GPS測量技術在短基線控制網(wǎng)布設中的應用

閆保攀

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

引言

短基線是一種常見的基于基線的測量定位技術，通過布設控制網(wǎng)獲取目標點的平面坐標，結(jié)合相位模糊計算進行坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高效率的測量和定位。隨著我國橋梁建設的不斷發(fā)展，針對隧道測量精度的要求也逐漸上升，由于在橋梁隧道的施工環(huán)境復雜，導致隧道短基線的圖形強度較弱，隨著隧道掘進的距離越長，洞內(nèi)定向的精度受環(huán)境影響越大，精度難以保證。而在短基線測量中，控制網(wǎng)的布設決定了短基線測量的精度，但目前所采用集中控制網(wǎng)布設方式在實際應用中存在一定不足。文獻提出的基于GNSS 的控制網(wǎng)布設，通過布置GNSS 變形監(jiān)測網(wǎng)分析短基線測量數(shù)據(jù)間的噪聲特性完成數(shù)據(jù)計算，測量精度低，適應能力差［1］。文獻提出的基于IGS 站的控制網(wǎng)布設屬于大型線狀網(wǎng)布設，需要選取大量的控制點進行布設，成本較高，且以IGS 站作為測量數(shù)據(jù)交換站實現(xiàn)目標和定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，時效性較差，不能滿足實時定位需求［2］。文獻提出的基于混合雙差相對定位模型的控制網(wǎng)布設利用控制點間的通視性，分析相鄰兩控制點測量數(shù)據(jù)的相位差進行定位，但在實際應用中，常由于信號遮擋導致無法及時采集數(shù)據(jù)，且穩(wěn)定性較差［3］?；谝陨戏治觯疚纳钊胙芯苛薌PS 測量技術在短基線控制網(wǎng)布設中的應用，提出了一種基于GPS 測量技術的短基線控制網(wǎng)布設，旨在進一步提升短基線測量和定位的精度，確保隧道建設的準確貫通，加速我國的橋梁隧道工程建設［4］。

1 短基線控制網(wǎng)的布設

1.1 控制網(wǎng)的網(wǎng)型設計

為了提高GPS 測量技術在短基線控制網(wǎng)頁布設中的應用效果，首先完成短基線的網(wǎng)絡布局設置，為GPS 測量技術的應用構建應用環(huán)境［5］。根據(jù)GPS測量技術的應用規(guī)范，本文在短基線控制網(wǎng)中主要設置兩個GPS控制點，一個是作為首次推薦的GPS 技術引用點，一個是輔助點，防止出現(xiàn)引用點故障，導致測量技術引入失敗。在每個控制點內(nèi)需要設置至少10個引入控制點，并且每兩個控制點之間需要兩兩連通，根據(jù)GPS 的規(guī)范，控制點之間的距離控制在900 米～1100 米范圍內(nèi)，保證控制點之間構成一個環(huán)路，實現(xiàn)有效測量［6］。

除此之外，控制網(wǎng)布置圖結(jié)構要以實際情況為準則，通常選擇兩個公共邊，從而將兩個四邊形重合，形成一個閉合的短基線控制網(wǎng)布設圖［7］，控制網(wǎng)布置示意圖如下圖1所示。在構建短基線控制網(wǎng)過程中也要考慮到觀測的影響，如果觀測效果不佳，那么測量技術所測量的數(shù)據(jù)也不具有被發(fā)現(xiàn)的條件［8］。對于觀測效果，本文主要考慮布網(wǎng)觀測的通視方向，同時配置精度為5mm+1ppm，4600L型號的多頻GPS 接收機共同完成觀測。觀測時間以實際觀測到準確的數(shù)據(jù)為原則。

圖1 控制網(wǎng)網(wǎng)形圖

1.2 控制點的選點

短基線控制網(wǎng)內(nèi)設置了多個控制點，每個控制點所承接的作用是不同的，因此每個控制點位置的選取和定位都是具有一定的規(guī)則，具體控制點的選取過程如下所示：

