浅谈GPS测量系统在长大隧道平面控制测量的技术

　0 引言
　　GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的英文缩写，是以卫星为基础的无线电定位系统，是目前世界上最先进、最完善的卫星导航与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。在测量领域，GPS测量系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。隧道一般在山区，地形复杂，常规方法难以施测，而GPS静态定位技术拥有不受通视条件限制和网形要求较低等优势，因此目前在隧道测量中采用GPS静态定位技术是一种通用方法。
　　1 工程概况
　　羊角隧道地处重庆至长沙公路武隆至水江段工程内，是国家重点干线公路宁波至樟木公路的重要组成部分，也是重庆市“二环八射”，主骨架公路网中的重要射线之一，位于重庆市东南部武隆县白马镇境内，该隧道为特长双洞单向行车隧道，右线全长6676m，起止里程为YK21+500-YK27+835，左线全长6655m，起止里程为ZK21+068-ZK27+723。隧道穿越山脉呈脊状，受构造控制多沿南北向展布，一般地面标高为500-1200m，相对高差多在200-800m。山上树木茂盛，地形复杂，植被丰富，行走不便，常规测量布网困难，通视条件极差。经必选，决定采用GPS测量系统进行控制测量。
　　2 GPS测量
　　2.1 作业依据和设备 作业依据和执行技术标准为：①《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314-2001。②《公路全球定位系统（GPS）测量规范》JTJ/T066-98（简称《公路（GPS）规范》。③《公路勘测规范》JTJ061-99。④羊角隧道平面图，进出口场地布置图。
　　采用设备：四台套Smart2001AS GPS单频接收机，笔记本电脑1台，对讲机4部。GPS接收机在作业前均在仪器检查中心进行了检测，其性能和精度均符合标称精度（平面5mm+1ppm，高程10mm+1ppm）和规范要求。
　　2.2 布网方案 根据羊角隧道的走向及隧道洞口投点的要求和实际情况，先在已有平面图上进行选点并作优化设计，经实地踏勘，最终确定点位（羊角隧道GPS控制网布设图见图1）。
　　根据JTJ/T066-98的规定和实际情况：①每个洞口至少布设3个控制点，各三点控制点的间距不少于500m，并且至少有个通视方向，以便检核。②控制点应尽量沿洞口连线方向布设，以减少横向贯通误差。
　　根据GB/T 18314-2001的规定和实际情况：①应远离大功率的无线电发射装置，其距离不应小于200米，以避免电磁场对GPS信号的干扰。②附近不应有大面积水或者强烈干扰卫星信号接收的物体，已减弱多路径效应的影响。③点位应设在便于安装接收设备，视野开阔的较高点上。目标要显著，视线周围15度以上不应有障碍物的遮挡，以减少信号被遮挡或者障碍物吸收。故控制网布设如图1所示大地四边形网内插三角形网。
　　2.3 具体施测 根据GPS卫星星历预报制定GPS外业观测计划，进而进行作业调度。以外业观测计划。测区的近似纬度，作业日期为依据分别计算出各时段内的可见卫星直方图和精度因子图，选择最佳的观测时段，避开不利的观测时段。采用四台套Smart2100AS单频接受机进行同步静态观测，观测历元间隔15°卫星高度截止角>15°PDOP值<4.0，有效观测卫星个数≥5，信噪比（SNR）在80左右，越大越好，同步时段观测时间骨架网为90分钟，其余时段为60分钟。
　野外观测时，天线安置严格整平、对中、在天线板上互隔120°的三处量取天线高，互差少于3mm，并在观测前后各量一次取中数。同步观测时确保接收机开机和关机时间的同步，及时的填写观测手簿。观测过程中，注意数据的接收情况，如卫星个数、信噪比、精度因子变化等。
　　每天测量完成后，应及时的将观测数据传输到笔记本电脑里，并进行基线的平差计算和同步环闭合差的检查，以确保数据的安全性。
　　3 GPS数据处理
　　羊角隧道GPS观测共搜索到最小独立同步环15个，最小独立异步环16个，重复基线7条。
