GPS在高速铁路精密控制测量文档格式.doc

1、1.2.1 参考椭球面定位- 7 -1.2.2 测量坐标系- 9 -1.2.3 高斯一克吕格投影- 10 -1.3.1 GPS测量技术概况- 16 -1.3.2 GPS定位原理- 18 -2.2 主要设计标准- 32 -2.3主要测量工作内容- 32 -2.4高速铁路测量技术要求- 34 -2.5二等水准网复测和加密- 36 -2.2 GPS控制测量与数据处理分析原理- 38 -2.2.4 GPS控制网数据处理及精度分析原理- 38 -第3章 高速铁路GPS控制网优化设计- 47 -3.1 GPS网优化设计指标- 47 -3.2 GPS网优化设计- 50 -3.2.1 GPS零类优化设计- 5

2、0 -3.2.2 GPS网一类优化设计- 52 -3.2.3 GPS网二类优化设计- 55 -3.2.4 GPS网三类优化设计- 56 -结论- 56 -致谢- 59 -参考文献- 60 - 第1章绪论1.1 引言近年来，作为国家基础建设的铁路建设得到了飞速发展。我国的铁路曾先后经历了六次提速，提速线路由少到多，迅速扩展，初步形成了“四纵四横”、覆盖六大主要干线（京沪、京广、京哈、京九、陇海、浙赣）的提速网络。这六次提速结束了我国铁路运营速度长期低水平徘徊的历史，使我国进入了高速铁路建设时期。根据铁道联盟（UIC）的定义:高速铁路指允许速度达到250km/h的客运专线，或允许速度达到200km

3、/h的既有线。安全是实施高速铁路系统建设最核心、最关键和最根本的问题。列车时速达到200km及以上，对铁路安全提出了更高的要求。高速列车运营安全和舒适性的首要条件是轨道的高平顺性，它依赖于轨道铺设和养护维修过程中的高质量，而获得高质量轨道几何线形的基础是精密的控制测量技术。因此，研究确定铁路提速改造建筑施工精密测量标准及方法，不仅是施工的需要，也是今后线路养护维修工作的基础和保证。为了保障高速铁路设计优化和合理施工，与之相关的基础控制测绘工作的重要性不言而喻。高速轨道工程精度高，传统测量中控制网网形布设，观测和数据处理方法已显不足，再加之原有铁路控制网精度偏低、桩点密度不足，以及桩点稳固性差等

4、问题己不同程度地影响到线下工程的施工和运营养护维修观测工作，因此建立轨道铁路提速或改造建筑施工精密测量控制网也是急需的1。随着社会的高速发展，测绘技术也得到了广泛的应用，尤其是GPS测绘技术，己经用于轨道工程建设的方方面面。从首级控制到轨道线路的施工放样，GPS技术都发挥着重要的作用。GPS应用于高速轨道控制测量，其工作量大，作业时间长，施工线路狭长，要求精度高，而其高程精度低2，亟待我们结合水准测量技术，建立一套合理作业和数据处理方式，为后期线路施工和维护提供保障，进而保证轨道的高平顺性。1.2 测量的基础知识1.2.1 参考椭球面定位测量主要研究对象是自然表面，但地球是表面极不规则的椭球体

5、。由于地球上海洋面积约占71%，测量中就把地球的形状看成由静止的海水面向陆地延伸并围绕整个地球形成的某种形状。于是人们把一个假想的与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面，而地球上重力的作用线称为铅垂线。 然而大地水准面是一个略有起伏的不规则的曲面，无法用数学公式精确表达。后来，经过长期的测量实践表明，地球形状可近似的看成一个两极稍扁的旋转椭球，即一个椭圆绕其轴旋转而形成的形体，其形状表面可用数学公式准确的表达出来。于是人们就用与某个区域或者国家大地水准面最为密合的椭球体来代替大地水准面作为测量计算的基准面，此椭球体称为参考椭球体，椭球面称为参考椭球面。 几何

6、大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴a、短半轴b和扁率表示: 要使某参考椭球面在一个国家和地区范围内与大地水准面最佳拟合，就需要对该参考椭球定位。其定位方法分为:单点定位法和多点定位法。如图2.1所示： 在一个国家的适当地点选定一地面点P作为大地原点，并在该点进行精密的天文测量和高程测量。将P点沿铅垂线方向投影到大地水准面上得到P点，设想大地水准面与参考椭球面在P点相切，椭球面上P点的法线与该点对大地水准面的铅垂线重合，令椭球短轴与地球自转轴平行，其轨道面与地球赤道面平行，称为单点定位法。利用大地控制网布设掌握的一定数量的天文大地重力测量点数据和已有参考椭球参数进行椭球定位，此称为多点定位

