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【摘要】隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)地質(zhì)經(jīng)濟(jì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要促進(jìn)作用,礦產(chǎn)資源的綜合開發(fā)利用成為礦產(chǎn)地質(zhì)經(jīng)濟(jì)核心。本文主針對(duì)GPS-RTK技術(shù)礦業(yè)權(quán)核查測(cè)量工作的應(yīng)用,做出以下探討。

【關(guān)鍵詞】GPS-RTK技術(shù)測(cè)量應(yīng)用探討

一、GPS-RTK技術(shù)概述

1.GPS技術(shù)的簡(jiǎn)介。

1.1GPS技術(shù)的發(fā)展。GPS是全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSys-tem)的簡(jiǎn)稱,它是美國(guó)國(guó)防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。于1973年開始設(shè)計(jì)、研制、開發(fā)、耗費(fèi)巨資,歷經(jīng)20年,于1993年全部建成。該系統(tǒng)是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),不僅具有全球性、全天候,連續(xù)的三維測(cè)速、導(dǎo)航、定位與授時(shí)能力,而且具有良好的抗干擾和保密性。該系統(tǒng)的迅速發(fā)展,引起了各國(guó)軍事部門和廣大民用部門的普遍關(guān)注,尤其是GPS定位技術(shù)的高度自動(dòng)化及其達(dá)到的高精度,引起了測(cè)繪工作者的極大興趣。測(cè)繪人員在GPS應(yīng)用基礎(chǔ)研究、實(shí)用軟件開發(fā)、科學(xué)試驗(yàn)以及生產(chǎn)作業(yè)中,取得了巨大的成果,使GPS技術(shù)得到了飛速發(fā)展。

1.2GPS的特點(diǎn)。全球定位系統(tǒng)由空間星座、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備三大部分組成。如下圖所示:

(1)空間星座部分。全球定位系統(tǒng)的空間星座部分由24顆衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座,其中包括3顆可隨時(shí)啟動(dòng)的備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)近圓形軌道面內(nèi),每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為55°,各軌道面之間相距60°,衛(wèi)星距地面的平均高度為202000km,衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間為11小時(shí)58分。這樣的衛(wèi)星分布可保證在全球任何地區(qū)、任何時(shí)刻接收機(jī)都能至少同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星、最多時(shí)11顆衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào),真正達(dá)到了全球性、全天候,連續(xù)實(shí)時(shí)定位的要求。

(2)地面監(jiān)控部分。GPS的地面監(jiān)控部分包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站、5個(gè)監(jiān)控站、及分部全球的跟蹤站。

一個(gè)主控站設(shè)在美國(guó)的科羅拉多·斯平土,其主要功能是協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作,對(duì)地面監(jiān)控站實(shí)施全面控制,其具體任務(wù)有:根據(jù)所有地面監(jiān)控站的觀測(cè)資料推算編制各衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層修正參數(shù)等,并把這些數(shù)據(jù)及導(dǎo)航電文傳送到注入站;提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn),調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟動(dòng)備用衛(wèi)星等。

三個(gè)注入站分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞、南太平洋的卡瓦加蘭和南大西洋的阿松森群島。注入站的主要任務(wù)是通過1臺(tái)直徑3.6m的天線,將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電廣和其他控制指令注入到衛(wèi)星的導(dǎo)航處理機(jī),指導(dǎo)衛(wèi)星按規(guī)定數(shù)據(jù)運(yùn)行和發(fā)射電波。

五個(gè)監(jiān)控站共分別設(shè)在夏威夷阿拉斯加的埃爾門多夫空軍基地、關(guān)島、加里福尼亞的范登堡空軍基地和印度洋的迭哥加西亞。監(jiān)控站的主要任務(wù)是連續(xù)觀測(cè)和接收所有GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)及當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù),將偽距、星歷、氣象數(shù)據(jù)傳送到主控站。

