1、 GPS 测量在隧道贯通测量中的应用研究学生姓名： * 专 业 ： 工程测量 班 级 ： *工程测量 指导教师： * 讲师摘 要隧道工程大多位于地势恶劣的山区，加之隧道贯通测量的要求较为苛刻，因而应用常规测量手段建立隧道贯通地面控制存在一定困难。近年来随着GPS定位技术的不断完善和发展，GPS技术在隧道贯通测量中已得到初步应用，但受GPS基线垂直分量精度及似大地水准面分辨率及精度的制约，真三维GPS隧道贯通控制还没有得到应用。本文针对目前GPS在隧道贯通测量中存在的一些问题进行了研究，包括:坐标系统，高程系统，网形布设，误差分析，精度分析等方面。并重点对GPS测高精度以及隧道贯通误差进行了探讨
2、，认为GPS测量方法在隧道贯通测量中具有一定的应用价值。本文所做工作对于GPS在隧道贯通测量中的推广和应用研究具有一定的参考价值。关键词：隧道贯通测量、隧道贯通误差、GPS、GPS 高程、隧道 GPS 网目 录第一章 绪 论 .11.1 GPS 在隧道贯通测量中的应用现状 .11.2 本文研究内容 .2第二章 坐标及坐标系间的转换问题 .32.1 概述 .32.2 GPS 坐标系 .32.3 隧道大地坐标系 .32.4 隧道施工坐标系 .52.5 隧道施工坐标计算 .5第三章 高程及高程系统问题 .73.1 隧道贯通测量中的高程基准 .7第四章 隧道贯通技术设计、精度要求及贯通误差预计 .94
3、.1 洞内平面控制测量设计 .94.2 测角精度与测回数的关系 .104.3 洞内平面控制测量优化设计 .114.4 GPS 隧道测量的精度和标准 .13第五章 隧道贯通测量中 GPS 高程研究 .185.1 GPS 高程转换 .185.2 建立统一的隧道高程系统 .185.3 GPS 高程改化拟合法 .19第六章 隧道贯通 GPS 网的网形设计及技术设计 .216.1 GPS 控制网的布设原则 .216.2 GPS 网扩展方式 .216.3 隧道 GPS 网的技术设计 .23第七章 隧道 GPS 网对贯通误差的影响分析 .257.1 隧道 GPS 网贯通误差估算 .257.2 影响贯通精度的
4、其它因素 .27第八章 结束语 .29参考文献 .30第一章 绪 论1.1 GPS在隧道贯通测量中的应用现状我国的隧道工程测量具有悠久的历史和丰富的经验。据统计，新中国成立40 多年来共修建的铁路隧道已经达 4800 多座，总长 2500 公里。在上个世纪80 年代，我国已成为世界上铁路隧道最多的国家之一。特别是在长隧道测量新技术、新方法的应用方面，取得了许多重要的成果，积累了宝贵的经验。经典隧道贯通测量的地面平面控制是利用经纬仪测距仪或全站仪布测点间通视的三角网、测边网、三角锁等建立的，其中使用测距仪或全站仪的导线法容易克服通视困难，应用比较广泛，但在地势恶劣的山区仍需建立高标，加之常规方法
5、观测费工、费时，隧道贯通测量地面平面控制正日益被高精度、高效益、全天候、不需地面点间直接通视的 GPS 静态相对定位技术所取代。由于GPS 定位可以克服通视困难，具有布点灵活性， 因而在山区隧道贯通测量中具有广阔的应用前景。目前国内外应用 GPS 静态相对定位技术建立隧道贯通地面平面控制己有了一些应用先例，如:加拿大太平洋铁路 Rogers 山口的麦克唐纳德山隧道、英吉利海峡海底隧道中皆使用了 GPS 技术；奥地利在建设一长达 22km 的铁路隧道时，建立了一个包括 22 点的 GPS 网，边长 627 km ,水平分量和垂直分量内附合精度为 lcm 和 23 cm ,与地面光电测距成果比较最
