完整版GPS在高速铁路精密控制测量毕业设计.docx
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完整版GPS在高速铁路精密控制测量毕业设计
摘要
为了改变铁路事业长期低水平徘徊，缓解铁路运输的紧张状况，大幅度扩大旅客运输和货物运输能力，现阶段，我国大力倡导发展高速铁路。
高速铁路具有速度快、价格公道、运输量大等特点，同时保证安全和舒适性也是发展高速铁路的主要目标。
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，则需要应用精密的测量技术。
由于任何一种测量工作都会产生误差，所以必须采取一定测量程序和方法，以防止误差的积累。
为了解决这个问题，在实际测量中，我们一般先在测区建立控制网，以此为基础，分别从各个控制点开始施测附近的碎部点。
因此为了保证高速铁路运营安全和舒适性，亟待我们建立一套系统、合理的精密控制网作业和数据处理模式，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。
本文以高速铁路精密控制测量相关资料、规范和理论知识为指导，结合实例，对高速铁路精密工程控制建网技术若干问题进行分析和研究。
关键词：
全球定位系统，精密控制测量
ABSTRACT
Inordertochangetherailwaybusinessandsubstantialincreasesofpassengerandcargotransportcapacity,nowadays,ourcountryattachesgreatimportancetothedevelopmentofforHigh-speedtrain’ssafetyandcomfortisthetracklayingandmaintenanceofofsophisticatedmeasurementtechniques.
Becauseoftheworkofanykindofmeasurementwilltoacertainmeasurementproceduresandmethodstopreventtheaccumulationofthoseerrors.Tosolvethisproblem,wesurveyedthegeneralareabeforetheestablishmentofcontrolnetwork,andmeasureddetailpointsnearbyfromthebeginningofeachcontrolpointrespectivelyinpracticalmeasurement.Therefore,inordertoensuresafeandcomfortableofforconstructionandmaintenanceofthelatterrailwayline,istoprovideprotectiontoensureorbit,standardandtheoreticalknowledgeofcontrolsurveyofanumberofissuesofprecisionengineeringof≥25站以上时，采用测站数计算高差测量限差。
水准观测的主要技术要求单位：
m
等级
水准仪最低型号
水准尺类型
视距
前后视距差
测段的前后视距累积差
视线高度
数字水准仪重复测量次数
光学
数字
光学
数字
光学
数字
光学
（下丝读数）
数字
二等
DS1
因瓦
≤50
≥3且≤50
≤1.0
≤1.5
≤3.0
≤6.0
≥0.3
≤2.8且≥0.55
≥2次
观测的具体要求
1观测时，往返测奇数站照准标尺顺序为后－前－前－后，往返测偶数站照准标尺顺序为前－后－后－前。
2每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数。
3根据《国家一、二等水准测量规范》，对于数字水准仪，前后视距差、前后视距累积差的限差分别按≤1.5m、≤6m执行。
数据处理采用专业平差软件《科傻测量数据处理系统》进行平差，自动输出平差成果，报监理签认后方可使用。
在加密水准网布设完成后，我部将按照长吉城际铁路有限责任公司、监理和相关技术规范和设计要求，对加密水准网进行周期复测。
2.2GPS控制测量与数据处理分析原理
2.2.4GPS控制网数据处理及精度分析原理
1.GPS三维网无约束平差
GPS无约束平差是指不引入会造成GPS网产生由非观测量引起的变形的外部起算数据一般是没有起算数据的平差方法，其平差时一般没有起算数据或者只有必要起算数据。
GPS误差方程的建立所采用的观测值均为基线向量，即GPS的基线的起点到终点的坐标差。
因此其每一条基线向量可以列出如下误差方程式:
若GPS网有n个点，通过观测共得到m条独立的基线向量，（可假定第m1条基线的起点和终点分别为n1和n2点）总的误差方程可写成如下形式:
式中：
B矩阵由m×n个和3×3个子块构成。
Ⅰ为单位矩阵。
GPS网平差时，只需要一个位置基准可以采用秩亏自由网基准，但一般用应用地心坐标作为起算位置基准，其可有一个基准方程:
为该基准点坐标改正数。
也可写成:
其中G=[0…Ⅰ…0]。
一条单基线解可提供如下信息:
bⅰ=（△Xⅰ，△Yⅰ，△Zⅰ）T
式中，Qbi为该条基线向量的协方差阵。
因此我们可以为其定权为p=Qbⅰ-1，-
对于n条基线可以提供以下信息:
B为参与构网的基线向量组，Pb为相应的权阵。
综上所述，可按照最小二乘法进行平差计算，得到平差结果:
式中:
待定点坐标参数:
单位权中误差:
式中，m为组成GPS网的基线数，n为点数。
2.GPS三维网约束平差
1）误差方程
设有一个GPS基线向量△XAij=（△Xij△Yij△Zij）TA，其中两端点在地心地固系下的坐标分别为
在参心系B下的坐标分别为
则误差方程为
对于一个有n个点二条基线向量所构成的GPS网，其总的误差方程为
式中各符号与三维无约束平差中类似。
2）约束条件
地面常规测量中的方位角α，垂直角β和斜距s及大地高微分dH在参新坐标系下有如下关系式：
对上面前三式进行全微分，进而组成误差方程式为：
式中，
根据上面式子可知:
固定点坐标约束条件为:
固定边条件为:
固定大地方位角条件为:
固定大地高条件:
3）观测值权阵
在GPS网的三维约束平差时，基线向量观测值的权阵为无约束平差中最终采用的观测值权阵。
4）方程的解
根据上面的观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果:
式中，
（2-36）
待定点坐标参数
（2-37）
单位权中误差
（2-38）
其中m为组成GPS网的基线数，l为己知条件数，l=3l坐标+l边长+l方位【38】。
.
