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，通過布設控制網獲取目標點的平面坐標，結合相位模糊計算進行坐標轉換，實現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 的控制網布設，通過布置GNSS 變形監(jiān)測網分析短基線測量數據間的噪聲特性完成數據計算，測量精度低，適應能力差［1］。文獻提出的基于IGS 站的控制網布設屬于大型線狀網布設，需要選取大量的控制點進行布設，成本較高，且以IGS 站作為測量數據交換站實現目標和定位系統(tǒng)的數據傳輸，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布設利用控制點間的通視性，分析相鄰兩控制點測量數據的相位差進行定位，但在實際應用中，常由于信號遮擋導致無法及時采集數據，且穩(wěn)定性較差［3］?；谝陨戏治?，本文深入研究了GPS 測量技術在短基線控制網布設中的應用，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 短基線控制網的布設

1.1 控制網的網型設計

為了提高GPS 測量技術在短基線控制網頁布設中的應用效果，首先完成短基線的網絡布局設置，為GPS 測量技術的應用構建應用環(huán)境［5］。根據GPS測量技術的應用規(guī)范，本文在短基線控制網中主要設置兩個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，防止出現引用點故障，導致測量技術引入失敗。在每個控制點內需要設置至少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GPS 的規(guī)范，控制點之間的距離控制在900 米～1100 米范圍內，保證控制點之間構成一個環(huán)路，實現有效測量［6］。

除此之外，控制網布置圖結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布設圖［7］，控制網布置示意圖如下圖1所示。在構建短基線控制網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據也不具有被發(fā)現的條件［8］。對于觀測效果，本文主要考慮布網觀測的通視方向，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據為原則。

圖1 控制網網形圖

1.2 控制點的選點

短基線控制網內設置了多個控制點，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。橋梁隧道洞內的測量定位原理如圖2所示。

圖2 橋梁隧道洞內的測量定位原理

然后，確定控制點。根據在短基線控制網內布置的觀測點位置，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，完成短基線控制網最外層的確定。橋梁隧道洞內短基線測量網圖如圖4所示。

圖4 橋梁隧道洞內短基線測量網圖

2 基于GPS測量技術的橋梁隧道短基線測量

2.1 測量數據預處理

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

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

（1）每個控制點的處理數據參考方差的值應該無限趨近于1；

（2）測量數據基線的同步閉合差不能大于1厘米；

（3）數據的環(huán)長和基線條數的比例應該在1∶562。

（4）數據在平差約束計算后，基線在DM205～DM151范圍內。

基線數據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］。若基線數據不滿足同步環(huán)檢測和異步環(huán)檢測的檢測標準，視為無意義的測量數據，需要被刪除。

2.2 測量數據的解算

測量數據解算的目的是將觀測的數據，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內每個控制點測量數據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

針對短基線控制網內測量提交數據的解算，主要涉及基線向量的方差、協方差、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，完成控制點測量數據的解算，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表示測試數據關系序列；T表示時間序列。

通常情況下，控制點的數據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，全站儀中轉點的測量數據是在多個控制點測量數據的基礎上進行測量的，所以針對全站儀數據的測量存在復雜性和困難性［17］。經過對以往的測量數據分析，全站儀中轉戰(zhàn)越少的站點測量的數據誤差越少，為了保證全站儀中轉點數據解密的精度，此儀器測量數據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，即在對全站儀中轉站進行數據測量時，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結構代替，降低數據解密的難度。［18］

2.3 解算結果的校準

短基線控制網內測量數據解密操作完成后，為了保證解密數據的精度，本文在傳統(tǒng)的測量流程中增加了解密結構校準流程。解密結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構坐標的校準，其中，系統(tǒng)校準可以影響坐標的校準結果，但是坐標的校準不能影響系統(tǒng)校準的結果［19］。

系統(tǒng)校準的核心是控制短基線控制網內各個解密數據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，那么測量數據的解密結果是正確的，如果所成角度不在規(guī)定角度范圍內，那么測量數據的解密結果需要進行系統(tǒng)的校準。因為短基線控制網內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據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據的結果化為坐標形式與原先控制點的坐標進行對比，如果解密數據坐標在控制點有效坐標范圍內，則也可以證明解密數據的正確性。相反如果解密數據坐標不在控制點范圍內，那么解密數據存在誤差，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。

結束語

橋梁隧道建設是我國交通建設的重點內容，在國家經濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的先行作用。隨著GPS 技術和產品的不斷發(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布設中的具體應用，進行了科學且合理的短基線控制網布設，進一步提升短基線測量的定位精度，從整體評價結果來看，本文布設的短基線控制網能夠滿足隧道工程對時間效率和結果精度的需求，可直接應用于工程實施，滿足不同工程對隧道洞內定位精度的需求。