　　3.1 基线向量的质量检核
　　3.1.1 同步环闭合差检核 基线自动组成15个同步环，各闭合环的X，Y，Z方向和全长绝对闭合差和相对闭合差均小于相应的限差要求。同步环各分量闭合差Wx，WX，WY，WZ？燮±■？滓，全长坐标闭合差W？燮±■？滓。
　　其中，n—同步环的边数；σ—相应等级规定的精度即弦长标准差（mm），？滓=■；a—固定误差（mm）；b—比例误差（ppm）；d—相邻点间的距离（km）。
　　经分析计算15个同步环中最大相对闭合差为2.87ppm，即1/348432。该同步环由：G4─GPS17─G5─G4基线边组成，总长10872.7647m。经计算该同步环Wx、Wy、Wz均小于■？滓，全长坐标闭合差W=10.40mm，小于限差12.42mm。
　　3.1.2 异步环闭合检核 共组成16个异步环，各闭合环X、Y、Z方向和全长绝对闭合差和相对闭合差均小于相应的限差要求。异步环各分量闭合差VX；VY；VZ？燮3■×？滓，全长标闭合差V？燮3■×？滓。
　　经分析计算，16个异步环中，最大相对闭合差为6.96ppm即1/143678。该异步环由G5─GPS16─G4─G5基线边组成，总环长为6360.7967m，经计算该异步环全长坐标闭合差V=14.76mm，小于限差131.13mm。
　　3.1.3 重复边较差检核 全网共有6条重复基线，重复基线长度较差ds均小于相应允许较差，即ds？燮2■？滓 6条重复基线中相对误差最大值为8.18ppm，SW409-SW408边长为759.557m。
　　经计算SW409-SW408重复边长较差允许值2■？滓=30.26mm，即ds=6.21mm<30.26mm限差要求。
　　从以上几次检核可知，GPS外业数据质量可靠，同步环，异步环坐标闭合差，重复边较差均满足《公路GPS规定》规定的限差要求。
　　3.2 GPS控制网平差及精度分析
　　在各项质量检查符合技术要求后，进行WGS-84坐标系中的三维无约束平差。在无约束平差中，应先检验观测值中误差，单位权中误差，观测值改正数，确定异常观测值，并对其进行检查和分析，决定弃舍。
　　以三维无约束平差确定的有效测量值为基础，以GPS14，GPS16，GPS17等3点作为基准点，进行二位约束平差，平差结果统计见表1。
　　从表1知：GP S网二维约束平差结果，说明GPS网复测精度达到二级以上GPS网的精度要求，满足《规范》要求。
　　4 贯通误差初步分析
　　隧道总的贯通误差主要有两个方面，即洞外控制测量和洞内导线测量引起的误差，在工程实践中，常常将地下两相向开挖的导线测量误差及洞外GPS测量误差均作为独立因素。
　　由于GPS定位技术能够直接测定控制点的相对位置，而不是依靠传统的测量角度和边长来算坐标，所以采用GPS定位技术做隧道的洞外控制测量，其隧道的贯通误差主要是定位点坐标引起的测角误差和测边误差。
　　因为设计的隧道长为6676m，所以横向贯通误差为 45mm，另外边长相对中误差为1/3500，因此由公式：
　　mq=±■（1）
　　可得到mβ=±3.39″>2.0″，结果表明按精度指标进行施测可满足贯通要求。其中，mq为隧道洞外贯通误差，l为隧道长度，mβ为洞外测角精度，ml为测边误差，ρ为206265（表2）。
　　5 结束语
　　GPS具有很高的相对定位精度，观测速度快，功能齐全，操作简便，全天候、全球性作业等显著特点。另外GPS控制网选点灵活，布网方便，对GPS网的几何图形也没有严格要求，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。应用于隧道控制测量具有较大的经济效益和社会效益，特别是在长达隧道平面控制测量中用GPS代替常规测量方法是必然趋势。
　　羊角隧道洞外控制测量采用GPS静态等位技术，从踏勘选点、布网埋石、野外观测到内业计算仅历时4天。与常规控制网测量方法相比较，效果显著，精度可靠，为隧道的提前进洞提供了有力的保障，为GPS在等级隧道控制测量的推广运用累积了经验。
　　参考文献：
　　[1]聂让.高等级公路控制测量[M].人民交通出版社，2001（10）.