由于GPS观测的三维坐标向量GPS网的验前精度估算一直是个难题，目前可采用的替代方法是把GPS三维基线向量转化为边长和方位角观测量，由此可列出各基线的方程式。
其主要思路是:
可以把基线看成由j，k两待定点组成的导线边，其先验坐标是分别为（xj0,yj0）,（xk0,yk0）,因此可以分别建立jk边的方向值误差方程和和边长误差方程式。
方位观测值Ljk的误差方程式:
（2-39）
边长Skj的误差方程式:
（2-40）
（2-41）
式中，αj0为解算出的先验方位角值，Skj0为解算出的先验边长δzk为定向角未知数，Nk为k点上观测的方向数，zk0为定向角观测值。
第3章高速铁路GPS控制网优化设计
3.1GPS网优化设计指标
GPS控制网优化设计目的是使所有设计的内容达到一种最佳的状态，实际应
用中通常选用精度、可靠性和经费为指标来描述这种状态。
1.精度指标
根据GPS基线向量所建立法方程：
l+V=A
（3-1）
可以得到GPS网协因数阵为:
QXX=（ATPA）-1（3-2）
其中P为基线向量权阵。
一般应用协因数阵久Qxx的特征值最大值最小、特征值的行列式最小、迹最小、迹的平均值最小和最大特征值与最小特征值之间的比值或差值为准则来实现对整体网精度的优化。
2.可靠性指标
GPS网的可靠性是指发现或探测观测值粗差的能力和抵抗观测值粗差对平
差结果影响的能力，其中前者被称为内部可靠性，后者被称为外部可靠性。
对于GPS网中的n个点，必要观测向量个数为n-1，而m台接收机每次观测独立基线向量为m-1，设所有观测任务在K期完成，其观测的基线向量数为:
S=K（m-1）（3-3）
则网中的多余观测量为:
r=K（m-1）+1
（3-4）
因此全网内部可靠性指标可定义为:
η=1-（n-1）[K（m-1）-n+1]
（3-5）
若GPS第ⅰ条观测基线多余观测次数为rⅰ，则有:
（3-6）
而网外部第ⅰ条基线的可靠性指标因子可定义为:
w0（3-7）
w0为非中心参数，常取2.79或4.13.
