摘要：通過GPS靜態定位在蛤蟆嶺隧道中的應用，闡述了GPS測量在長大隧道控制測量中的作業流程以及GPS靜態定位數據處理的一般步驟和方法，表明了對于貫穿樹木茂密通視困難地區的隧道控制測量，GPS測量具有顯著的經濟和社會效益。
　　關鍵詞：GPS，隧道控制測量，數據處理，應用
　　1概述
　　蛤蟆嶺隧道位于銅陵至九江新建鐵路第1合同段，為單線隧道，全長3765m，隧道進口位于直線上，出口位于曲線上，中部為緩和曲線段段，隧道分進出口兩個工作面相向開挖。測區氣候屬亞熱帶季風氣候區，溫暖濕潤、光照充足。測區位于皖南地區山區，植被覆蓋高、森林茂密、交通不便，常規測量通視條件相當困難。因此，采用GPS靜態定位進行控制測量，測量使用四臺美國天寶4600LS單頻GPS接收機，平面標稱定位精度為5mm+1ppm，基線解算軟件采用隨機軟件TGOffice。
　　2蛤蟆嶺隧道GPS網的精度設計
　　根據隧道長度和橫向貫通誤差精度要求，參照《公路全球定位系統(GPS)測量規范》JTJ/T066-98，蛤蟆嶺隧道控制網應按二級GPS網的精度要求布設和施測，技術指標如下：
　　衛星高度角≥15°
　　數據采集間隔≥15秒
　　觀測時間≥60分
　　點位幾何圖形強度因子(GDOP)≤6
　　重復測量的最少基線數≥5%
　　施測時段數≥2
　　有效觀測衛星總數6
　　3蛤蟆嶺隧道GPS網的網型優化
　　與常規地面平面控制網一樣，GPS網布設的原則是保證隧道按設計精度正確貫通，從洞口投點給出精確的進洞方向以指導隧道開挖。
　　在布設控制網時，各開挖洞口布設的GPS點不應少于3個，為便于使用常規測量方法進行檢測，加密和恢復，各開挖洞口布設的三點間至少應有一個點能與其它兩點通視，并且隧道定向邊距離應大于300米，以滿足施工中的常規檢測和提高進洞方位角的傳遞精度。對于鐵路直線隧道，應在進出口定測中線上，布設兩個控制點，以便于建立施工坐標系，曲線隧道應在每一切線上布設兩個點，以便精確計算曲線偏角和施工放樣數據。對于公路隧道，應在進出口各連測一個線路定測導線點，以便確定隧道GPS點與線路導線點的關系，測定和調整隧道控制測量與線路測量的連接誤差。
　　隧道GPS網應采用網連式的布網方法，應通過獨立基線構成閉合圖形，網中不應存在自由基線，自由基線不具備發現粗差的能力。某一閉合條件中的基線數不可過多，避免導致各邊中粗差在求閉合差時相互抵消，不能起到發現粗差的作用。網中各點最好至少應通過三條獨立基線，以保證檢核條件，提高網的可靠性，使網的精度、可靠性較均勻。每個控制點應獨立觀測至少兩個時段。除了采用同步環和異步環作為基線質量檢核外，還可用全站儀測施測1～2條測距邊，加測角度作為外部檢核。
　　蛤蟆嶺隧道由于長隧道施工周期長，控制點使用時間較長，為便于在隧道施工期間對洞口控制點的穩定性進行常規檢測，進出口各設了4個GPS控制點，其中E004、EO11-1為線路定測導線點�？刂凭W布設如圖1（示意圖中部分基線邊未表示）。
　　圖1控制網布設圖
　　GPS控制點點位選擇的好壞，對GPS控制網的精度影響很大，通過對隧道進出口進行實地踏勘，點位均設在山頂穩定的基巖上，視野開闊，沒有高度角大于15°的障礙物，遠離高壓線及大功率無線電發射源，隧道定向邊進出口均大于500米。
　　4外業觀測
　　4.1星歷預報
　　運行TGOffice，利用軟件的作業計劃工具，將測站的概略經度、緯度、高程、衛星的截止高度角、觀測時間等測站信息輸入對話框，查看衛星的可見性。從衛星數示意圖中可以看出，在擬定的觀測時間中測區可見最少衛星顆數為6，說明全天均可觀測。
　　4.2制定作業計劃表
　　根據隧道的長度、開挖口的分布、精度要求、接收機的臺數、星歷預報情況、作業方式、交通條件來確定GPS網的觀測方案和制定作業計劃。
　　蛤蟆嶺隧道作業計劃如下表1。
　　作業計劃表表1
　　 測站
　　時段 1#GPS
　　接收機 2#GPS
　　接收機 3#GPS
　　接收機 4#GPS
　　接收機
