矿业中的GPS透析

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【摘要】随着我国市场经济的快速发展,矿产地质经济对经济发展起到重要促进作用,矿产资源的综合开发利用成为矿产地质经济核心。本文主针对GPS-RTK技术矿业权核查测量工作的应用,做出以下探讨。

【关键词】GPS-RTK技术测量应用探讨

一、GPS-RTK技术概述

1.GPS技术的简介。

1.1GPS技术的发展。GPS是全球定位系统(GlobalPositioningSys-tem)的简称,它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。于1973年开始设计、研制、开发、耗费巨资,历经20年,于1993年全部建成。该系统是新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候,连续的三维测速、导航、定位与授时能力,而且具有良好的抗干扰和保密性。该系统的迅速发展,引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注,尤其是GPS定位技术的高度自动化及其达到的高精度,引起了测绘工作者的极大兴趣。测绘人员在GPS应用基础研究、实用软件开发、科学试验以及生产作业中,取得了巨大的成果,使GPS技术得到了飞速发展。

1.2GPS的特点。全球定位系统由空间星座、地面监控和用户设备三大部分组成。如下图所示:

(1)空间星座部分。全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成GPS卫星星座,其中包括3颗可随时启动的备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内,每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°,各轨道面之间相距60°,卫星距地面的平均高度为202000km,卫星绕地球运行一周的时间为11小时58分。这样的卫星分布可保证在全球任何地区、任何时刻接收机都能至少同时观测到4颗卫星、最多时11颗卫星发射的无线电信号,真正达到了全球性、全天候,连续实时定位的要求。

(2)地面监控部分。GPS的地面监控部分包括1个主控站、3个注入站、5个监控站、及分部全球的跟踪站。

一个主控站设在美国的科罗拉多·斯平土,其主要功能是协调和管理所有地面监控系统的工作,对地面监控站实施全面控制,其具体任务有:根据所有地面监控站的观测资料推算编制各卫星星历、卫星钟差和大气层修正参数等,并把这些数据及导航电文传送到注入站;提供全球定位系统的时间基准,调整卫星状态和启动备用卫星等。

三个注入站分别设在印度洋的迭哥加西亚、南太平洋的卡瓦加兰和南大西洋的阿松森群岛。注入站的主要任务是通过1台直径3.6m的天线,将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电广和其他控制指令注入到卫星的导航处理机,指导卫星按规定数据运行和发射电波。

五个监控站共分别设在夏威夷阿拉斯加的埃尔门多夫空军基地、关岛、加里福尼亚的范登堡空军基地和印度洋的迭哥加西亚。监控站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号及当地的气象数据,将伪距、星历、气象数据传送到主控站。

(3)用户设备部分。GPS的用设备部分包括GPS接收机硬件、数理处理软件和微处理机及其终端设备等。GPS接收机是用户设备部分的核心,一般由主机、天线和电源三部分组成。其主要功能是跟踪接收卫星发射的信号并进行变换、放大、处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。GPS接收机的种类很多,按用途不同分为测地型、导航型和授时型三种;按工作原理分为调制码相关、调制码相位和载波平方三种类型;按使用载波频率的多少分为单频接收机和双频接收机,其中以双频接收机为精密定位的主要用机。

2.GPS-RTK技术简介。

2.1GPS-RTK技术的发展。20世纪90年代以来,GPS全球卫星定位系统在应用领域的研究取得了迅速进展,测绘行业首先将GPS应用于大地测量,并进一步将GPS-RTK技术(全球卫星定位的载波相位差分技术)推广到工程测量中。

2.2GPS-RTK技术测量模式。RTK(Real-Time-Kinematice)技术是GPS实时载波相位差分的简称。是一种将GPS与数据传输技术相结合,实时解算并进行数据处理,可在1~5秒时间内得到高精度三维坐标技术。GPS-RTK技术测量按用户接收机天线在测量中所处的状态来分,可分为静态定位测量模式和动态定位测量模式。

