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摘要：本文主要根据目前世界各国（特别是美国）对高新技术GPS（全球定位系统）的广泛应用，结合笔者多年从事控制测量的经验，介绍GPS全球定位系统在曼家寨老鹰山过水隧道贯通洞外平面控制测量中的踏勘、设计、选点、埋石、观测等工作及GPS全球定位系统基本原理及特点，同时介绍美国Trimble公司的GPS数据处理软件包TGO1.62（Trimble Geomatics Office 1.62）的静态数据处理流程，着重介绍后处理软件数据采集、基线解算、数据分析及GPS网平差等应用操作。对GPS边长平差值与全站仪测量经过各项改算后边长进行可靠性比较，最后在此基础之上对隧道贯通洞外平面控制网的布网形式、提高网的可靠性、提高网的精度提出一些建议，以及星历数据质量分析技巧、基线解算和网平差的参数调整的经验总结。
关键词：GPS技术；隧道；；测量；应用
随着GPS接收机软件、硬件技术的日益完善，GPS接收机应用于测绘领域，除具备精度高、重量轻、体积小、功耗低、内存大、跟踪性能好、抗干扰能力强、自动化程度高、操作简单、高度集成等特点外，还具有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位、连续动态相对定位和RTK实时动态相对定位的全部功能。这些功能丰富了野外测量的作业模式，在各类工程测量中得到广泛应用。2012年3月，笔者将4台美国Trimble 4600LS接收机投入到曼家寨老鹰山过水隧道洞外平面测量控制网中，利用该设备后处理静态测量功能，施测了由11点组成洞外平面控制网，并以优良的高精度的测量控制点成果指导隧道工程的施工。
一、GPS网设计
应用GPS卫星定位技术建立控制网具有许多优越性，目前已经在很大程度上取代了常规测量方法。
曼家寨过水隧道横穿老鹰山，老鹰山山势呈近东西向展布，隧道桩号为K0+00～K2+645，隧道长度2645米，隧道进口出口分别位于山脉的北坡和南坡，地貌类型为构造侵蚀中山地貌区。隧道进口位于溪沟（冲沟）左岸斜坡，斜坡地形坡度30°，其中K0+908.093～915.000为冲洪积台地，地形平坦；隧道出口位于冲沟右岸斜坡，地形坡度20°～25°，坡面均分布耕地。 根据以上GPS特点、隧道进出口地形及曼家寨老鹰山过水隧道工程实际及规范要求。由于老鹰山隧道长度为2645米，根据《公路勘测规范》的要求，当隧道长度为2000～4000m时，应布设四等三角网。考虑到目前的技术水平及装备，采用先进又相对成熟的GPS技术，因此老鹰山隧道平面布设四等GPS控制网。
图1 老鹰山隧道四等GPS控制网图
四等GPS控制网布设以边连式方式布设，网型采用经典的大地四边形，隧道进口布设4个GPS点，出口布设5个GPS点,为了具有良好网形结构，坚固的图形强度，中间过渡了2 个点，如图1（限于篇幅删除中间地形图，只保留进口和出口地形图）的GP04和GP05为过渡点，全网共布设11个GPS点，平均边长760m，其中GP10、GP11为已知点。与常规方法相比，布网灵活，站点选择容易且数量大幅度减少，提高了工作效率，缩短工期，取得很好的经济效益。
二、数据采集
GPS点观测采用美国Trimble公司4600LS接收机4台，为保证观测质量，根据星历预报，测前认真编制观测计划。GPS网观测的PDOP值均小于4，保证了卫星的几何结构和数据采集质量。观测均按《全球定位系统（GPS）测量测范》进行，观测中作业模式为静态测量模式。卫星高度角为15°，数据采样率为15秒，观测时段长大于60分钟，所接收到的有效卫星数均在6颗以上，野外数据采集用1天时间全部采集完毕，在数据采集过程中，所有接收机工作正常，无异常情况发现，加之点位选取恰当，观测条件甚好，保证接收机采集到质量良好的卫星数据,为基线解算和网平差奠定基础。
三、基线解算
基线解算采用随机软件TGO1.62进行，基线解算设置：卫星高度角为15°，星历为广播星历，解算类型为固定双差解。共解算30条基线，结合卫星残差图对星历进行删减后，基线解算全部通过，均获得固定双差解，基线解算质量均达到验收标准。
四、数据分析
基线解算在未进行任何数据处理，30条基线均获得通过，只有4条基线的参考变量指标超过验收标准10，但未达到失败指标20。限于篇幅只选GP01到GP02这条基线为例，通过对卫星残差曲线图进行分析，而且卫星也只选具有代表性2、4、5、7四颗卫星的残差曲线图进行分析。在一条基线内，其曲线在较小范围内波动且接近残差0线，说明该卫星的相位观测质量良好。若曲线呈倾斜状，或振幅较大的曲线，则说明该卫星的数据质量较差，可考虑是否剔除，重新处理基线。通过对2、4、5、7四颗卫星观察分析，7号卫星残差曲线呈倾斜状且振幅较大，数据质量较差，将7号卫星剔除及删减其它卫星部分数据后重新解算基线，解算结果如表1：
通过重新处理星历，其它三条基线质量都得到改善和提高,避免或减少返工重测现象。在实际工作中，总是将比率和参考变量放在一起进行评估。需要对具有低比率和高参考变量的基线进行进一步分析。
