&

10、lt;b>　　1、GPS概念</b></p><p>　　GPS是全球定位系統(tǒng)（global positioning system）的英文縮寫，是美國陸?？?</p><p>　　三軍聯(lián)合研制的、具有全球性、全天性、連續(xù)性、實時性導航定位和定時功能，能為</p><p>　　各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。是隨著現(xiàn)代科學技術的

11、</p><p>　　迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星導航定位技術。GPS衛(wèi)星定位測量是利用GPS系</p><p>　　統(tǒng)解決大地測量問題的一項空間技術。</p><p><b>　　2 、GPS構成</b></p><p>　　GPS由三大部分構成，分別為：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。</p>

12、<p>　　2.1空間部分主要有三個基本功能：</p><p>　　1）執(zhí)行地面監(jiān)控站的指令，接收和存儲地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息。</p><p>　　2）向GPS用戶播送導航電文，提供導航和定位信息。</p><p>　　3）通過高精度衛(wèi)星鐘（銫鐘和銣鐘）向用戶提供精密的時間標準。</p><p>　　2.2 地面控制部分要有

13、4項任務：</p><p>　　1）據各監(jiān)測站提供的觀測資料推算編制各顆衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層修</p><p>　　正參數(shù)等，并把這些數(shù)據傳送到注入站。</p><p>　　2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘均應與主控站</p><p>　　的原子鐘同步或測出其間的鐘差，并將鐘差信息編入導航電文送到注入站。&

14、lt;/p><p>　　3）調整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預定的軌道運行。</p><p>　　4）啟用備用衛(wèi)星以代取失效的工作衛(wèi)星。監(jiān)測站的主要任務是為主控站（MCS）</p><p>　　編算導航電文提供觀測數(shù)據。</p><p>　　2.3用戶設備部分即GPS 信號接收機</p><p>　　主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)

15、星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星</p><p>　　的運行。 當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離</p><p>　　和距離的 變化率,解調出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據。根據這些數(shù)據，接收機中的微處理計</p><p>　　算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、</p><p&g

16、t;<b>　　速度、時間等信息。</b></p><p>　　3、GPS工作原理 GPS導航系統(tǒng)工作的基本原理是：測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這

17、一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（P碼）)，當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機噪聲碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。</p><p><b>　　4、GPS特點<

18、;/b></p><p>　　1）全球、 全天候工作</p><p>　　2）功能多，應用廣。</p><p>　　3）定位精度高 個人通訊終端</p><p><b>　　4）觀測時間短</b></p><p><b>　　GPS應用</b></p>&

19、lt;p>　　1)陸地應用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程 </p><p>　　測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等；</p><p>　　2)海洋應用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救</p><p>　　援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；</p>

20、<p>　　3)航空航天應用，包括飛機導航、航空遙 感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導</p><p>　　彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。 </p><p>　　三、GPS在隧道平面控制測量中的應用</p><p>　　由于GPS測量需要信號，所以在隧道測量中只能用于地面上，這里介紹GPS在隧道</p><p><b>

21、;　　平面控制中的應用</b></p><p><b>　　1、布網</b></p><p>　　隧道控制網網形設計應考慮整個控制網的伸展性, 盡量少控制網的彎曲程度。 聯(lián)</p><p>　　系網的選擇, 一方面優(yōu)先考慮各控制點的觀測條件, 另一方面考慮整個控制網的直伸條</p><p>　　件。洞口的控制

22、點一方面要滿足進洞的需求, 另一方面考慮盡量靠近隧道主軸線, 以減</p><p>　　少點位中誤差對隧道橫向貫通誤差的影響。平面控制網應結合隧道長度和平面形式以及</p><p>　　通過地區(qū)的地形情況, 及減少對植被破壞, 合理地選擇控制網。</p><p>　　基于GPS 在控制測量領域具有測量精度高、選點靈活、費用低、全天候作業(yè)、觀測</p>

23、<p>　　時間短、自動化程度高的特點,不受通視的限制，所以用GPS作隧道控制測量比其他常規(guī)</p><p>　　控制測量較優(yōu)越。常用的GPS網有以下幾種：</p><p><b>　　1、點連式</b></p><p><b>　　圖1　點連式</b></p><p>　　Fig. 1　

24、Point2connecting</p><p><b>　　2、邊連式</b></p><p><b>　　圖2　邊連式</b></p><p>　　Fig. 2　L ine2connecting</p><p><b>　　3、星形布設 </b></p>

25、<p><b>　　圖3　星形連接</b></p><p>　　Fig. 3　Star2connecting</p><p>　　4、導線網形連接(環(huán)型網)</p><p><b>　　圖4　導線網式連接</b></p><p>　　Fig. 4　Connecting of travers

26、e networks</p><p>　　此外, GPS網的布設方法還有三角鎖(或多邊形)連接、邊點混連式連接網連接等。在實際工作中通?？赡苁巧鲜鰩追N形式的結合,一般采用邊連接與邊點混連方式。</p><p><b>　　2網的基準</b></p><p>　　在全球定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星主要視作位置已知的高空觀測目標。所以，為了確定接收機的位置，G