6、大不符值为 5mm ； 我国西安 _安康线秦岭特长隧道长达 18.48km ，铁道部第一勘测设计院于1995 年用 3 台 WILD200 接收机在其 C 级隧道 GPS 控制原测网基础上按 B 级进行了复测，求得的各控制点平面坐标中误差: 最大 5.1mm 、最小 1.7mm 、平xm均 3.4mm ； 最大 5.3mm 、最小 1.4mm 、平均 3.3mm ，光电测距导线对进出ym口 GPS 小网检测结果；X 坐标相差 1.54.2 mm ；Y 坐标相差 1.74.4 mm ；铁道部隧道工程局勘测设计院的军都山和晋南云台山隧道 GPS 实验:军都山隧道GPS 网于 93 年 5 月用 3
7、 台 WILD200 接收机用快速静态定位方法观测完成，三维坐标平均中误差 2.lmm 。转入二维后，X 坐标中误差 15 mm , Y 坐标中误差 5l0 mm ；云台山隧道 GPS 网于 1989 年 5 月用 4 台 WM101 接收机用静态定位测量，其 X 坐标中误差 78 mm 、Y 坐标中误差 1025 mm ， 同地面网比较的结果:X 坐标平均较差 2.9mm ，Y 坐标平均较差 2.Omm ；1990 年 56 月间施测的北京地铁 GPS 网:基线中误差 2.lmm ，点位中误差 2.lmm ，与光电测距边比较相对精度 1/46 万。1.2 本文研究内容本文通过阐述GPS在工程
8、测量中的优势，对GPS隧道贯通测量中涉及的有关理论和方法进行了深入、细致地研究，进一步论述了GPS 在隧道贯通测量中的可行性, 本文研究的内容主要包括以下几个方面: 坐标及坐标系间的转换问题； 高程及高程系统问题； 隧道贯通技术设计、精度要求及贯通误差预计； 隧道贯通测量中GPS高程研究； 隧道贯通GPS网的网形设计及技术设计； 隧道 GPS 网对贯通误差的影响分析。第二章 坐标及坐标系间的转换问题2.1 概述测站坐标是测站在一定坐标系内的数学表达形式，而坐标系统是进行测量数据处理的数学框架。目前测量实践中广泛使用的坐标形式有欧氏坐标和曲面坐标，坐标系统有天固坐标系和地固坐标系。地固坐标系固定
9、于地球上并于地球一起自转和公转，按原点的不同地固坐标系分为地心、参心和站心三大类。坐标及坐标系间可进行一定的化算和变换。在GPS隧道贯通测量中将涉及到GPS坐标系、大地坐标系、隧道施工坐标系间的转换及其中的坐标化算问题。2.2 GPS坐标系GPS一般采用协议天球坐标系(CIS)和协议地球坐标系(CTS)，在测量应用中为其坐标为了与参心坐标取得一致常采用协议地球坐标系。CIS与CTS之间有固定的关系，CTS与参心坐标系间也可以进行相互转换。目前GPS测量中采用的WGS-84坐标系及ITRF坐标系都是协议地球坐标系。WGS84世界大地坐标系是美国国防部在与WGS72相应的精密星历NSWC-9Z-2
10、基础上采用1980大地参考系和国际时间局BIH1984.0系统定向所建立的地球参考系；国际地球参考框架ITRF是一种由国际地球自转服务局推荐的以国际参考子午面和国际参考极为定向基准，以IERS天文常数为基础所定义的一种地心地球坐标系。GPS测量采用精密星历时采用IRTF国际地球参考架。2.3 隧道大地坐标系隧道大地坐标系是为了求取隧道施工坐标的方便而建立的坐标系形式，隧道大地坐标所对应椭球的定位定向与GPS测量采用的椭球的定位定向一样，但其椭球的长轴需加大 使椭球面与隧道平均高程面重合。aA2.4 隧道施工坐标系隧道施工控制是在线路定测阶段标出的隧道中线基础上进行的一种精密测量。为了施工测量的
11、方便隧道施工控制一般采用隧道工程独立直角坐标系，并取隧道平均高程面作为高斯投影面。独立系原点及纵轴指向视具体情况而定。对于直线隧道一般取一端的洞口投点作为独立系的原点，两端洞口投点连线作为纵轴。对于曲线隧道独立系的选取较为复杂见图2.1所示。独立系纵轴的方位角一般设为 ，坐标原点一般设为某一大整数以使所有控制点坐标不0出现负值。图2.1 几种隧道施工坐标系2.5 隧道施工坐标计算25.1 GPS 基线解算起算点坐标GPS相对定位的观测量是基线在GPS坐标系内的三维直角坐标差，在无约束平差时需有具备高精度GPS绝对坐标的测点作为GPS网平差的起算点。起算点坐标误差对定位成果具有系统性的影响，并有