(1)静态定位测量模式。静态定位测量模式是指在定位测量过程中,接收机天线的位置相对于周围地面点而言,处于静止状态。静态定位测量模式一般应用在受客观因素影响较大、自然条件比较恶劣的地区实施常规测量比较困难的情下,进行控制测量。在观测过程中,要求GPS-RTK接收机对GPS卫星进行同时、同步、连续观测,实时解算整周未知数和观测站的三维坐标,如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。

(2)动态定位测量模式。动态定位测量模式是指在定位测量过程中,接收机天线的位置相对于周围地面点而言,处于运动状态。动态定位测量模式应先建立1个基准站和多个流动站,在基准站上设置1台GPS-RTK接收机,对所有可见GPS卫星进行连续观测,并采用差分法通过无线电传输设备将其观测数理及基准站坐标实时地发送给流动站。在流动站上通过GPS-RTK接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位原理,实时地处理数据及进行相应的坐标转换,并实时地以厘米级的精度给出流动站的三维坐标。

GPS-RTK动态定位模式测量系统流程示意图

2.3GPS-RTK技术的优点。GPS-RTK技术具有精度高、实时性和高效性,可以实现从传统的地面控制到无控制网系统的飞跃发展,不受地形条件、通视条件等因素的影响,使得其在测绘行业中的应用越来越广。

(1)精度高。gps-RTK技术定位精度高,没有误差积累。只要满足GPS-RTK的基本工作条件,其平面精度和高程精度都能达到厘米级。

(2)实时性。GPS-RTK技术可在全球范围内全天候对GPS卫星定位进行观测,实时地处理数据及进行相应的坐标转换,并实时地给出观测站的三维坐标。

(3)高效性。GPS-RTK技术大大减少传统测量所需的控制点数量和测量站数,提高了作业效率;GPS-RTK技术不要求两点间满足光学通视,只要求电磁波相通,降低作业条件要求;GPS-RTK技术操作简便,容易使用,数据处理能力强,降低作业操作技术和提高作业率。

二、GPS-RTK技术在测量工作中的应用

1.工程概况。静态定位测量采用布控制网进行测量,测量过程中选取了4个国家GPSC级点及5个国家水准点为已知点,采用5台南方测绘仪器有限公司生产的灵锐S82RTK测量仪器对上允网进行了GPS四等平面控制测量及高程四等测量。

动态定位测量运用上允网静态定位测量成果进行控制测量,动态定位测量中采用5台(1台基准站,4台流动站)南方测绘仪器有限公司生产的灵锐S82RTK测量仪器对上允片区各个矿区进行动态定位测量。

2.选点布网。控制网严格按《工程测量规范》(GB50026-2007)、

《地质矿产勘查测量规范》(GB/T18341-2001)、《全球定位系统

(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001)、《国家三、四等水准测量规范》

(GB/12898-1991)进行选点布网,布网过程中选取了。

斗栱腹杆在外形上由三部分组成,以从上到下为序:一为底面(对角用2Φ14的钢筋拉结)为菱形的四棱柱,二为与四棱柱同底倒置的四棱锥,三为Φ80钢管单杆。腹杆其节点施工图见图4。

3.结构内力验算。为了增大楼板刚度,组合桁架平衡楼板的正弯矩,使楼板处在全截面受压的工作状态。每块楼板的自重与织布机的自重之和390kN,由楼板4边的梁与腹杆的32个支撑点共同支撑,假定每个支撑点支撑10kN,则剩余的70kN由板来承担,占全部自重的18%。斗栱垂杆(四棱柱)的内力。考虑受力的不均匀性,给1.2的系数(以下同),考虑结构安全储备,给2.0的系数(以下同)。每个支撑点承受24kN的轴力,选用Φ48钢管,其应力为45Mpa<210MPa,合格。