　　1(7:50～9:20) E004 GPS-X5 GPS-X4 GPS-X6
　　2(9:40～11:10) E004 GPS-X5 GPS-X1 GPS-X3
　　3(11:30～13:00) GPS-X4 GPS-X5 GPS-X1 GPS-X2
　　4(13:40～15:10) GPS-X4 E004 GPS-X3 GPS-X2
　　5(16:00～17:30) E011-1 GPS-X1 GPS-X3 GPS-X2
　　為確�？刂凭W實測精度，每個時段觀測時間均大于90分鐘，因為在基線處理時要剔除或刪除部分不合格的觀測時段，所以在不增加工作量的前提下多觀測30分鐘是非常必要的。
　　與常規地面控制測量一樣，GPS網也要求有足夠的多余觀測量，即有一定的可靠性。GPS網的可靠性用平均可靠性指標r表示，r=nr/n，n為所選的獨立基線向量總數，nr為多余基線向量數，nr等于基線向量總數n減去必要的基線向量數nt，而必要的基線向量數nt等于總點數np減1，因此，r=(n-np+1)/n。根據隧道長度和精度要求等因素，r值應大于0.3。
　　從表1看出，蛤蟆嶺隧道GPS網的獨立向量總數21個，每個點觀測3個時段，平均可靠性指標r，r=(21-7)/21=0.67,r值大于0.3，可靠性指標較好。
　　由于采用4臺GPS接收機進行觀測，進出口各設兩臺接收機，嚴格執行調度計劃，按規定時間進行同步觀測作業。根據觀測方案，整個外業工作為時一天。
　　4.3GPS接收機靜態操作
　　對中，整平GPS接收機，量取天線高，開機觀測，測完以后先關機，再搬站，搬站前再測天線高，兩次量高誤差不大于2mm。
　　每站觀測結束前，需要記錄天線高，開、關機時間，接收機系列號，天線類型，日期，接收機類型，量高方式，以方便數據的后處理。
　　5GPS測量數據處理
　　GPS測量外業自動化程度較高，數據采集由接收機自動完成，人工干預很少，但是GPS外業測量采集的數據不能直接應用于工程實際，必須應用相應的解算軟件對GPS觀測數據進行處理，通過基線處理、GPS基線向量網的平差解算、無約束平差、約束平差、坐標轉化等一系列的數據處理流程，才能得到可用于施工的測量成果。
　　5.1建立坐標系
　　野外觀測的靜態數據是基于WGS-84橢球的，采用的是WGS-84全球大地坐標系統。但蛤蟆嶺隧道線路設計是在北京54坐標系內進行的，中央子午線經度為120度45分，因此，應利用解算軟件建立和設計單位坐標系一致的地方坐標系，以便于進行GPS網的約束平差，將測量成果由WGS-84坐標系轉化至施工坐標系。
　　5.2下傳并導入數據
　　先建立一個名稱為“蛤蟆嶺隧道”的文件夾來存放GPS數據處理過程中的文件，然后將GPS接收機通過電纜線與電腦連接進行數據傳輸，根據4600Ls接收機自動文件命名規則，選擇蛤蟆嶺隧道GPS網的觀測數據文件進行下傳，按照測站記錄輸入測站各時段的測站信息(點名、天線高、量高方式)，這個時候要認真地核對點名、文件名、開機時間、關機時間、天線類型、量高方式、天線高，確保對應關系。逐一將4臺GPS接收機中的觀測數據下傳至“蛤蟆嶺隧道”文件夾。
　　數據下傳完成后應立即對下傳的數據進行備份，以便保存傳輸的原始數據。
　　5.3基線處理
　　首先對觀測數據進行質量分析和預處理，將各衛星觀測時段跳動較大的衛星信號利用Timeline工具禁止掉，利用TGOffice逐一對所有基線進行處理。
　　基線處理后，查看基線處理質量的評估指標，最好的解算類型是L1固定解，最好的比率是大于3，并且越大越好，參考變量經驗值是2左右為最好，均方差RMS是小于3厘米，且越小越好，在這幾個指標中，解算類型和均方差最關鍵。
　　基線處理時，刪除工作狀態不佳的衛星數據是提高偽距定位精度的重要途徑。如果處理后的基線由墨色變成黃色，表明質量很好。如果有個別的基線呈紅色，或者有被拒絕的基線，說明基線的質量有問題，需要對觀測信號進行剔除，逐一選擇質量有問題的基線進行精細處理。