27、PS衛(wèi)星的瞬時位置通常歸化到統(tǒng)一的地球坐標系統(tǒng)。</p><p><b>　　3．實地踏勘</b></p><p>　　在實地踏勘時, 應特別注意隧道兩端洞口線路的走向、地形與施工設施的布置情況。如果隧道有一部分位于曲線上, 應特別注意線路上圓曲線的起點與終點, 緩和曲線的起點與終點以及隧道穿越區(qū)的地形地貌。</p><p><b>

28、　　4．選點要求</b></p><p>　　根據點少、實用的原則, 合理地選擇布網形式。應根據踏勘的結果, 在選點、埋點上應符合有關要求。還應根據隧道的埋深、偏壓、地形及為日后進行變形觀測方便, 合理地選擇控制點。確保GPS 觀測質量, 提高工作效率, 方便施工測量, </p><p><b>　　5野外觀測</b></p><p&g

29、t;　　在做隧道控制點觀測時，GPS觀測采用靜態(tài)測量的方法進行。觀測嚴格執(zhí)行調度計劃, 按規(guī)定時間進行同步觀測。了提高效率,高質量地獲得外業(yè)數(shù)據,GPS觀測時應該重點注意以下幾個方面:</p><p>　　1）天線的對中精度為1mm, 標志線指北誤差≦±5°,以減弱相位中心偏差的影響。</p><p>　　2）衛(wèi)星高度截止角≧15°，PDOP值< 4,

30、接收衛(wèi)星數(shù)>5。</p><p>　　3）為確?？刂凭W實測精度, 每個時段觀測時間均大于90分鐘。</p><p><b>　　6數(shù)據處理</b></p><p><b>　　6.1基線解算</b></p><p>　　在外業(yè)取得了合格的數(shù)據以后, 采用南方測繪GPS數(shù)據處理軟件進行基線解算及

31、控制網的平差。剔除記錄時間短于10m in及出現(xiàn)周跳部分的衛(wèi)星數(shù)據,進行基線解算:</p><p><b>　　1)同步環(huán)閉合差</b></p><p>　　閉合環(huán)最大節(jié)點數(shù)3 同步環(huán)總數(shù)5最大相對誤差為1.7Ppm，最小相對誤差為0.2Ppm，</p><p><b>　　2)異步環(huán)閉合差</b></p>

32、<p>　　異步環(huán)的檢查至關重要, 是衡量外業(yè)觀測成果和GPS網內部結構質量的重要指標, 它反映了GPS 測量總體精度，異步環(huán)總數(shù)11。相對誤差最大的為3.3Ppm，相對誤差最小的為0.7Ppm，</p><p><b>　　3）無約束平差</b></p><p>　　基線解算符合精度要求后調入基線數(shù)據。平差時, 不輸入已知點進行約束, 讓整個控制網在沒有控

33、制點的情況下,在WGS84系統(tǒng)下進行三維無約束平差。經過平差, 得到各個向量平差后的相應的改正數(shù)。</p><p><b>　　4）約束平差</b></p><p>　　在三維無約束平差確定限差均符合規(guī)范要求的基礎上,以測區(qū)已知GPS控制點G210 和G214 的坐標作為起算坐標, 進行二維約束平差。相對誤差最大的為1/148252，相對誤差最小的為1/2569197

34、</p><p>　　6.2、GPS邊長觀測與全站儀邊長觀測的比較</p><p>　　為了檢驗GPS 接收機在隧道控制中的精度問題, 利用Laica702型號的全站儀觀測兩條邊, 將實測邊長與GPS邊長進行比較, 結果如表1。</p><p>　　表GPS邊長觀測與全站儀邊長觀測的比較</p><p>　　從表1數(shù)據比較可見GPS邊長觀測與

35、全站儀邊長觀測的數(shù)據相差很小、精度高。 通過使用GPS和對該網的精度分析, 我們認為GPS網布設方案科學, 平差精度優(yōu)異, 無論同步環(huán)、異步環(huán)、三維無約束平差、約束平差、邊長觀測的精度都優(yōu)于規(guī)范的規(guī)定。由此得知GPS隧道控制網能滿足隧道貫通精度的要求。 </p><p><b>　　四、結論</b></p><p>　　隧道工程是一項大工程，在我國有著舉足輕重的地位，

36、要使隧道更好的貫通，首先要提高平面控制網的精度，合理的布網與先進的儀器是提高精度的主要手段，在做平面控制這方面，GPS精度要高于全站儀的精度。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張勤 李家權 等編著，GPS測量原理及應用 科學出版社</p><p>　　[2]徐昭銓, 張華海, 楊志強等. GPS測量原理及

37、應用 武漢: 武漢測繪大學出版社, 2000.</p><p>　　[3]二虎, 黃勁松. GPS測量操作與數(shù)據處理 武漢: 武漢大學出版社, 2004.</p><p>　　[4]國家測繪局. 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范(CH2001- 92)</p><p>　　[5]鄒積亭, 劉運明.GPS 在南水北調隧道控制測量中的應用[J]. 工程勘察, 2007,(

38、7):42- 45.</p><p>　　[6]范東明, 路伯祥.GPS 隧道平面控制測量中若干問題研究[J]. 解放軍測繪學院學報, 1998,15(1):17- 20.</p><p>　　[7]邢庭松.GPS 在公路隧道平面控制測量中的應用[J]. 公路交通技術, 2006,(4):117- 119.</p><p>　　[8]路伯祥, 許提多, 黃丁發(fā)等.G