礦業中的GPS透析

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【摘要】隨著我國市場經濟的快速發展,礦產地質經濟對經濟發展起到重要促進作用,礦產資源的綜合開發利用成為礦產地質經濟核心。本文主針對GPS-RTK技術礦業權核查測量工作的應用,做出以下探討。

【關鍵詞】GPS-RTK技術測量應用探討

一、GPS-RTK技術概述

1.GPS技術的簡介。

1.1GPS技術的發展。GPS是全球定位系統(GlobalPositioningSys-tem)的簡稱,它是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的需要而建立的。于1973年開始設計、研制、開發、耗費巨資,歷經20年,于1993年全部建成。該系統是新一代衛星導航與定位系統,不僅具有全球性、全天候,連續的三維測速、導航、定位與授時能力,而且具有良好的抗干擾和保密性。該系統的迅速發展,引起了各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關注,尤其是GPS定位技術的高度自動化及其達到的高精度,引起了測繪工作者的極大興趣。測繪人員在GPS應用基礎研究、實用軟件開發、科學試驗以及生產作業中,取得了巨大的成果,使GPS技術得到了飛速發展。

1.2GPS的特點。全球定位系統由空間星座、地面監控和用戶設備三大部分組成。如下圖所示:

(1)空間星座部分。全球定位系統的空間星座部分由24顆衛星組成GPS衛星星座,其中包括3顆可隨時啟動的備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個近圓形軌道面內,每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對地球赤道面的傾角為55°,各軌道面之間相距60°,衛星距地面的平均高度為202000km,衛星繞地球運行一周的時間為11小時58分。這樣的衛星分布可保證在全球任何地區、任何時刻接收機都能至少同時觀測到4顆衛星、最多時11顆衛星發射的無線電信號,真正達到了全球性、全天候,連續實時定位的要求。

(2)地面監控部分。GPS的地面監控部分包括1個主控站、3個注入站、5個監控站、及分部全球的跟蹤站。

一個主控站設在美國的科羅拉多·斯平土,其主要功能是協調和管理所有地面監控系統的工作,對地面監控站實施全面控制,其具體任務有:根據所有地面監控站的觀測資料推算編制各衛星星歷、衛星鐘差和大氣層修正參數等,并把這些數據及導航電文傳送到注入站;提供全球定位系統的時間基準,調整衛星狀態和啟動備用衛星等。

三個注入站分別設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。注入站的主要任務是通過1臺直徑3.6m的天線,將來自主控站的衛星星歷、鐘差、導航電廣和其他控制指令注入到衛星的導航處理機,指導衛星按規定數據運行和發射電波。

五個監控站共分別設在夏威夷阿拉斯加的埃爾門多夫空軍基地、關島、加里福尼亞的范登堡空軍基地和印度洋的迭哥加西亞。監控站的主要任務是連續觀測和接收所有GPS衛星發出的信號及當地的氣象數據,將偽距、星歷、氣象數據傳送到主控站。

(3)用戶設備部分。GPS的用設備部分包括GPS接收機硬件、數理處理軟件和微處理機及其終端設備等。GPS接收機是用戶設備部分的核心,一般由主機、天線和電源三部分組成。其主要功能是跟蹤接收衛星發射的信號并進行變換、放大、處理,以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間,解譯導航電文,實時地計算出測站的三維位置,甚至三維速度和時間。GPS接收機的種類很多,按用途不同分為測地型、導航型和授時型三種;按工作原理分為調制碼相關、調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和雙頻接收機,其中以雙頻接收機為精密定位的主要用機。

2.GPS-RTK技術簡介。

2.1GPS-RTK技術的發展。20世紀90年代以來,GPS全球衛星定位系統在應用領域的研究取得了迅速進展,測繪行業首先將GPS應用于大地測量,并進一步將GPS-RTK技術(全球衛星定位的載波相位差分技術)推廣到工程測量中。

2.2GPS-RTK技術測量模式。RTK(Real-Time-Kinematice)技術是GPS實時載波相位差分的簡稱。是一種將GPS與數據傳輸技術相結合,實時解算并進行數據處理,可在1~5秒時間內得到高精度三維坐標技術。GPS-RTK技術測量按用戶接收機天線在測量中所處的狀態來分,可分為靜態定位測量模式和動態定位測量模式。

(1)靜態定位測量模式。靜態定位測量模式是指在定位測量過程中,接收機天線的位置相對于周圍地面點而言,處于靜止狀態。靜態定位測量模式一般應用在受客觀因素影響較大、自然條件比較惡劣的地區實施常規測量比較困難的情下,進行控制測量。在觀測過程中,要求GPS-RTK接收機對GPS衛星進行同時、同步、連續觀測,實時解算整周未知數和觀測站的三維坐標,如果解算結果的變化趨于穩定,且其精度已滿足設計要求,便可以結束實時觀測。

(2)動態定位測量模式。動態定位測量模式是指在定位測量過程中,接收機天線的位置相對于周圍地面點而言,處于運動狀態。動態定位測量模式應先建立1個基準站和多個流動站,在基準站上設置1臺GPS-RTK接收機,對所有可見GPS衛星進行連續觀測,并采用差分法通過無線電傳輸設備將其觀測數理及基準站坐標實時地發送給流動站。在流動站上通過GPS-RTK接收機在接收GPS衛星信號的同時,通過無線電接收設備接收基準站傳輸的觀測數據,然后根據相對定位原理,實時地處理數據及進行相應的坐標轉換,并實時地以厘米級的精度給出流動站的三維坐標。

GPS-RTK動態定位模式測量系統流程示意圖

2.3GPS-RTK技術的優點。GPS-RTK技術具有精度高、實時性和高效性,可以實現從傳統的地面控制到無控制網系統的飛躍發展,不受地形條件、通視條件等因素的影響,使得其在測繪行業中的應用越來越廣。