7、法。1.2.2 测量坐标系为了确定地面点的空间位置，就需要建立相应的坐标系。测量中常见的坐标系有:大地坐标系、空间直角坐标系、WGS84坐标系和平面直角坐标系。在大地坐标系中，地面上一点的空间位置用该点在地球的大地纬度B、大地经度L和该点沿椭球面法线到椭球面的距离H表示;空间直角坐标系是以参考椭球体的中心O为原点，起始子午面与赤道面的交线为X轴，赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭球体旋转轴为Z轴，构成右手直角坐标系OXYZ，P点的坐标为OP在这三个坐标轴的投影x、y、z表示;WGS84坐标系是全球定位系统（GPS）采用的坐标系，属地心空间直角坐标系。其原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.

8、0定义的协议地球极（CIP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CIP赤道交点，Y轴垂直于X、Z轴，构成X、Y、Z右手直角坐标系;平面直角坐标系的建立是由于建设规划、设计一般在平面上进行的，因此需要把空间点的位置和地面图形表示在平面上，建立平面直角坐标系。测量中常采用:独立平面直角系、建筑施工坐标系和高斯平面直角系，它们纵轴为X轴，表示南北方向，向北为正，横轴为Y轴表示东西方向，向东为正。1.2.3 高斯一克吕格投影为了便于测量和计算，需要把参考椭球面上的要素转化到平面上，就需要采用投影方法。高斯克吕格投影是横轴等角圆柱投影，又称之为横轴墨卡托投影（UTM） 。主要是设想有一个椭圆柱面

9、横套在地球椭球体外面，使他与椭球上某一子午线相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定投影方法，将子午线两侧各一定范围内的地区投影到椭球圆柱面上，再将此圆柱面展开即成为投影面。在投影面上，投影为相互垂直直线的中央子午线和赤道交点作为原点，以中央子午线投影向北为坐标轴X的正向，以赤道投影向东方向为Y的正向。便形成上述所说的高斯平面直角坐标系。根据高斯投影的特点:除中央子午线外，各点均存在变形，且离中央子午线越远，长度变形越大。为了控制这种变形，将地球按照一定的经差分成若干范围不大的带，我们称之为投影带。常规测量中一般分为3带和6带。在我国采用了两种大地坐标系，即1954北京坐标系和1980国

10、家大地坐标系。在常规测量中采用二者中的大地坐标系统时，都需要地面上的观测值分别是转化到克拉索夫斯基或者1975大地测量参考系统参考椭球体上，然后再利用高斯克吕格投影投影到地面上的。1.地面距离归化到参考椭球体由图2.2所示:D为归算到参考椭球面上AB的边长，D0为地面上AB两点的边长，Hm为AB两点的平均高程，R为地球半径。如图2.2所示，因此有:2.参考椭球面上的距离投影到高斯投影面变形比为:其中，ym为归算边两端点横坐标值，Rm=6375.9km。S为高斯投影面上的平面值。结合公式（22），（23）可得: 在将地面测量观测值归化到参考椭球体，再将参考椭球体上的观测值投影到高斯投影面上，都会

11、产生距离的变形，并且当Hm0时，D1，和D2符号相反，恰好可以抵消一部分投影变形值。高速铁路工程控制测量的特点是线路长，其施工主要是沿着一条或者几条带状范围内进行，又针对高速铁路对控制网的高精度要求，客运专线无砟轨道铁路工程测量技术中规定:高速铁路使用的工程控制测量坐标系统投影长度变形值变形1:100000。（0时，平均高程Hm和坐标平均值m的变形值符号是相反的，并且它们在满足投影长度变形值变形（或者170000）的情况下，二者在各自的一定范围内是对应的，也就是说简单的缩小Hm或m不一定能达到减小m的目的。3.长度变形比是发散的，平均高程Hm和坐标平均值m的值任意一个超过某个范围，就达不到高速

