盾构机是一种集机械、电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科于一体的用于隧道工程的全断面大型掘进装备。盾构隧道法以其施工速度快,自动化程度高,节省人力,不受地面干扰等优势将越来越多的应用于我国城市地铁建设工程。测量导向系统作为盾构机的“眼睛”,在盾构施工中起着至关重要的作用。目前,国产盾构机要实现掘进过程的自动导向,需要配备国外的测量导向系统,相关设备的购买或租赁费用昂贵,因此,研制开发我国具有自主知识产权的盾构机测量导向系统,具有十分重要的现实意义。本课题在国家重点基础研究发展计划(973计划)的资助下,针对盾构机位姿测量系统中的关键技术开展了如下的研究工作:1.介绍了基于全站仪和电子激光标靶的盾构机位姿测量方法,以全站仪直接测量电子标靶坐标,并结合盾构机的三个姿态角,来计算得到盾构机的切口中心和盾尾中心坐标。2.研究了基于无衍射光的盾构机水平方位角的测量新方法。针对测量过程中的光斑中心定位问题,开发了一种基于圆环滤波的无衍射光定中算法。算法对光斑进行圆环滤波,求取单个圆环上的光强平均值及其光强差绝对值和,并以光斑上的若干个圆环的光强差绝对值和的总和为目标函数,利用单纯形搜索算法,通过搜索目标函数的最小值来确定光斑中心点,经实验验证,中心点定位精度可达0.1个像素。3.根据盾构测量精度要求,开展了测量系统中的关键仪器全站仪和电子激光标靶测量参数的误差分析和误差分配方法的研究。采用区间计算方法,分别对单个测量参数进行盾构机位置误差的灵敏度分析,在此基础上,将测量系统误差分配转换成为基于成本函数最小的带约束的最优化模型,并用序列二次规划方法进行求解,误差分配结果采用蒙特卡罗方法进行了验证,可给测量系统的仪器设计,制造和选型提供精度指导。4.开展了隧道设计轴线上全站仪测站点位置规划方法的研究。通过分析隧道设计轴线的平面线形和纵面线形,并研究全站仪和电子标靶间的可视性判断方法,建立了基于可视性约束,入射角约束和距离约束的全站仪移站模型。采用该模型,在给定盾构机模型和隧道设计轴线时,能于施工前确定全站仪测站点位置,给盾构施工予以指导。论文的研究工作为研制开发盾构机位姿测量系统提供了技术铺垫。