毕业论文---GPS在隧道施工测量中的应用与研究.doc

gps在隧道施工测量中的应用与研究 摘 要 gps(全球卫星定位系统)是英文“global positioning system”的字母缩写gps的简称。是随着现代科学的发展而兴起的以卫星为基础的无线电导航、定位技术。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。gps卫星定位测量是利用gps系统解决大地测量问题的一项空间技术。本文描述了gps在国内和国外的发展以及在国内存在的问题，gps的空间组成、工作原理和gps的特点以及gps在隧道测量中的应用，为了说明gps在做平面控制网这方面有高精度、作业简便等优点，引进了一套gps数据处理示例，详细写了其解算过程，并与全站仪所测的长度进行了比较。关键字：gps 隧道测量 平面控制 基线解算abstract gps (global positioning system) is short for global positioning system. satellite navigation and positioning technologies of radio is risen with the development 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 describes the gps in the development of domestic and abroad and at home, the existing problems of the gps space composition, working principle and the characteristics of the gps measurement and the application of gps，to illustrate the gps control network in doing this plane has advantages of high precision, simple operation, introduced a set of gps data processing example, detailed wrote the decoding process, and the measured with the length of the electronic tachometer were compared.keywords： gps tunnel survey horizontal control network baseline decoding一、绪论 全球定位系统（简称gps）是美国研制的第二代卫星导航系统，它汇集了当代最先进的空间技术、通讯技术及微电子技术，以其定位精度高，全天候获取信息，仪器设备轻巧、价格比较低廉等诸多优点而被世人注目。 我国在卫星导航定位应用方面主要是以美国的gps技术为代表。自80年代末我国引进gps接收机以来，在理论研究、应用技术开发、接收机制造等方面不断取得发展，随着我国科技的高速发展，gps在隧道施工中的应用越来越广泛，利用其优点，不仅能提前完成任务，还节约很多费用，使工程的造价减低。虽然gps有很多优点，但在国内仍然从在很多问题，比如：我国缺少系统的整体的空间对地观测发展计划，特别是在空间技术实力薄弱的条件下，应用方面统筹协调不足，基础研究薄弱，同时也缺少一个有权威的国家协调机构；通信链路的速率也制约着gps技术的应用，成为重要的瓶颈问题，急需有关部门进行专项研究。gps核心软件商品化程度不高，往往把复杂的系统工程简单化，将实验室样品操之过急地当工业化产品推向市场，反而拖累了尚未形成的市场等。 在国外gps不仅仅用于隧道，在其他领域应用更加广泛， 以美国gps技术和俄罗斯的glonass为代表的卫星导航定位系统在世界范围内得到了广泛的认可与应用，尤其是美国为保持这一领域的垄断地位，一方面取消限制政策，一方面改进gps系统性能，比如车辆导航与监控融合导航与通信技术的融合等，可见在未来，gps导航系统应用更加广泛。随着科技的高速发展，gps在隧道施工中的应用越来越广泛，尤其在做平面控制方面，利用其优点，不仅能提前完成任务，还节约很多费用，使工程的造价减低。二、全球定位系统的基本组成1、gps概念 gps是全球定位系统（global positioning system）的英文缩写，是美国陆海空 三军联合研制的、具有全球性、全天性、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间的卫星导航系统。是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位技术。gps卫星定位测量是利用gps系统解决大地测量问题的一项空间技术。2 、gps构成 gps由三大部分构成，分别为：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。2.1空间部分主要有三个基本功能： 1）执行地面监控站的指令，接收和存储地面监控站发来的导航信息。 2）向gps用户播送导航电文，提供导航和定位信息。 3）通过高精度卫星钟（铯钟和铷钟）向用户提供精密的时间标准。 2.2 地面控制部分要有4项任务： 1）据各监测站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差和大气层修 正参数等，并把这些数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和gps卫星的原子钟均应与主控站 的原子钟同步或测出其间的钟差，并将钟差信息编入导航电文送到注入站。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 4）启用备用卫星以代取失效的工作卫星。监测站的主要任务是为主控站（mcs） 编算导航电文提供观测数据。 2.3用户设备部分即gps 信号接收机 主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星 的运行。 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离 和距离的 变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计 算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、 速度、时间等信息。