η值越大，说明其发现粗差的能力越强，而
越小说明第ⅰ条基线可靠性越好。
主体上看，内外可靠性均受rⅰ的影响，并且随着rⅰ增大，其网的内、外可靠性越好，它们具有一致性。
3.费用指标
进行GPS控制网设计时，具有两大原则:
1）费用一定，网的质量最好;
2）网的质量满足要求，费用最小。
在GPS网建设过程中，经费消耗主要跟网中点的总数和重复设站数有关，
如果一台接收机观测一期数据平均消费为Q，则建网总费用为:
（3-8）
不难理解，重复设站数越多，精度和网的可靠性越高，则建网费用越高。
因此权衡三者关系，对GPS网进行优化设计，可以实现工程资源和工程质量的最佳配置。
3.2GPS网优化设计
3.2.1GPS零类优化设计
GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，GPS网约束平差时，基准选取不当，将会直接影响最终结果，更严重的可使高精度的GPS网产生扭曲。
根据上节介绍的基线解算原理可知，基线固定点的误差会给基线结果带来一定的误差，此外，因此，必须对网的位置基准进行优化设计。
GPS工程控制网多为约束网，只需要选择国家、地方坐标系或转化为高程抵偿面的任意带高斯投影直角坐标系（平面和高程）下的一个或多个已知点作为位置基准，但有时候根据特定要求，方位基准可由网中给定的起算方位角值确定;尺度基准可根据边长的不同采用其它测量方法确定，如采用较高精度的测距仪或全站仪施测2一3条基线边。
在上述多基准约束网中，最好先对它们进行相容性检验，以免由于某个基准不匹配引起网形和比例尺发生变化。
若网中无任何其它类型的己知起算点数据时，可将网中一点多次进行GPS观测得到的坐标作为网的位置基准，或按秩亏网处理，选择重心基准。
对于无约束自由网平差，法方程N可以采用加镶边矩阵G来消除奇异阵来解算唯一解，有:
（3-9）
可以假定一些坐标网点重心不变，根据
NG=0（3-10）
建立G阵为:
（3-11）
其中Xⅰ0，Yⅰ0为第i点相对于网重心的近似坐标。
采用上面G阵求得逆阵Qxx称为N的伪逆，表示为Qxx=N-1，。
协因数Qxx具有最小迹，网的精度最佳，称为内精度。
当选用的坐标网点变化时，其协因数Qxx也会随着变化:
（3-12）
当增加某个观测值时:
（3-13）
当删除某观测值时:
（3-14）
增加某观测值的观测次数（修正权）时:
（3-15）
其中Pj为第j个点的坐标权重。
3.2.2GPS网一类优化设计
GPS网一类优化设计即GPS网形设计。
GPS网中点的精度与点位分布无关，它不受网本身几何图形的限制，主要和网中基线的边长有关，从GPS网平差的原理可知，网的形状对GPS网的质量没有直接影响。
区别于常规网要对网中点位通视和观测条件进行最佳布设，GPS网要对以基线边为观测量的布网方式和观测条件进行最佳选择。
GPS网常用的布网形式有:
跟踪站式、会战式、多基准站式、同步图形扩展式和单基准站式。
1跟踪站式
若干台接收机长期放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，因其观测方式很像跟踪站，被称为跟踪站式。
其特点是数据量大，需要用精密星历对数据进行处理，具有很高的精度和框架基准特性。
因其观测时间长，成本高，仅适合于建立GPSAA级网。
2会战式
若千台GPS接收机，对某批测站集中进行多天长时段的同步观测。
完成后，对下批测站进行相同观测，直至所有点观测完毕，称之为会战式。
其特点是可以较好的消除SA技术等因素的影响，具有相当高的网形强度和的精度，适用于A、B级GPS网。
3多基准站式
若干台接收机长期固定在某些测站上进行长时间观测，这些测站称之为基准站。
另外一些接收机在基准站周围进行较短时间的同步观测，我们称之为多基准站式。
其基准站可以提供高精度的基线向量GPS网骨架，其余同步接收机，可以在有效的时间里获得较强的图形结构。
4同步图形扩展式
若干台接收机在不同测站上进行同步观测，完成一个时段后，部分接收机迁移到其它测站上，再在此基础上进行同步观测的布网形式称之为同步图形扩展式。
其扩展形式快，作业方法简单，建立某些观测量的复测，图形结构比较强，是工程测量中常用的一种布网方式。
采用同步图形扩展的观测方式主要有点连式，边连式和混连式。
所谓点连式就是作业时只用过一个公共点连接相邻同步图形，其作业效率比较高，但图形结构不强。
边连式，顾名思义，只用过一个公共边连接相邻同步图形，它具有较强的图形结构和较高的作业效率，是轨道精密工程测量常用的一种施测方式。
混连式是指根据实际情况，灵活的应用点连式和边连式的施测方法，因其作业灵活，效率高，常规测量常用的一种施测方式。
5单基准站式