(3)用戶設(shè)備部分。GPS的用設(shè)備部分包括GPS接收機(jī)硬件、數(shù)理處理軟件和微處理機(jī)及其終端設(shè)備等。GPS接收機(jī)是用戶設(shè)備部分的核心,一般由主機(jī)、天線和電源三部分組成。其主要功能是跟蹤接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行變換、放大、處理,以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間,解譯導(dǎo)航電文,實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置,甚至三維速度和時(shí)間。GPS接收機(jī)的種類很多,按用途不同分為測(cè)地型、導(dǎo)航型和授時(shí)型三種;按工作原理分為調(diào)制碼相關(guān)、調(diào)制碼相位和載波平方三種類型;按使用載波頻率的多少分為單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī),其中以雙頻接收機(jī)為精密定位的主要用機(jī)。

2.GPS-RTK技術(shù)簡(jiǎn)介。

2.1GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來,GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域的研究取得了迅速進(jìn)展,測(cè)繪行業(yè)首先將GPS應(yīng)用于大地測(cè)量,并進(jìn)一步將GPS-RTK技術(shù)(全球衛(wèi)星定位的載波相位差分技術(shù))推廣到工程測(cè)量中。

2.2GPS-RTK技術(shù)測(cè)量模式。RTK(Real-Time-Kinematice)技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)載波相位差分的簡(jiǎn)稱。是一種將GPS與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合,實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可在1~5秒時(shí)間內(nèi)得到高精度三維坐標(biāo)技術(shù)。GPS-RTK技術(shù)測(cè)量按用戶接收機(jī)天線在測(cè)量中所處的狀態(tài)來分,可分為靜態(tài)定位測(cè)量模式和動(dòng)態(tài)定位測(cè)量模式。

(1)靜態(tài)定位測(cè)量模式。靜態(tài)定位測(cè)量模式是指在定位測(cè)量過程中,接收機(jī)天線的位置相對(duì)于周圍地面點(diǎn)而言,處于靜止?fàn)顟B(tài)。靜態(tài)定位測(cè)量模式一般應(yīng)用在受客觀因素影響較大、自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施常規(guī)測(cè)量比較困難的情下,進(jìn)行控制測(cè)量。在觀測(cè)過程中,要求GPS-RTK接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行同時(shí)、同步、連續(xù)觀測(cè),實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和觀測(cè)站的三維坐標(biāo),如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定,且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求,便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。

(2)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量模式。動(dòng)態(tài)定位測(cè)量模式是指在定位測(cè)量過程中,接收機(jī)天線的位置相對(duì)于周圍地面點(diǎn)而言,處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)態(tài)定位測(cè)量模式應(yīng)先建立1個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)流動(dòng)站,在基準(zhǔn)站上設(shè)置1臺(tái)GPS-RTK接收機(jī),對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),并采用差分法通過無線電傳輸設(shè)備將其觀測(cè)數(shù)理及基準(zhǔn)站坐標(biāo)實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站。在流動(dòng)站上通過GPS-RTK接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對(duì)定位原理,實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)及進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,并實(shí)時(shí)地以厘米級(jí)的精度給出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。

GPS-RTK動(dòng)態(tài)定位模式測(cè)量系統(tǒng)流程示意圖

2.3GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。GPS-RTK技術(shù)具有精度高、實(shí)時(shí)性和高效性,可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的地面控制到無控制網(wǎng)系統(tǒng)的飛躍發(fā)展,不受地形條件、通視條件等因素的影響,使得其在測(cè)繪行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。

(1)精度高。gps-RTK技術(shù)定位精度高,沒有誤差積累。只要滿足GPS-RTK的基本工作條件,其平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級(jí)。

(2)實(shí)時(shí)性。GPS-RTK技術(shù)可在全球范圍內(nèi)全天候?qū)PS衛(wèi)星定位進(jìn)行觀測(cè),實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)及進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,并實(shí)時(shí)地給出觀測(cè)站的三維坐標(biāo)。

(3)高效性。GPS-RTK技術(shù)大大減少傳統(tǒng)測(cè)量所需的控制點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量站數(shù),提高了作業(yè)效率;GPS-RTK技術(shù)不要求兩點(diǎn)間滿足光學(xué)通視,只要求電磁波相通,降低作業(yè)條件要求;GPS-RTK技術(shù)操作簡(jiǎn)便,容易使用,數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),降低作業(yè)操作技術(shù)和提高作業(yè)率。