斗栱水平拉杆的内力。水平拉杆拉力为24kN,选用2Φ14钢筋,应力为78Mpa<210MPa,合格。

斗栱斜杆(四棱锥)的内力。斜杆的轴压力为34kN,选用Φ48钢管,其应力为64Mpa<210MPa,合格。

斗栱下端单枝腹杆与4Φ20预应力螺杆的内力。Φ80钢管单杆轴压力为96kN,应力为65Mpa<210MPa,合格。考虑不利组合后,取每个螺杆承受的轴力为48kN,其应力为153Mpa<210Mpa,合格。

桁架钢丝绳的内力。腹杆压力控制值为40kN,根据几何关系,钢丝绳拉力控制值为125kN,是钢丝绳抗拉强度的53.5%,合格。

边梁的抗扭验算。每跨边纵梁作用4个由钢丝绳产生的倾斜向集中力,其水平分力为118kN,所产生的扭矩为506×106N-mm。边梁的抗扭能力由两部分组成,一部分为由边梁已经配置的能够发挥抗扭作用的纵筋与箍筋以及混凝土等共同提供;一部分由楼板的负筋提供。

纵梁混凝土强度相当于C30,截面上下各配置5Φ25通长(各按2Φ25的50%计取抗扭)和2Φ20的腰筋通长(按100%计取抗扭),以及Φ8@200的箍筋(因边梁抗剪按构造配筋,故按100%计取抗扭),其抗扭转能力按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中的公式(7.6.4-1)计算得50.8×106N-mm。

楼板负筋Φ14@100,抗扭能力为457.7×106N-mm。边梁两部分抗扭能力之和为508.5×106N-mm,大于扭矩506×106N-mm,合格。

4.方案特点分析。预应力斗栱腹杆空间组合桁架方案具有明显的优势:①楼板充当桁架上弦而成为压杆,改善原来混凝土楼板的受力状态;②增大楼板刚度近30倍;③新增构件自重小于100kN,即每平方米只增加70N;④大量杆件在地面加工,施工方便;⑤造价是传统加固方法的一半;⑥预应力能够使原有混凝土楼板的裂缝缩小;⑦已经就位的64台机械无需再安装;⑧充分利用通风道技术层。

三、施工技术

1.构件制作。

1.1下料。垂直钢管下料长度的保证措施。将手提切割机固定于地面,用一块也能够固定在地面上的钢板作为限位装置,以保证下料钢管的长度;斜钢管的下料:将手提切割机与长度限位装置分别固定在互相垂直的线上,旋转切割机的固定器成45°方向,既保证下料长度,又保证角度。垫板与连接板均由工厂剪板机剪切下料,尺寸准确,形状整齐。

1.2焊接。为了保证斗拱腹杆的外形与施工质量,采取了两条措施。一是焊工必须持证上岗操作;二是在焊接前先用小角钢制成模具,在模具进行施焊。保证了128根腹杆规格一致,形状整齐,质量均匀。

2.预应力值控制。预应力值采用应变计进行测量与控制。施工时,把应变计贴在腹杆上,用应变仪测量腹杆的应变量,根据虎克定理计算腹杆的压力值,再由力的节点平衡原理计算钢丝绳的拉力值。

四、加固效果

1现场测试。工程加固工作完成后,对加固结构的自振频率、振动速度、振动加速度等参量进行了测试。测点布置见图1所示。加速度峰值测试结果(见表6);速度峰值测试结果(见表7)。

2.结果比较。加固前结构自振频率为2.93Hz,垂向加速度峰值157cm/s2,垂向速度峰值0.96cm/s。加固后结构自振频率为3.88Hz,垂向加速度峰值99.0cm/s2,垂向速度峰值0.596cm/s。结构自振频率增大33%,垂向加速度峰值减小37%,垂向速度峰值减小38%,加固效果明显。垂向速度峰值0.596cm/s小于0.8cm/s,厂房满足使用要求。

五、结语

工程实践表明,对承受周期性竖向强激振作用的大跨楼板,采用预应力斗栱腹杆空间组合桁架技术进行加固,效果显著,值得推广。

参考文献:

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