畢業(yè)論文---gps在隧道施工測量中的應(yīng)用與研究

1、<p>　　GPS在隧道施工測量中的應(yīng)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(xué)的發(fā)展而興起的以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航、定位技術(shù)。能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)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(xiàng)空間技術(shù)。本文描述了GPS在國內(nèi)和國外的發(fā)展以及在國內(nèi)存在的問題，GPS的空間組成、工作原理和GPS的特點(diǎn)以及GPS在隧道測量中的應(yīng)用，為了說明GPS在做平面控制網(wǎng)這方面有高精度、作業(yè)簡便等優(yōu)點(diǎn)，引進(jìn)了一套GPS數(shù)據(jù)處理示例，詳細(xì)寫了其解算過程，并與全站儀所測的長度進(jìn)行了比較。</p><p>　　關(guān)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(dǎo)航系統(tǒng)，它匯集了當(dāng)代最先進(jìn)的空間技術(shù)、通訊技術(shù)及微電子技術(shù)，以其定位精度高，全天候獲取信息，儀器設(shè)備輕巧、價(jià)格比較低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)而被世人注目。</p><p>　　我國在衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用方面主要是以美國的GPS技術(shù)為

7、代表。自80年代末我國引進(jìn)GPS接收機(jī)以來，在理論研究、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)、接收機(jī)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(yīng)用越來越廣泛，利用其優(yōu)點(diǎn)，不僅能提前完成任務(wù)，還節(jié)約很多費(fèi)用，使工程的造價(jià)減低。雖然GPS有很多優(yōu)點(diǎn)，但在國內(nèi)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(jì)劃，特別是在空間技術(shù)實(shí)力薄弱的條件下，應(yīng)用方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不足，基礎(chǔ)研究薄弱，同時(shí)也缺少一個(gè)有權(quán)威的國家協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)；通信鏈路的速

8、率也制約著GPS技術(shù)的應(yīng)用，成為重要的瓶頸問題，急需有關(guān)部門進(jìn)行專項(xiàng)研究。GPS核心軟件商品化程度不高，往往把復(fù)雜的系統(tǒng)工程簡單化，將實(shí)驗(yàn)室樣品操之過急地當(dāng)工業(yè)化產(chǎn)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(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛， 以美國GPS技術(shù)和俄羅斯的GLONASS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，尤其是美國為保持這一領(lǐng)域的壟斷地位

9、，一方面取消限制政策，一方面改進(jìn)GPS系統(tǒng)性能，比如車輛導(dǎo)航與監(jiān)控融合導(dǎo)航與通信技術(shù)的融合等，可見在未來，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用越來越廣泛，尤其在做平面控制方面，利用其優(yōu)點(diǎn)，不僅能提前完成任務(wù)，還節(jié)約很多費(fèi)用，使工程的造價(jià)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(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為</p><p>　　各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的

11、</p><p>　　迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。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(xiàng)空間技術(shù)。</p><p><b>　　2 、GPS構(gòu)成</b></p><p>　　GPS由三大部分構(gòu)成，分別為：空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分。</p>

12、<p>　　2.1空間部分主要有三個(gè)基本功能：</p><p>　　1）執(zhí)行地面監(jiān)控站的指令，接收和存儲(chǔ)地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息。</p><p>　　2）向GPS用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　2.2 地面控制部分要有

13、4項(xiàng)任務(wù)：</p><p>　　1）據(jù)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(jù)傳送到注入站。</p><p>　　2）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)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(dǎo)航電文送到注入站。&

14、lt;/p><p>　　3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)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(wù)是為主控站（MCS）</p><p>　　編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)。</p><p>　　2.3用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)</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(yùn)行。 當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)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(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)</p><p>　　算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、</p><p&g

16、t;<b>　　速度、時(shí)間等信息。</b></p><p>　　3、GPS工作原理 GPS導(dǎo)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(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)距離，而是偽距（P碼）)，當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)噪聲碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。</p><p><b>　　4、GPS特點(diǎn)<

18、;/b></p><p>　　1）全球、 全天候工作</p><p>　　2）功能多，應(yīng)用廣。</p><p>　　3）定位精度高 個(gè)人通訊終端</p><p><b>　　4）觀測時(shí)間短</b></p><p><b>　　GPS應(yīng)用</b></p>&

19、lt;p>　　1)陸地應(yīng)用，主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、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(yùn)動(dòng)監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等；</p><p>　　2)海洋應(yīng)用，包括遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救</p><p>　　援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺(tái)定位、海平面升降監(jiān)測等；</p>