老鹰山隧道四等GPS平面控制网共验算同步环23个,坐标分量最大闭合差为-1.8mm；异步环18个,坐标分量最大闭合差为+14.5mm。共观测5组复测基线,其复测基线较差最大为-3.7mm，复测基线较差的限差为2 б=±15.24mm,其中б= =±5.39mm。异步环各坐标分量闭合差的限差为Wx≤3 б,同步环各坐标分量闭合差的限差为Wx≤ б，Wy、Wz与Wx相同。
五GPS网平差
进行平差的一般顺序为：基准选择、平差形式选择、观测值的选择、加权策略的设计、已知点坐标的输入、执行平差、报告分析等。
⑴无约束平差
无约束平差是检查网本身的内符合精度、基线之间有无明显系统差和粗差，提供大地高数据。也就是观测数据内部符合质量的检核，处理由于多余观测误差而引起的网内不符值，无约束平差在未剔除任何观测量的条件下便通过χ2检验和τ检验。无约束平差GPS控制网的最弱边（GP02～GP03）相对中误差为1:363100，边长为327米。最弱点（GP02）点位中误差ｍx＝±1.0 mm，ｍy=±1.0 mm, ｍxy＝±1.5mm，观测质量很好。
⑵约束平差
为最大限度地减少边长投影变形，所以选择隧道中部经过的子午线为中央子午线，以隧道进出口路面设计高程平均值为投影面高程。还考虑到起算数据对约束平差网尺度的影响，所以约束平差以GP11为坐标起算点，至GP10方向为起算方位进行约束平差。中央子午线为100°18'26″，边长投影面高程为1953m，BJ-54椭球参数：
a=6378245m
f=298.3
约束平差未剔除任何观测量便通过χ2检验和τ检验。约束平差后的最弱边（GP02～GP03）相对中误差为1:155800（边长为327m），远小于规范规定四等GPS网的最弱边相对中误差为1：40000。最弱点（GP01）点位中误差ｍx＝±2.1mm，ｍy=±2.3mm,ｍxy＝±3.2mm。
约束平差GPS测量边长与全站仪测量边长的比较,用日本Nikon DTM-520全站仪进行了边长测量，边长往返四测回测定，边长中加入了仪器加、乘常数改正以及温度和气压改正，边长投影在1953m高程面上。通过比较，GPS网平差计算方法正确，平差后各项精度指标可靠且优秀。
六、结束语
本文介绍了GPS技术在老鹰山隧道贯通洞外平面控制测量中的布网、设计、TGO1.62数据采集和数据处理过程，使理论知识与生产实际紧密结合，将GPS技术应用到地形环境恶劣的曼家寨老鹰山过水隧道贯通洞外测量控制网中进行作业，以高效率、高质量按期完成该项目的洞外控制测量工作，并以优秀的测量成果指导隧道施工。与传统的控制测量方法相比，不仅人员少，费用省，效率高，而且选点灵活，边长约束减小；组网可以存在个别站点之间不通视，从而能保证图形强度。
对于精度要求高、地形环境恶劣的隧道贯通洞外测量控制网，在布设GPS网时，应尽量布设成经典图形（如大地四边形、中点多边形、三角网等），加强图形强度；根据星历预报，选择最佳观测时间，观测时适当增加观测期数（时段数），也就是保证一定的重复设站数，保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样对于提高GPS网的可靠性非常有效。为提高整个GPS网的精度，对网中距离较近的点一定进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线，可采用增设长时间、多时段的基线向量的方法，这样可以提高整个GPS网的精度。在保证了GPS网的可靠性和精度前提下，若平差不成功，可做以下参数调整：
1、取舍相应的基线或再做基线处理，或重测、补测不合格基线。
2、调整网平差期望精度，或调整观测值先验精度估计的调整尺度Scale。
3、选择参与平差的观测值范围，选择 、 、 。
继续调整和处理，直到所有精度指标满足测量规范所规定的该等级精度要求，数据处理才算完毕。
参考文献
1.刘大杰，施一民，过静珺，全球定位系统（GPS）的原理与数据处理，同济大学出版社 1996年8月.
2.魏二虎，黄劲松，GPS测量操作与数据处理，武汉大学出版社 2004年6月.
3.交通部第一公路勘察设计院，公路全球定位系统（GPS）测量规范，人民交通出版社，1999年1月.
4.国家测绘局，全球定位系统（GPS）测量规范，测绘出版社，1992年10月.
5.交通部第一公路勘察设计院，公路勘测规范，人民交通出版社，1999年10月.
6.孔祥元，梅是义，控制测量学（下），武汉大学出版社，2002年2月.
7.邵诚，控制测量学（下），地质出版社，1985年11月.
8.孔祥元，大地测量学基础，武汉大学出版社，2002年7月.
9.杨润书，GPS基线解算的优化技术，《测绘通报》，2005年第5期.
论文作者:肖雄
论文发表刊物:《防护工程》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/19
标签：基线论文; 隧道论文; 测量论文; 边长论文; 老鹰论文; 精度论文; 质量论文; 《防护工程》2017年第26期论文;