GPS控制測量畢業(yè)設計

1、、八 . TOC o 1-5 h z 前 言 4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第 1 章 緒論 5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 概述 5國內外研究的現狀 7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1. 3 本文主要研究內容 8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第 2 章 GPS 定位基本原理及誤差來源 9 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document G

2、PS定位的基本原理 9 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document GPS 系統(tǒng)簡介 9 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document GPS 定位的基本測量 11GPS 定位的基本原理 12 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 22 GPS定位的誤差來源 16 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 與衛(wèi)星有關的誤差 16 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 衛(wèi)星信號傳播誤差

3、17 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 與接收設備有關的誤差 18 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 粗差 20 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document GPS數據采集模式及網間坐標轉換 20 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document GPS 數據采集模式 20 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document GPS 網與其它網之間的坐標轉換 21 HYPERLINK l b

4、ookmark42 o Current Document 第 3 章橋梁控制測量 22概述 22橋梁控制網的特點 23 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3. 3 橋梁控制網的布設 24 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 橋梁控制網的基準和投影面確實定 25 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 橋梁控制網的布設要求 28 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 橋梁控制網的布設方法 30 HYPERLIN

5、K l bookmark56 o Current Document 橋梁控制網的精度要求 32 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 橋梁控制網精度估算 32 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 高程控制網的精度 34 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 控制網施測方法 35 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第 4 章 高速鐵路測量控制技術體系 37 HYPERLINK l bookmark66 o C

6、urrent Document 精密測量控制體系的研究 37 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 客運專線鐵路精密工程測量的概念 37 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 建立客運專線鐵路精密工程測量體系的必要性 37 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 高速鐵路客運專線鐵路工程技術要求 38 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 坐標系統(tǒng) 38 HYPERLINK l bookmark78 o Curre

7、nt Document 第 5 章 GPS 在大型橋梁控制測量中的應用 40 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document GPS橋梁控制網的技術指標 40 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document GPS控制網的網形設計 40 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document GPS橋梁控制網的布設要求 41 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document GPS控制網的施測 41 HYPERLINK l bookmark88 o Curren

8、t Document GPS 儀器的選擇與檢驗 41 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document GPS 控制網的外業(yè)實施 41 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 觀測數據的處理 42 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document GPS 基線向量網平差 43 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 第 6 章 京滬高速鐵路丹陽至昆山特大橋工程實例 45丹陽至昆山特大橋簡介 45 HYPERLINK l bookmark98

9、 o Current Document 丹陽至昆山特大橋 GPS控制網布設45 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 坐標系與投影面的選取 45時間基準 46 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 控制網技術、精度指標 46 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 平面控制網的布設 46 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document GPS平面控制測量 47外業(yè)觀測 47基線解算 48投影轉換 49GPS 網平差

10、50精度統(tǒng)計分析 50致謝 53GPS在高速鐵路特大橋控制測量中的應用摘要GPS相對定位技術已經在測繪、交通、城建、國土資源管理等各個領域得到 了廣泛的應用。它的平面相對定位精度已經完全能夠滿足工程的需要。結合 GPS 定位測量的各種優(yōu)點，將GPS相對定位技術引入特大型橋梁控制網的測量和基礎 放樣，無論對GPS技術本身的發(fā)展還是對特大型橋梁測量控制都具有極為重要的 意義。本文主要就GPS技術在特大型橋梁測量控制的應用進行了研究。從GPS基本原理出發(fā)，論述了控制網的布設、特別對橋梁控制網設計、選點、布設以及精度分析做了詳細的論述。并結合蘇通大橋GPS控制網控制測量和基礎放樣的實例，對GPS在特大

11、型橋梁測量控制中的應用進行了分析， 得到了 GPS相對定位技 術完全能夠應用于特大型橋梁平面控制網和 GPSRTK技術滿足大型橋梁基礎放樣 精度要求的結論。關鍵詞：GPS，橋梁，控制網，鐵路特大橋，高速鐵路、八前言近年來，隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展， 橋梁建設己經邁入了一個新的歷史 階段，正由橋梁大國向技術強國邁進。 各種特大型橋梁飛跨南北， 成為國家交通 網絡中的重要樞紐。 在這些科技含量高、 工程規(guī)模浩大的橋梁建設中， 測繪作為 建設的先行， 其傳統(tǒng)經典的測量手段發(fā)揮了極為重要的作用。 但我國在建和擬建 的許多特大型橋梁中，特別是高速鐵路大橋，其地理條件極為復雜，施工工藝 和精度要求也在不