　　查看基線處理報告中的衛星殘差，記住衛星殘差大的衛星和某些衛星殘差大的時段。將殘差大的衛星和殘差大的時段禁止，不讓它們參加基線處理。殘差大的衛星時段對基線處理結果的影響非常顯著，因此，剔除殘差大的衛星時段在基線處理中尤為重要。
　　其次，逐一選擇質量有問題的基線，查看PDOP值。如果某時段的PDOP值有突變或較大，將這個時段的衛星信號禁止。
　　另外，打開星空圖，看衛星的高度角。記下高度角低的衛星和衛星高度角低的時段，將衛星高度角低的衛星和衛星高度角低的時段的信號禁止。
　　如此反復處理，直到所有的基線處理后呈黃色或者處理基線時拒絕的基線數為零。
　　查看GPS環閉合差，閉合差反映了內符合精度，如果內符合精度較差，重新處理基線，內符合精度的好壞將直接影響最終的精度。
　　蛤蟆嶺隧道GPS控制網閉合差數目88個，通過88個，全部通過，表明基線內符合精度較好，基線處理完成，可進行無約束平差。
　　5.4無約束平差
　　進行無約束平差以檢查GPS基線向量網的本身內符合精度，以及檢查基線向量間有沒有明顯的系統誤差，從而剔除含有粗差的基線邊。
　　進行無約束平差時，首先要確�；鶞适荳GS84，選擇基準為WGS-84，然后單擊平差工具條中的“平差”進行無約束平差。
　　平差之后查看網平差報告，查看統計總結，查看網參考因子是否在1左右，X方檢測是否通過，如果沒有通過，采用加權策略，繼續無約來平差，直到通過且平面坐標變化量為零。
　　5.5約束平差
　　由于隧道控制測量主要強調各開挖面控制點之間的相對精度，GPS網是否精確位于地心坐標系統并不重要，因此通常采用固定一點的經典自由網平差法做最小約束平差。
　　首先將基準轉換為當地基準(中心經度為120°45′的蛤蟆嶺隧道Beijing1954坐標系)，即將基準選為“投影基準-beijing1954”，以線路導線點E004的54北京坐標系坐標為已知坐標進行最小約束平差。
　　平差后查看網平差報告中的參考因子是否在1左右，X方檢測是否通過，平面坐標變化量是否為零，否則，應采用加權策略，繼續進行平面約束平差。直到網參考因子在1左右，X方檢測是通過，平面坐標變化量為零。整個觀測成果的好壞，可以通過網平差報告中是否出現紅色警告數據、殘差柱狀圖、誤差橢球、水平精度和高程精度的比率等撐握。
　　5.6成果輸出
　　平差成果的所有信息都包含在“網平差報告”中，殘差柱狀圖、點位誤差橢圓圖、平差成果表、協方差、環閉合差、平差后觀測成果表等等。
　　“網平差報告”中的“平差格網坐標”成果就是蛤蟆嶺隧道洞外平面控制測量各控制點的施工坐標。
　　報告可以直接打印輸出，也可以復制到Word文字處理系統中排版輸出。
　　6小結
　　蛤蟆嶺隧道GPS測量外業選點埋石一天，外業觀測一天，數據處理一天，三天完成了常規測量要十幾天才能完成的測量任務，通過對蛤蟆嶺隧道的GPS控制測量實踐，可以得出如下幾點結論。
　　(1)GPS隧道控制測量精度高，采用GPS靜態相對定位技術精度可達毫米級。
　　(2)GPS測量勞動強度低，無須翻山越嶺，在山頂設置過渡點，外業測量為傻瓜型，只需按開機測量按鈕即可測量，數據采集由GPS接收機自動完成，無須過多的人工干預。
　　(3)GPS測量作業效率和經濟通常是常規測量的四倍以上，隧道越長作業效率和經濟效益越顯著。
　　(4)控制點易于恢復，若某個控制點丟失，只需幾個小時即可恢復。
　　(5)GPS測量是一項先進的定位技術，可以提高企業的科技水平，為企業創造良好的經濟效益和社會效益。
　　(6)GPS測量要求測站上空障礙物較少。天空可視條件差，接收的衛星數少于4顆的地區無法使用，是GPS測量的一個不足之處。
　　GPS用于長大隧道控制測量可以提高測量精度，降低測繪成本，其高精度，高效率的突出特點表現出傳統測量模式無法比擬的優越性，在隧道控制測量方面仍然具有良好的應用前景，采用GPS進行長大隧道洞外平面控制測量已成為目前隧道控制測量的主要發展趨勢。
　　參考文獻
　　
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