首先，觀測點應該設置在四周開闊的位置，在5000米范圍內(nèi)不能存在過高的建筑物，遮擋觀測點的觀測。

其次，觀測點的角度規(guī)定為仰角15°，在其原本的基礎上擴大觀測點的觀測范圍。由于觀測點內(nèi)設置的部分儀器具有輻射性［9］，因此需將觀測點設置在郊區(qū)，防止輻射對人體或動植物造成侵害，確定好觀測點后，在觀測點上方安裝接收天線。橋梁隧道洞內(nèi)的測量定位原理如圖2所示。

圖2 橋梁隧道洞內(nèi)的測量定位原理

然后，確定控制點。根據(jù)在短基線控制網(wǎng)內(nèi)布置的觀測點位置，要求每個觀測點周圍需要存在5個控制點，每個控制點不能與變壓器重合，或者距離過近，避免干擾GPS信號的接受與發(fā)送［10］。短基線測量示意圖如圖3所示。

圖3 短基線測量示意圖

最后，根據(jù)所布置的控制點和觀測點，以范圍最小化為原則，完成短基線控制網(wǎng)最外層的確定。橋梁隧道洞內(nèi)短基線測量網(wǎng)圖如圖4所示。

圖4 橋梁隧道洞內(nèi)短基線測量網(wǎng)圖

2 基于GPS測量技術的橋梁隧道短基線測量

2.1 測量數(shù)據(jù)預處理

為了降低針對短基線控制網(wǎng)內(nèi)測量數(shù)據(jù)的計算復雜度，首先需要對測量數(shù)據(jù)進行預處理［11］，初次篩選出不具有計算意義的測量數(shù)據(jù)，保證測量數(shù)據(jù)解密計算數(shù)據(jù)的有效性［12］，提升數(shù)據(jù)計算的效率，保證計算精度

基線預處理是對測量數(shù)據(jù)的基線雙差值完成篩選處理。具體基線測量數(shù)據(jù)的篩選原則如下所示：

（1）每個控制點的處理數(shù)據(jù)參考方差的值應該無限趨近于1；

（2）測量數(shù)據(jù)基線的同步閉合差不能大于1厘米；

（3）數(shù)據(jù)的環(huán)長和基線條數(shù)的比例應該在1∶562。

（4）數(shù)據(jù)在平差約束計算后，基線在DM205～DM151范圍內(nèi)。

基線數(shù)據(jù)必須滿足以上兩條或者兩條以上的原則，若達不到以上要求，需進行異步環(huán)檢測［13］，異步環(huán)檢測的對象是基線任意相連的三條邊，檢測原則和同步環(huán)檢測流程相同［14］。若基線數(shù)據(jù)不滿足同步環(huán)檢測和異步環(huán)檢測的檢測標準，視為無意義的測量數(shù)據(jù)，需要被刪除。

2.2 測量數(shù)據(jù)的解算

測量數(shù)據(jù)解算的目的是將觀測的數(shù)據(jù)，在預處理的基礎上進行進一步擴展，提高測量的精度［15］。本文應用GPS 測量技術時，采用靜態(tài)測量，一方面可以提高測量的任務量，另一方面可以保證短基線控制網(wǎng)內(nèi)每個控制點測量數(shù)據(jù)存在的誤差是獨立誤差［16］?；贕PS測量技術的靜態(tài)測量過程如圖5所示。

圖5 基于GPS測量技術的靜態(tài)測量過程

針對短基線控制網(wǎng)內(nèi)測量提交數(shù)據(jù)的解算，主要涉及基線向量的方差、協(xié)方差、基準方程、觀測權重矩陣以及誤差仿真，解算原理是利用最小二乘法公式，將各個矩陣進行關聯(lián)，完成控制點測量數(shù)據(jù)的解算，解算公式如：①②③