(1)精度高。gps-RTK技術定位精度高,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到厘米級。

(2)實時性。GPS-RTK技術可在全球范圍內全天候對GPS衛星定位進行觀測,實時地處理數據及進行相應的坐標轉換,并實時地給出觀測站的三維坐標。

(3)高效性。GPS-RTK技術大大減少傳統測量所需的控制點數量和測量站數,提高了作業效率;GPS-RTK技術不要求兩點間滿足光學通視,只要求電磁波相通,降低作業條件要求;GPS-RTK技術操作簡便,容易使用,數據處理能力強,降低作業操作技術和提高作業率。

二、GPS-RTK技術在測量工作中的應用

1.工程概況。靜態定位測量采用布控制網進行測量,測量過程中選取了4個國家GPSC級點及5個國家水準點為已知點,采用5臺南方測繪儀器有限公司生產的靈銳S82RTK測量儀器對上允網進行了GPS四等平面控制測量及高程四等測量。

動態定位測量運用上允網靜態定位測量成果進行控制測量,動態定位測量中采用5臺(1臺基準站,4臺流動站)南方測繪儀器有限公司生產的靈銳S82RTK測量儀器對上允片區各個礦區進行動態定位測量。

2.選點布網?？刂凭W嚴格按《工程測量規范》(GB50026-2007)、

《地質礦產勘查測量規范》(GB/T18341-2001)、《全球定位系統

(GPS)測量規范》(GB/T18314-2001)、《國家三、四等水準測量規范》

(GB/12898-1991)進行選點布網,布網過程中選取了。

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(對角用2Φ14的鋼筋拉結)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。腹桿其節點施工圖見圖4。

3.結構內力驗算。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。每塊樓板的自重與織布機的自重之和390kN,由樓板4邊的梁與腹桿的32個支撐點共同支撐,假定每個支撐點支撐10kN,則剩余的70kN由板來承擔,占全部自重的18%。斗栱垂桿(四棱柱)的內力。考慮受力的不均勻性,給1.2的系數(以下同),考慮結構安全儲備,給2.0的系數(以下同)。每個支撐點承受24kN的軸力,選用Φ48鋼管,其應力為45Mpa<210MPa,合格。

斗栱水平拉桿的內力。水平拉桿拉力為24kN,選用2Φ14鋼筋,應力為78Mpa<210MPa,合格。

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

斗栱下端單枝腹桿與4Φ20預應力螺桿的內力。Φ80鋼管單桿軸壓力為96kN,應力為65Mpa<210MPa,合格?？紤]不利組合后,取每個螺桿承受的軸力為48kN,其應力為153Mpa<210Mpa,合格。

桁架鋼絲繩的內力。腹桿壓力控制值為40kN,根據幾何關系,鋼絲繩拉力控制值為125kN,是鋼絲繩抗拉強度的53.5%,合格。

邊梁的抗扭驗算。每跨邊縱梁作用4個由鋼絲繩產生的傾斜向集中力,其水平分力為118kN,所產生的扭矩為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配置的能夠發揮抗扭作用的縱筋與箍筋以及混凝土等共同提供;一部分由樓板的負筋提供。

縱梁混凝土強度相當于C30,截面上下各配置5Φ25通長(各按2Φ25的50%計取抗扭)和2Φ20的腰筋通長(按100%計取抗扭),以及Φ8@200的箍筋(因邊梁抗剪按構造配筋,故按100%計取抗扭),其抗扭轉能力按照《混凝土結構設計規范》GB50010-2002中的公式(7.6.4-1)計算得50.8×106N-mm。

樓板負筋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.方案特點分析。預應力斗栱腹桿空間組合桁架方案具有明顯的優勢:①樓板充當桁架上弦而成為壓桿,改善原來混凝土樓板的受力狀態;②增大樓板剛度近30倍;③新增構件自重小于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造價是傳統加固方法的一半;⑥預應力能夠使原有混凝土樓板的裂縫縮小;⑦已經就位的64臺機械無需再安裝;⑧充分利用通風道技術層。

三、施工技術

1.構件制作。

1.1下料。垂直鋼管下料長度的保證措施。將手提切割機固定于地面,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度;斜鋼管的下料:將手提切割機與長度限位裝置分別固定在互相垂直的線上,旋轉切割機的固定器成45°方向,既保證下料長度,又保證角度。墊板與連接板均由工廠剪板機剪切下料,尺寸準確,形狀整齊。

1.2焊接。為了保證斗拱腹桿的外形與施工質量,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,在模具進行施焊。保證了128根腹桿規格一致,形狀整齊,質量均勻。

2.預應力值控制。預應力值采用應變計進行測量與控制。施工時,把應變計貼在腹桿上,用應變儀測量腹桿的應變量,根據虎克定理計算腹桿的壓力值,再由力的節點平衡原理計算鋼絲繩的拉力值。

四、加固效果

1現場測試。工程加固工作完成后,對加固結構的自振頻率、振動速度、振動加速度等參量進行了測試。測點布置見圖1所示。加速度峰值測試結果(見表6);速度峰值測試結果(見表7)。

2.結果比較。加固前結構自振頻率為2.93Hz,垂向加速度峰值157cm/s2,垂向速度峰值0.96cm/s。加固后結構自振頻率為3.88Hz,垂向加速度峰值99.0cm/s2,垂向速度峰值0.596cm/s。結構自振頻率增大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、結語

工程實踐表明,對承受周期性豎向強激振作用的大跨樓板,采用預應力斗栱腹桿空間組合桁架技術進行加固,效果顯著,值得推廣。

參考文獻:

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