二、GPS-RTK技術(shù)在測(cè)量工作中的應(yīng)用

1.工程概況。靜態(tài)定位測(cè)量采用布控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量過程中選取了4個(gè)國(guó)家GPSC級(jí)點(diǎn)及5個(gè)國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)為已知點(diǎn),采用5臺(tái)南方測(cè)繪儀器有限公司生產(chǎn)的靈銳S82RTK測(cè)量?jī)x器對(duì)上允網(wǎng)進(jìn)行了GPS四等平面控制測(cè)量及高程四等測(cè)量。

動(dòng)態(tài)定位測(cè)量運(yùn)用上允網(wǎng)靜態(tài)定位測(cè)量成果進(jìn)行控制測(cè)量,動(dòng)態(tài)定位測(cè)量中采用5臺(tái)(1臺(tái)基準(zhǔn)站,4臺(tái)流動(dòng)站)南方測(cè)繪儀器有限公司生產(chǎn)的靈銳S82RTK測(cè)量?jī)x器對(duì)上允片區(qū)各個(gè)礦區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位測(cè)量。

2.選點(diǎn)布網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)嚴(yán)格按《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)、

《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》(GB/T18341-2001)、《全球定位系統(tǒng)

(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2001)、《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》

(GB/12898-1991)進(jìn)行選點(diǎn)布網(wǎng),布網(wǎng)過程中選取了。

斗栱腹桿在外形上由三部分組成,以從上到下為序:一為底面(對(duì)角用2Φ14的鋼筋拉結(jié))為菱形的四棱柱,二為與四棱柱同底倒置的四棱錐,三為Φ80鋼管單桿。腹桿其節(jié)點(diǎn)施工圖見圖4。

3.結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算。為了增大樓板剛度,組合桁架平衡樓板的正彎矩,使樓板處在全截面受壓的工作狀態(tài)。每塊樓板的自重與織布機(jī)的自重之和390kN,由樓板4邊的梁與腹桿的32個(gè)支撐點(diǎn)共同支撐,假定每個(gè)支撐點(diǎn)支撐10kN,則剩余的70kN由板來承擔(dān),占全部自重的18%。斗栱垂桿(四棱柱)的內(nèi)力?？紤]受力的不均勻性,給1.2的系數(shù)(以下同),考慮結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備,給2.0的系數(shù)(以下同)。每個(gè)支撐點(diǎn)承受24kN的軸力,選用Φ48鋼管,其應(yīng)力為45Mpa<210MPa,合格。

斗栱水平拉桿的內(nèi)力。水平拉桿拉力為24kN,選用2Φ14鋼筋,應(yīng)力為78Mpa<210MPa,合格。

斗栱斜桿(四棱錐)的內(nèi)力。斜桿的軸壓力為34kN,選用Φ48鋼管,其應(yīng)力為64Mpa<210MPa,合格。

斗栱下端單枝腹桿與4Φ20預(yù)應(yīng)力螺桿的內(nèi)力。Φ80鋼管單桿軸壓力為96kN,應(yīng)力為65Mpa<210MPa,合格?？紤]不利組合后,取每個(gè)螺桿承受的軸力為48kN,其應(yīng)力為153Mpa<210Mpa,合格。

桁架鋼絲繩的內(nèi)力。腹桿壓力控制值為40kN,根據(jù)幾何關(guān)系,鋼絲繩拉力控制值為125kN,是鋼絲繩抗拉強(qiáng)度的53.5%,合格。

邊梁的抗扭驗(yàn)算。每跨邊縱梁作用4個(gè)由鋼絲繩產(chǎn)生的傾斜向集中力,其水平分力為118kN,所產(chǎn)生的扭矩為506×106N-mm。邊梁的抗扭能力由兩部分組成,一部分為由邊梁已經(jīng)配置的能夠發(fā)揮抗扭作用的縱筋與箍筋以及混凝土等共同提供;一部分由樓板的負(fù)筋提供。