3、gps工作原理 gps导航系统工作的基本原理是：测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（p码）)，当gps卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机噪声码（简称伪码）发射导航电文。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在wgs-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。4、gps特点 1）全球、 全天候工作 2）功能多，应用广。 3）定位精度高 个人通讯终端 4）观测时间短5 gps应用1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程 测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等； 2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救 援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； 3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导 弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。 三、gps在隧道平面控制测量中的应用 由于gps测量需要信号，所以在隧道测量中只能用于地面上，这里介绍gps在隧道 平面控制中的应用1、布网 隧道控制网网形设计应考虑整个控制网的伸展性, 尽量少控制网的弯曲程度。 联 系网的选择, 一方面优先考虑各控制点的观测条件, 另一方面考虑整个控制网的直伸条 件。洞口的控制点一方面要满足进洞的需求, 另一方面考虑尽量靠近隧道主轴线, 以减 少点位中误差对隧道横向贯通误差的影响。平面控制网应结合隧道长度和平面形式以及 通过地区的地形情况, 及减少对植被破坏, 合理地选择控制网。 基于gps 在控制测量领域具有测量精度高、选点灵活、费用低、全天候作业、观测 时间短、自动化程度高的特点,不受通视的限制，所以用gps作隧道控制测量比其他常规 控制测量较优越。常用的gps网有以下几种：1、点连式 图1点连式 fig. 1point2connecting2、边连式 图2边连式 fig. 2l ine2connecting3、星形布设 图3星形连接fig. 3star2connecting4、导线网形连接(环型网) 图4导线网式连接fig. 4connecting of traverse networks 此外, gps网的布设方法还有三角锁(或多边形)连接、边点混连式连接网连接等。在实际工作中通常可能是上述几种形式的结合,一般采用边连接与边点混连方式。2网的基准在全球定位系统中，卫星主要视作位置已知的高空观测目标。所以，为了确定接收机的位置，gps卫星的瞬时位置通常归化到统一的地球坐标系统。3实地踏勘 在实地踏勘时, 应特别注意隧道两端洞口线路的走向、地形与施工设施的布置情况。如果隧道有一部分位于曲线上, 应特别注意线路上圆曲线的起点与终点, 缓和曲线的起点与终点以及隧道穿越区的地形地貌。4选点要求 根据点少、实用的原则, 合理地选择布网形式。应根据踏勘的结果, 在选点、埋点上应符合有关要求。还应根据隧道的埋深、偏压、地形及为日后进行变形观测方便, 合理地选择控制点。确保gps 观测质量, 提高工作效率, 方便施工测量, 5野外观测 在做隧道控制点观测时，gps观测采用静态测量的方法进行。观测严格执行调度计划, 按规定时间进行同步观测。了提高效率,高质量地获得外业数据,gps观测时应该重点注意以下几个方面:1）天线的对中精度为1mm, 标志线指北误差5,以减弱相位中心偏差的影响。2）卫星高度截止角15，pdop值5。3）为确保控制网实测精度, 每个时段观测时间均大于90分钟。6数据处理6.1基线解算在外业取得了合格的数据以后, 采用南方测绘gps数据处理软件进行基线解算及控制网的平差。剔除记录时间短于10m in及出现周跳部分的卫星数据,进行基线解算:1)同步环闭合差闭合环最大节点数3 同步环总数5最大相对误差为1.7ppm，最小相对误差为0.2ppm，2)异步环闭合差异步环的检查至关重要, 是衡量外业观测成果和gps网内部结构质量的重要指标, 它反映了gps 测量总体精度，异步环总数11。相对误差最大的为3.3ppm，相对误差最小的为0.7ppm，3）无约束平差基线解算符合精度要求后调入基线数据。平差时, 不输入已知点进行约束, 让整个控制网在没有控制点的情况下,在wgs84系统下进行三维无约束平差。经过平差, 得到各个向量平差后的相应的改正数。4）约束平差在三维无约束平差确定限差均符合规范要求的基础上,以测区已知gps控制点g210 和g214 的坐标作为起算坐标, 进行二维约束平差。相对误差最大的为1/148252，相对误差最小的为1/25691976.2、gps边长观测与全站仪边长观测的比较为了检验gps 接收机在隧道控制中的精度问题, 利用laica702型号的全站仪观测两条边, 将实测边长与gps边长进行比较, 结果如表1。表gps边长观测与全站仪边长观测的比较边长gps观测/m全站仪观测/m差值/mm相对精度gp01-gps1609.9270609.9230 -4.01/15万gp04-gps24272.36004272.3690 3.01/140万 从表1数据比较可见gps边长观测与全站仪边长观测的数据相差很小、精度高。 通过使用gps和对该网的精度分析, 我们认为gps网布设方案科学, 平差精度优异, 无论同步环、异步环、三维无约束平差、约束平差、边长观测的精度都优于规范的规定。由此得知gps隧道控制网能满足隧道贯通精度的要求。 四、结论 隧道工程是一项大工程，在我国有着举足轻重的地位，要使隧道更好的贯通，首先要提高平面控制网的精度，合理的布网与先进的仪器是提高精度的主要手段，在做平面控制这方面，gps精度要高于全站仪的精度。参考文献1张勤 李家权 等编著，gps测量原理及应用 科学出版社2徐昭铨, 张华海, 杨志强等. gps测量原理及应用 武汉: 武汉测绘大学出版社, 2000.3二虎, 黄劲松. gps测量操作与数据处理 武