20、<p>　　3)航空航天應(yīng)用，包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙 感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)</p><p>　　彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測等。 </p><p>　　三、GPS在隧道平面控制測量中的應(yīng)用</p><p>　　由于GPS測量需要信號(hào)，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(yīng)用</b></p><p><b>　　1、布網(wǎng)</b></p><p>　　隧道控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)應(yīng)考慮整個(gè)控制網(wǎng)的伸展性, 盡量少控制網(wǎng)的彎曲程度。 聯(lián)</p><p>　　系網(wǎng)的選擇, 一方面優(yōu)先考慮各控制點(diǎn)的觀測條件, 另一方面考慮整個(gè)控制網(wǎng)的直伸條</p><p>　　件。洞口的控制

22、點(diǎn)一方面要滿足進(jìn)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(diǎn)位中誤差對隧道橫向貫通誤差的影響。平面控制網(wǎng)應(yīng)結(jié)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(wǎng)。</p><p>　　基于GPS 在控制測量領(lǐng)域具有測量精度高、選點(diǎn)靈活、費(fèi)用低、全天候作業(yè)、觀測</p>

23、<p>　　時(shí)間短、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),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(wǎng)有以下幾種：</p><p><b>　　1、點(diǎn)連式</b></p><p><b>　　圖1　點(diǎn)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(shè) </b></p>

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

26、e networks</p><p>　　此外, GPS網(wǎng)的布設(shè)方法還有三角鎖(或多邊形)連接、邊點(diǎn)混連式連接網(wǎng)連接等。在實(shí)際工作中通常可能是上述幾種形式的結(jié)合,一般采用邊連接與邊點(diǎn)混連方式。</p><p><b>　　2網(wǎng)的基準(zhǔn)</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(biāo)。所以，為了確定接收機(jī)的位置，G

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

28、　　4．選點(diǎn)要求</b></p><p>　　根據(jù)點(diǎn)少、實(shí)用的原則, 合理地選擇布網(wǎng)形式。應(yīng)根據(jù)踏勘的結(jié)果, 在選點(diǎn)、埋點(diǎn)上應(yīng)符合有關(guān)要求。還應(yīng)根據(jù)隧道的埋深、偏壓、地形及為日后進(jìn)行變形觀測方便, 合理地選擇控制點(diǎn)。確保GPS 觀測質(zhì)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(diǎn)觀測時(shí)，GPS觀測采用靜態(tài)測量的方法進(jìn)行。觀測嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃, 按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行同步觀測。了提高效率,高質(zhì)量地獲得外業(yè)數(shù)據(jù),GPS觀測時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面:</p><p>　　1）天線的對中精度為1mm, 標(biāo)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(wǎng)實(shí)測精度, 每個(gè)時(shí)段觀測時(shí)間均大于90分鐘。</p><p><b>　　6數(shù)據(jù)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(jù)以后, 采用南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算及

31、控制網(wǎng)的平差。剔除記錄時(shí)間短于10m in及出現(xiàn)周跳部分的衛(wèi)星數(shù)據(jù),進(jìn)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(diǎn)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(guān)重要, 是衡量外業(yè)觀測成果和GPS網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo), 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(diào)入基線數(shù)據(jù)。平差時(shí), 不輸入已知點(diǎn)進(jìn)行約束, 讓整個(gè)控制網(wǎng)在沒有控

33、制點(diǎn)的情況下,在WGS84系統(tǒng)下進(jìn)行三維無約束平差。經(jīng)過平差, 得到各個(gè)向量平差后的相應(yīng)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(chǔ)上,以測區(qū)已知GPS控制點(diǎn)G210 和G214 的坐標(biāo)作為起算坐標(biāo), 進(jìn)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(yàn)GPS 接收機(jī)在隧道控制中的精度問題, 利用Laica702型號(hào)的全站儀觀測兩條邊, 將實(shí)測邊長與GPS邊長進(jìn)行比較, 結(jié)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(jù)比較可見GPS邊長觀測與

35、全站儀邊長觀測的數(shù)據(jù)相差很小、精度高。 通過使用GPS和對該網(wǎng)的精度分析, 我們認(rèn)為GPS網(wǎng)布設(shè)方案科學(xué), 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(wǎng)能滿足隧道貫通精度的要求。 </p><p><b>　　四、結(jié)論</b></p><p>　　隧道工程是一項(xiàng)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(wǎng)的精度，合理的布網(wǎng)與先進(jìn)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(xiàn)</b></p><p>　　[1]張勤 李家權(quán) 等編著，GPS測量原理及應(yīng)用 科學(xué)出版社</p><p>　　[2]徐昭銓, 張華海, 楊志強(qiáng)等. GPS測量原理及

37、應(yīng)用 武漢: 武漢測繪大學(xué)出版社, 2000.</p><p>　　[3]二虎, 黃勁松. GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理 武漢: 武漢大學(xué)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(yùn)明.GPS 在南水北調(diào)隧道控制測量中的應(yīng)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(xué)院學(xué)報(bào), 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(yīng)用[J]. 公路交通技術(shù), 2006,(4):117- 119.</p><p>　　[8]路伯祥, 許提多, 黃丁發(fā)等.G