12、铁路精密工程控制测量变形比要求。在实际高速铁路工程控制网测量中，利用国家统一3或者6高斯平面直角坐标系，边长的两次归算大多满足不了上述的要求。此时，为了保证工程测量的质量和精度，可以选用合适的参考面或者采用任意较窄带宽独立高斯投影平面直角坐标系来削弱投影变形。即: 1.通过改变平均高程Hm，膨胀参考椭球面来实现对分带投影变形的补偿;2.通过改变坐标平均值m，平移中央子午线来实现对边长从参考椭球面改算到参考椭球面变形的补偿;3.通过两者都改变，来共同抵偿两种归算改正，这就是所谓的具有高程抵偿面的任意带高斯投影。其中椭球膨胀法的基本思想是保持参考椭球体定位和定向不变，对椭球进行放大，使得经过放大的

13、参考椭球体与独立坐标系所选的平面相切，如图2.3所示，此时在切点处两椭球的法线重合。要满足上述膨胀条件，新椭球的长半轴a1和扁率e1分别为:其中N为卯酉圈半径，B为纬度。高速铁路精密工程控制网中，可以根据具体情况选择上述方法中的一种，最简单的方法是第二种，它没有变动高程参考面那么复杂的计算，在与其他相同坐标转换的过程中具有相同的参考椭球面而比较容易。但当测区地势变化较大或不均匀的情况下，该方法就不一定适用，此时，我们可以选择第一种方案或第三种来达到抵偿投影变形比的目的。1.3.1 GPS测量技术概况 GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力, 也引起了广大测量工作者的极大兴趣。

14、当时GPS定位基本上只有一个作业模式 静态相对定位, 两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星1 2h或更长一些时间, 通过观测数据的后处理, 给出各待定点间的基线向量, 在采用广播星历的条件下, 静态定位可取得5mm+ 1 10D（双频）或10mm+ 210D（单频）基线解精度。随着技术的发展, 快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路, 大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统（双频）在10km以内的短边上, 正常接收4 5颗卫星5min左右,即可获取510mm+110- 6D的线精度,与12h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。各个GPS测量厂商看好这

15、个大趋势, 纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪, 有的称之为RTK（实时动态测量）, 有的称之为RTKGPS。总之, GPS测量理论与设备的不断发展, 使得GPS测量技术日趋成熟, GPS测量功能更加完善, GPS测量应用面更广, 并且GPS测量设备价格变得低廉, 操作更加简便, 使GPS测量更加实用化和自动化。20世纪80年代以来, 随着GPS定位技术的出现和不断发展完善, 使测绘定位技术发生了革命性的变革,为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术,正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的G

16、PS技术所代替;定位方法已从静态扩展到动态; 定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。1.3.2 GPS定位原理GPS定位原理是利用几何和物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星与地面点距离交汇出地面的位置。从测量的角度看，则相似于后方交会，即可在同一时间测定三个距离才可定位。但要从解析的角度讲，实现同步必须具有统一的时间基准，因此必须通过至少4颗卫星的距离才能定位。因此，GPS定位就是准确测量出卫星至我们观测点的距离。GPS根据其测距原理的不同，分为伪距法定位和载波相位测量定位。伪距法定位速度快、抗干扰能力强、信号功率小、无模糊度等优点，但伪距定位采用的观测值是C/A码伪距

17、或者P码伪距，C/A码伪距观测值的精度一般为3m，而P码伪距观测值的精度一般在30m左右，由此可见伪距法定位精度比较低，本文暂不做介绍。下面主要介绍载波相位测量定位。所谓测相伪距观测量，指的是卫星星钟tj时刻发射的载波信号，在用户接收机站钟于ti时刻被接收到，卫星载波信号由发射到被接收，期间载波信号传播的相位称为载波相位观测量，亦称为测相伪距观测量。假设接收机内振荡器频率初相与卫星发射载波初相完全相同，两者振荡频率也完全一致并稳定不变，又假设卫星钟和站钟亦完全同步，则载波相位观测量实际上是卫星tj时刻载波相位与用户接收机ti时刻复制的载波相位之间的相位差，参见下图若设:j（tj）表示卫星Sj于