12、可能导致GPS定位的尺度与施工测AyxD(a)xJDDAy(b)PAyPxDJD(C)PJD1A x(d)DyJD2量的尺度产生差异。高精度绝对坐标的获取方法有：（1）联测国家GPS点；（2）采用精密星历用绝对定位软件单点定位求取；（3）利用多点绝对定位成果以及基线向量成果，传递加权求取；（4）使用适于测区的转换参数由国家坐标转换求取。由于转换参数误差以及国家坐标误差的共同影响，坐标转换方法求取的坐标精度一般较差，坐标转换方法在隧道贯通GPS控制应用研究中应避免使用。25.2 隧道施工坐标计算由GPS观测成果求取其隧道施工成果需进行一系列的坐标及坐标系间的计算，具体计算步骤如下: GPS观测值
13、及其方差一协方差阵在起算点约束下的无约束平差，得到控制点在GPS系内的坐标及坐标协方差阵； GPS椭球长轴加长 ，使隧道施工坐标系原点在隧道大地坐标系内的大a地坐标为 ；(,0)BL 以 为中央子午线计算之直角坐标及其协方差阵的高斯坐标( )及,xy其协方差阵 ；Q 由( )计算隧道两端洞口投点的坐标方位角；,xy 将之高斯坐标( )及其协方差阵 平移、旋转，得到施工坐标系的,xyQ直角坐标及其协方差阵。第三章 高程及高程系统问题GPS高程是指应用GPS精密相对定位提供的测点大地高 ，结合某种间接方H法求取的其高程异常 由下式:（3-hH1）求取测点正常高 的方法。h目前应用较多的GPS 高程
14、方法有:GPS/水准、GPS/重力、GPS水准/重力以及顾及地形影响的GPS/水准/重力/地形方法以及GPS/三角高程等。3.1 隧道贯通测量中的高程基准水准面是互不平行的物理曲面，在相同的两点间进行水准测量所经过的路线不同得到的高差是不同的，为使其高差相同须加入基于某种假说的水准面不平行改正，水准面不平行改正的假说就是高程系统。GPS隧道贯通测量中将涉及到如下一些高程系统:1.正高正高(又称海拔高)是指从地面点沿其铅垂线至大地水准面的距离，相应铅垂线在大地水准面与椭球面间的距离称为大地水准面差距。应该说大地水准面在地球上只有一个，但由于潮汐大气等因素的制约其理想确定存在困难，因而各国一般都是
15、选一个平均海水面代替它，称为区域性大地水准面。并选取与区域大地水准面较为密合的参考椭球建立参心大地坐标系。由于地下物质分布以及密度状况未知，地面点至椭球的铅垂线难以精确确定，所以正高以及大地水准面差距均无法精确求取。2.正常高正常高是地面点沿其铅垂线方向到似大地水准面的距离。相应铅垂线在似大地水准面与椭球面间的距离称为高程异常。正常高及高程异常可以精确求定。高程异常与大地水准面起伏间有系统性差异，似大地水准面与大地水准面在平均海水面上重合，而在山区可能相差几米。大地高 、正常高 以及高程异常 有以下关系Hh(3-2)HGPS相对定位可以精确确定测点间的GPS大地高差，如果转换成相应于我国参心坐
16、标系的大地高差后，再有相应精度的高程异常差信息支持，就可以确定测点间的正常高差，从而为取代常规几何水准提供可能。这在施测水准困难的地区特别在山区隧道(洞)贯通高程控制中具有重要意义。3.局部力高系统由水准测量直接测定的高差与施测路线有关，而正高高差和正常高差值则与水准路线无关，它们是唯一确定的值。不过正高及正常高系统有一个缺点，就是在同一个水准面上不同点的正高或正常高是不相等的。这对于水利及隧道工程来说，是不便的。在特长隧道贯通中宜采用局部力高系统，力高、正高、正常高间有一定的关系，可相互转化。我国目前采用正常高作为全国统一布设高程控制的高程系统，为与国家高程系统一致，对于较短隧道的贯通高程控制可以取正常高系统作为隧道贯通的高程基准。