縱梁混凝土強(qiáng)度相當(dāng)于C30,截面上下各配置5Φ25通長(zhǎng)(各按2Φ25的50%計(jì)取抗扭)和2Φ20的腰筋通長(zhǎng)(按100%計(jì)取抗扭),以及Φ8@200的箍筋(因邊梁抗剪按構(gòu)造配筋,故按100%計(jì)取抗扭),其抗扭轉(zhuǎn)能力按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002中的公式(7.6.4-1)計(jì)算得50.8×106N-mm。

樓板負(fù)筋Φ14@100,抗扭能力為457.7×106N-mm。邊梁兩部分抗扭能力之和為508.5×106N-mm,大于扭矩506×106N-mm,合格。

4.方案特點(diǎn)分析。預(yù)應(yīng)力斗栱腹桿空間組合桁架方案具有明顯的優(yōu)勢(shì):①樓板充當(dāng)桁架上弦而成為壓桿,改善原來混凝土樓板的受力狀態(tài);②增大樓板剛度近30倍;③新增構(gòu)件自重小于100kN,即每平方米只增加70N;④大量桿件在地面加工,施工方便;⑤造價(jià)是傳統(tǒng)加固方法的一半;⑥預(yù)應(yīng)力能夠使原有混凝土樓板的裂縫縮小;⑦已經(jīng)就位的64臺(tái)機(jī)械無需再安裝;⑧充分利用通風(fēng)道技術(shù)層。

三、施工技術(shù)

1.構(gòu)件制作。

1.1下料。垂直鋼管下料長(zhǎng)度的保證措施。將手提切割機(jī)固定于地面,用一塊也能夠固定在地面上的鋼板作為限位裝置,以保證下料鋼管的長(zhǎng)度;斜鋼管的下料:將手提切割機(jī)與長(zhǎng)度限位裝置分別固定在互相垂直的線上,旋轉(zhuǎn)切割機(jī)的固定器成45°方向,既保證下料長(zhǎng)度,又保證角度。墊板與連接板均由工廠剪板機(jī)剪切下料,尺寸準(zhǔn)確,形狀整齊。

1.2焊接。為了保證斗拱腹桿的外形與施工質(zhì)量,采取了兩條措施。一是焊工必須持證上崗操作;二是在焊接前先用小角鋼制成模具,在模具進(jìn)行施焊。保證了128根腹桿規(guī)格一致,形狀整齊,質(zhì)量均勻。

2.預(yù)應(yīng)力值控制。預(yù)應(yīng)力值采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量與控制。施工時(shí),把應(yīng)變計(jì)貼在腹桿上,用應(yīng)變儀測(cè)量腹桿的應(yīng)變量,根據(jù)虎克定理計(jì)算腹桿的壓力值,再由力的節(jié)點(diǎn)平衡原理計(jì)算鋼絲繩的拉力值。

四、加固效果

1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。工程加固工作完成后,對(duì)加固結(jié)構(gòu)的自振頻率、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等參量進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置見圖1所示。加速度峰值測(cè)試結(jié)果(見表6);速度峰值測(cè)試結(jié)果(見表7)。

2.結(jié)果比較。加固前結(jié)構(gòu)自振頻率為2.93Hz,垂向加速度峰值157cm/s2,垂向速度峰值0.96cm/s。加固后結(jié)構(gòu)自振頻率為3.88Hz,垂向加速度峰值99.0cm/s2,垂向速度峰值0.596cm/s。結(jié)構(gòu)自振頻率增大33%,垂向加速度峰值減小37%,垂向速度峰值減小38%,加固效果明顯。垂向速度峰值0.596cm/s小于0.8cm/s,廠房滿足使用要求。

五、結(jié)語

工程實(shí)踐表明,對(duì)承受周期性豎向強(qiáng)激振作用的大跨樓板,采用預(yù)應(yīng)力斗栱腹桿空間組合桁架技術(shù)進(jìn)行加固,效果顯著,值得推廣。

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