18、历元tj发射的载波信号相位，i（ti）表示接收机Ti于历元ti的复制信号相位。则上述载波信号之相位差为:设载波信号的波长为，则有卫星到接收机的几何距离Rij为:如图2.6所示，GPS观测值是向量，可设GPS观测值有如下关系:式中，表示卫星Sj在协议地球坐标系中的直角坐标向量，它由导航电文中提供星历参数计算出的己知量，表示测站在协议地球坐标系中的直角坐标向量，是待求量。根据简谐波的物理特性，ij（t）看成整周数与不足整周数之和，当跟踪到卫星后，在初始观测历元ti=t0即有:当接收机跟踪住卫星信号进行首次载波相位测量后，对气候任一历元t的总相位差可由下式表示:顾及卫星和接收机钟差，电离层和对流层影

19、响，同时取现测站坐标初始向量为，其改正数向量为，把Rij（t）在（xi0，yi0，zi0）用泰勒公式展开，则可得到载波相位观测方程线性化形式： 式中C为电磁波传播速度，f为信号频率，ij（t）为测相伪距，1和2为电离层和对流层的影响，ta和tb分别为接收机和卫星钟差改正数;上式即为接收机j对卫星Si载波相位测量的观测方程。美国为控制非授权用户获得高精度实时定位，对GPS采用了在卫星信号上施加干扰信号的方法以限制用户的使用，使用SA技术和AS技术，使得非特许用户无法接收L2载波上的P码。更不能利用P码实行定位，也不能用P码和C/A码的相位观测量进行联合测算。以上两种限制性技术使广播星历精度由原来

20、的15m左右降到75m以上，影响最大时，单点定位精度可下降100m以上。为了提高实时导航定位精度，常采用差分GPS技术。静态差分GPS定位又称为静态相对定位，目前普遍采用的不同卫星之间、不同接收机之间和不同里元之间的独立观测量的3种差分形式:单差，双差和三次差。根据独立观测量里面很多待求参数相等或相似，采用相互求差法可以消除或者减弱弱诸如卫星星钟误差，接收机星钟误差，电离层和对流层影响，整周模糊度以及轨道残差，从而达到提高GPS观测精度的目的36。1.3.3 GPS的特点相对于常规的测量方法来讲, GPS测量有以下特点:1）测站之间无需通视。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须

21、开阔, 以使接收GPS卫星信号不受干扰。2）定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+110- 6D, 而红外仪标称精度为5mm+ 510- 6D, GPS测量精度与红外仪相当, 但随着距离的增长, GPS测量优越性愈加突出。3）观测时间短。采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30 40min左右, 采用快速静态定位方法, 观测时间更短。4）提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时, 可以精确测定观测站的大地高程。5）操作简便。GPS测量的自动化程度较高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化, 观测人员只需将天线对中、整平, 量取天线高打开电源即可进行自动

22、观测, 利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获, 跟踪观测等均由仪器自动完成。6）全天候作业。GPS观测可在任何地点, 任何时间连续地进行, 一般不受天气状况的影响。在中国GPS定位技术的应用已深入各个领域, 国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术。在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地震的形变监测、海岛或海域测量等也已广泛的使用GPS技术。随着GPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统的发展和美国AS技术的解除, 单点定位精度不断提高, GPS技术在导航、运载工具实时监控、石油物

23、探点定位、地质勘查剖面测量、碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景。1.3.4 GPS在高速铁路控制测量相关概念基础框架平面控制网CP0：为满足线路平面控制测量起闭联测的要求，沿线路每50km左右建立的卫星定位测量控制网，作为全线勘测设计、施工、运营维护的坐标基准。基础平面控制网CP：在基础框架平面控制网（CP0）或国家高等级平面控制网的基础上，沿线路走向布设，按GPS静态相对定位原理建立的线路平面控制网起闭的基准。在勘测阶段按静态GPS相对定位原理建立，点间距为4km左右，测量精度为GPS B级网。平面控制网CP：在基础平面控制网（CP）上沿线路附近布设，为勘测、施工阶段的线路平面控制和轨道控制网起闭的基准。可用GPS静态相对定位原理测量或常规导线网测量，在勘测阶段建立。点间距为400800m左右，测量精度为GPSC级网或三等导线。控制网CP：沿线路布设的三维控制网，起闭于基础平面控制网（CP）或线路控制网（CP），一般在线下工程施工完成后进行施测，为轨道施工和运营维护的基准。CP网按自由设站边角交会的方法测量。点间距为纵向60m左右、横向为线路结构物宽度，测量精度为相邻点位的相对中误差小于1mm。在