浅谈GPS测量在隧道控制测量中的应用

苏毅杰1李明2

1北京路桥瑞通养护中心有限公司；2北京鑫畅路桥建设有限公司

摘要：GPS全球定位系统已在测量领域得到广泛的应用。于GPS具有高效率、高精度等特点，已广泛用于控制测量领域。本文则主要分析了GPS测量在隧道控制测量中的应用。

关键词；GPS；隧道控制测量；应用

引言

GPS-RTK是一种实时动态技术是一种新型的GPS测量方法，基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时提供流动站在指定坐标系中的三维定位结果，并在一定范围内达到厘米级精度，该技术的推广将极大地提高隧道勘测放样外业作业效率，是GPS应用的重大里程碑。

1、GPS相关知识

1.1、GPS概念

GPS是卫星测时测距导航/全球定位系统，GPS的构成有以下三个部分：1.1.1空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20～200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码(Coarse/AcquisitionCode11023MHz)；一组称为P码(PreciseCode10123MHz)，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。

1.2、地面控制部分

地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

1.3、用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机。其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。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

2、GPS在隧道控制测量中的应用

为了克服传统测量方法中几何水准高程值的精度较低的问题，可以运用水准测量来对高程进行测量，减少高程误差。这种方法是先测量少数GPS点的高程，再运用拟合手段将其他GPS点的高程计算出来。但是在实际应用中如果拟合模型选择不当，就会导致高程误差过大。

2.1、公共点几何水准测量精度

在正常情况下，要得到测量点的正常值，只需对其大地高测量值和高程异常值的值差进行控制即可。当前往往要运用数学方法来对高程异常值进行计算，在获取数值的过程中，测量点的几何水准高程测量差与GPS大地高之间的差值会产生较大的影响。如果没有严格有效的控制水准测量的精度，就难以保证高程异常值的精度，容易出现高程精度误差。

2.3、GPS测量精度

要对GPS的正常高进行准确的计算，其前提条件就是GPS大地高程观测数据的准确。系统生成模型误差、天线对中误差、天线整平误差、接收设备问题、电离层延迟、多路径效应、对流层延迟、卫星钟差一级卫星星历误差、关于卫星误差的相对论效应等都会影响GPS大地高测量精度。如果是运用GPS技术进行静态测绘，往往要保证信号接收设备的数量能够满足测量需要，并对控制点的准确性进行保证，但是在实际测量工作中往往难以确定采样观察时间，也难以保证信号接收设备的数量和控制点的准确，容易造成高程精度误差。在实际测量中还有一些主客观因素也会对高程精度造成影响，例如测量现场有磁场、不适合测量的环境、天线高量取不准等。

3、提高工程测量中GPS测量精度的具体途径

3.1、对控制点的布设进行强化

要对其他控制点的高程值精度进行保障，就必须保障高程起算点的精度。因此在工程测量中，应该科学的布设控制点，对高程起算点的测量精度和稳定性进行控制，而且拟合所需的水准点数量不得少于6个，并尽量均匀分布。对于范围较大的测区，要提高高程拟合的精度，还可以分区进行拟合模型的构建。3.2对高程拟合法进行合理运用在拟合似大地水准面时，数学曲面构件法是一种比较常用的方法。通过该方法对大地水准面进行拟合之后，就可以对GPS测量点进行计算，并将待测量点的正常高值计算出来。在实际工程测量中，应该对高程拟合法进行合理的选择和运用，例如可以选择二次曲面拟合法、样条函数法、多面函数法、平面拟合法，其中应用范围最广的是二次曲面拟合法，该方法得出的高程异常值具有相对较小的误差。具体测量时也要根据不同的观测环境来选择不同的拟合方法。

3.2、修正电离层误差

卫星信号会受到大气电离层的影响，造成信号的反射和折射，从而使信号接收的过程中出现偏差，影响高程精度。测量人员可以采取以下措施修正电离层误差：多频观测修正，也就是在一个测量点上测量多个伪距，然后将伪距测量值的折射率计算出来，得出折射改正数值。同步观测修正。选择两个观测站，距离不超过20km，同时进行观测，再以观测结果为依据，计算电离层的测量精度，从而修正卫星信号的参数精度，降低高程精度误差。电离层模型修正。运用电离层模型来对卫星信号参数进行修正，在电离层模型中纳入得出来的参数，然后进行对比，对卫星信号的参数精度进行修正。以上三种方法中，修正作用最大的方法是同步观测修正，能够使高程精度误差降到较低值，经修正之后的高程精度误差甚至可以忽略。补充测量RTK观测不到的测点。对于TK信号失锁或无法固定的中线桩位，诸如靠近大型建筑物旁、树木下、深沟内等位置，需采用其他测量方式进行补充观测，并且要对若干已用RTK观测的中线桩位进行复核检验。提高测量人员的技术水平和责任心。在观测过程中，尽量让施测人员控制好测量的每一步进程，基准站架设的对中整平、仪器高的量取、流动站的对中、观测中桩高程的时间选取、复核控制点和不同测段桩位的重复测量等，均要严格控制，正确执行，这样才能得到高质量、高可靠性的测量成果。

4、结语

GPS技术引领着未来的测绘技术，特别是对于便捷和节约成本减少人力的潜力来说，虽然仍会有许多已经确定和不可见的问题要克服，但是像其他的测绘工具一样，GPS技术仍然是一种新型的先进的系统，跟随着时代、更便捷、效率更高。

参考文献

[1]刘诚.GPS技术在风梅垭隧道控制测量中的应用[J].中国科技信息,2009,02:59+61.

[2]刘小军,朱兰艳.浅谈GPS测量系统在长大隧道平面控制测量中的运用[J].价值工程,2014,15:206-208.

[3]张福荣.GPS在隧道控制测量中的应用[J].内江科技,2008,06:118.

[4]张真龙.GPS系统在隧道测量中的应用探究[J].硅谷,2014,24:55+54.