其中，W表示耽誤權重；l表示測試距離。

耽誤權重W的計算公式如下：

其中，B表示測試數(shù)據(jù)關系序列；T表示時間序列。

通常情況下，控制點的數(shù)據(jù)利用公式可以直接完成解密操作，但是由于橋梁隧道測量中，全站儀中轉(zhuǎn)點的測量數(shù)據(jù)是在多個控制點測量數(shù)據(jù)的基礎上進行測量的，所以針對全站儀數(shù)據(jù)的測量存在復雜性和困難性［17］。經(jīng)過對以往的測量數(shù)據(jù)分析，全站儀中轉(zhuǎn)戰(zhàn)越少的站點測量的數(shù)據(jù)誤差越少，為了保證全站儀中轉(zhuǎn)點數(shù)據(jù)解密的精度，此儀器測量數(shù)據(jù)的解密需要進行雙重解密，在解密公式計算的基礎上，還需要特殊引入線性誤差傳播定量，即在對全站儀中轉(zhuǎn)站進行數(shù)據(jù)測量時，將全站儀測量的輔助控制點設置為1 個，其他控制點由多個導線網(wǎng)結(jié)構代替，降低數(shù)據(jù)解密的難度。［18］

2.3 解算結(jié)果的校準

短基線控制網(wǎng)內(nèi)測量數(shù)據(jù)解密操作完成后，為了保證解密數(shù)據(jù)的精度，本文在傳統(tǒng)的測量流程中增加了解密結(jié)構校準流程。解密結(jié)構校準流程分為兩部分，一部分是系統(tǒng)的校準，另一部分是對解密結(jié)構坐標的校準，其中，系統(tǒng)校準可以影響坐標的校準結(jié)果，但是坐標的校準不能影響系統(tǒng)校準的結(jié)果［19］。

系統(tǒng)校準的核心是控制短基線控制網(wǎng)內(nèi)各個解密數(shù)據(jù)對應的控制點軸線方向和向角方向的角度是否符合規(guī)定要求，如果符合要求，那么測量數(shù)據(jù)的解密結(jié)果是正確的，如果所成角度不在規(guī)定角度范圍內(nèi)，那么測量數(shù)據(jù)的解密結(jié)果需要進行系統(tǒng)的校準。因為短基線控制網(wǎng)內(nèi)控制點軸線方向是固定的，所以在進行系統(tǒng)校驗時，通過更改向角的角度完成系統(tǒng)的校驗。二級平面控制點角度校核表如表1所示。

表1 二級平面控制點角度校核表

在執(zhí)行系統(tǒng)校驗的基礎上解密數(shù)據(jù)坐標的校驗也可以說是對系統(tǒng)校驗的檢測，其校驗流程與系統(tǒng)校驗是綁定的。坐標校驗工作的核心是通過將解密數(shù)據(jù)的結(jié)果化為坐標形式與原先控制點的坐標進行對比，如果解密數(shù)據(jù)坐標在控制點有效坐標范圍內(nèi)，則也可以證明解密數(shù)據(jù)的正確性。相反如果解密數(shù)據(jù)坐標不在控制點范圍內(nèi)，那么解密數(shù)據(jù)存在誤差，需要進行重新解密。重新解密后，重復系統(tǒng)校驗和坐標校驗流程，直到校驗成功。

結(jié)束語

橋梁隧道建設是我國交通建設的重點內(nèi)容，在國家經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的先行作用。隨著GPS 技術和產(chǎn)品的不斷發(fā)展，GPS 在橋梁測量以及隧道定位中的應用也逐漸普及化，本文深入研究了GPS測量技術在短基線控制網(wǎng)布設中的具體應用，進行了科學且合理的短基線控制網(wǎng)布設，進一步提升短基線測量的定位精度，從整體評價結(jié)果來看，本文布設的短基線控制網(wǎng)能夠滿足隧道工程對時間效率和結(jié)果精度的需求，可直接應用于工程實施，滿足不同工程對隧道洞內(nèi)定位精度的需求。