单基准站式又称为星形网方式，它是以一台GPS作为基准站，在某个测站持续观测，其余接收机在其周围流动观测，这样就与基准站建立起若干条同步基线，其形状类似于星形，故称之。
其特点是布网效率高，但图形强度弱。
布设GPS网时为保证接收机观测条件好，提高观测值可靠性和GPS网精度，应遵循以下准则:
1.为保证对卫星的连续观测和卫星的信号的质量，要求测站上净空条件尽可能的开阔，最好在10°和15°高度角以上不能有成片的障碍物;
2.为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约ZOOm范围内不能有强的电磁波干扰源，应尽量远离大功率无线电发射设施和输电线等;
3.为避免多路径效应的发生，测站应尽量远离对电磁波反射强烈的地形、地物，如高层建筑物、成片水域等;
4.为便于观测作业和今后的应用。
测站应选在交通便利，架设仪器方便的地方;
5.测站应选在利于保存，桩点不容易被破坏的地方。
6.对精密测量网应增加观测期数，保证一定量的重复设站数，布网时最小异步环数不能大于六条。
7.为保证相邻站点有较高的相对精度，对网中较近距离的点一定要同步观测，以获得它们之间的直接观测基线:
8.最好使用高精度框架网作为GPS网的骨架，应选用3－5个起算点，起算点应该均匀分布，避免所有点分布在网中的一侧[9]。
3.2.3GPS网二类优化设计
传统测量中，二类设计是指己确定网形即确定了系数阵A和未知数协因数阵Qxx后，优化设计权阵p的过程，其主要观测值是测角和测边类。
边长误差方程式的观测权:
，观测量方位角的权为:
GPS接收机的精度一般用基线测量a+b·D（mm）和方位角
表示，因此有:
（3-16）
因此可以建立误差方程:
V=BX-l，可建立网坐标协因数Qxx=（BTPB）
因为各级GPS网间距离不大，或者基本相同，其权P基本相同，或者只与固定量a，c有关，因此可不必进行二类优化设计[12]。
3.2.4GPS网三类优化设计
它是对精度没有达到限差要求的GPS网进行网的加密和改进，使其逐渐达到精度要求，也就是对网形结构强度的优化设计。
GPS网精度都比较均匀，可以直接结合设计者的直觉和经验与电子计算机的表达和严密的判断，对相关等级GPS技术对点进行补测。
结论
列车运行安全性和舒适性要求以高质量的轨道几何线形为基础，为保证高速铁路轨道具有高的平顺性，需要应用精密控制测量技术。
通过对高速铁路精密控制测量的研究，得出一下结论：
1.在实际高速铁路精密工程控制网测量中，在建立任意带独立高斯投影平
面直角坐标系时，应充分考虑实际工程情况，恰当地采用改变中央子午线、椭球膨胀法等方法来实现抵偿投影变形比;
2.GPS静态相对定位测量具有高精度、高效率和低成本等特点，应用其建
立控制网，利用恰当的优化设计方案和精确可靠的数据处理方法可满足高速铁路精密控制网的建设要求。
3.不同施工单位在高速铁路精密控制网约束平差过程中会因为其选择的
平差方法、坐标参考框架或坐标基准不同，导致最终基线长度和空间三维坐标分量产生较大的差异。
为了保证控制网坐标基准的统一性，应对其基准网统一平差；
4.高速铁路GPS静态控制网测量应用的是三维平差模式，它充分的考虑了GPS基线观测量的相关性，在基线解算过程中，会对仪高测量误差进行相应的分配。
也就是说，测量仪高的准确度也会影响到基线解算的质量。
在高速铁路精密控制测量中，为达到精度要求，应把量高精度控制在2mm以内;
5.GPS观测卫星数目的多少会直接影响到GPS观测数据的质量和可靠性。
观测卫星数目越多，则多余观测越多，理论上其精度和可靠性会提高，但有时GPS获取的数据会包括一些不良卫星观测数据，让它们参与GPS基线解算，反而会降低观测精度。
因此，在有效地改善GPS观测的净空条件，在同一测站获取更多卫星数据同时，应通过对GPS基线数据预处理，去除少量不良卫星数据或不良卫星，从而达到提高GPS网的可靠性和稳定性的目的;
6.有效地增加观测时间，可以提高高速铁路GPS控制网的整体精度。
但并非只增加观测时间就能提高基线和闭合环的精度，为了观测数据质量的统一性，在工程测量中最好选择能满足精度统一的观测时间。
致谢
本论文是在导师李玲玲老师的悉心指导之下完成的。
在此期间，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
导师不辞辛苦，孜孜不倦的解疑答惑，让我倍受感动。
本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，在此我向我的导师李玲玲老师表示深切的谢意与祝福！
在论文的撰写过程中，同学给予了很大帮助，在此表示感谢。
再次感谢在大学里帮助过我的老师、同学，愿你们一切顺利。
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