12、斷提高， 傳統(tǒng)的測量手段已經很難滿足建設的需要， 因此，探 索一種新的測量控制方法就顯的尤為重要。長期以來，利用常規(guī)的測量方法布設高精度的測量控制網， 主要依賴于高精 度的測距儀和經緯儀。 由于地形復雜、 區(qū)域廣以及其它一些原因， 這給常規(guī)測量 帶來了一定的困難。 常規(guī)的邊、 角控制網測量要求各控制點間必須通視， 給網形 的布設帶來了很大的限制而且工作量大，受氣候條件影響顯著，作業(yè)時間較長。 隨著GPS技術的迅速發(fā)展，GPS技術的應用已滲透到軍事、交通、測繪、水利等 各行各業(yè)。GPS涉及的面很廣，值得研究的問題也很多。目前，范圍上數公里至 幾千公里的控制網或形變監(jiān)測網，精度上從百米至毫米級的定

13、位，一般都將 GPS 作為首選手段。隨著RTK技術的日趨成熟，GPS已開始向分米乃至厘米級的放樣、 高精度動態(tài)定位等領域滲透?，F在GPS衛(wèi)星定位技術己經逐步用于建立橋梁施工 平面控制網， 并可方便的用于橋梁施工平面控制網的復測、 基礎施工放樣和對大 橋進行監(jiān)測。 本論文主要根據高速鐵路大型橋梁的實際需要， 結合高速鐵路丹陽 至昆山特大橋工程的工程實例，對GPS在大型橋梁測量控制中的應用進行了一些 研究和探討。第 1 章 緒論概述全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS)這一當代高新技術的產物,目前，在航空、航天、軍事、交通、運輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的

14、 領域中，它都被作為一項非常重要的技術手段和方法，用于導航、定位、授時和 測定大氣物理參數等。測量是較早采用GPS技術的領域。最初，它主要用于建立各種類型和等級的 測量控制網 ;目前，它除了仍大量地用于這些方面外，在測量領域的其它方面也 已得到了廣泛的應用，如用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測、航空攝影 測量、海測和地理信息系統(tǒng)中地理數據的采集等。 在各種類型的控制測量中， GPS 定位技術已基本取代常規(guī)測量手段，成為主要的技術手段。GPS在道路工程中的應用，主要是用于建立各種道路工程控制網及測定航測 外業(yè)控制點等。目前，國內己普遍采用 GPS 技術建立線路各等級控制網。實踐 證明，在幾十

15、公里范圍內的點位誤差只有 2cm 左右，到達了常規(guī)方法難以實現 的度，同時也大大提前了工期。鐵道部在西南鐵路、渝懷鐵路中應用 GPS建立了首級控制網，精度也完全 滿足普通鐵路施工測量的要求。 近年， 京滬、 秦沈等高精度高速鐵路控制網的建 立及實施，更顯示出了 GPS用于鐵路平面控制的魅力。由于 GPS高程受地形、 已知數據、觀測條件等影響嚴重，所以目前 GPS 高程用于高速鐵路的控制、施 工中還存在著很多方面的問題值得進一步深究。在控制測量方面，GPS較之于常規(guī)方法具有以下一些特點：測量精度高GPS觀測的精度要明顯高于一般的常規(guī)測量手段，GPS基線向量的相對精度一般在 10-1-10-9 之

16、間，這是普通測量方法很難到達的。國外有試驗結果說明， 在長度為 50km-450km的基線上，三 次試驗結果 的精度 統(tǒng)計為：南北分量1.9mm 1.6* 10 8，東西分量2.1mm 1.3* 10 e，垂直分量的平均精度為 17m且 與距離無明顯關系選點靈活、費用低由于GPS測量不要求測站間相互通視，不需要建造規(guī)標，布網費用可以大大 降低。全天候作業(yè)GPS測量幾乎可以在任何時間、任何氣候條件下，均可以進行GPS觀測，大大方便了測量作業(yè)，有利于按時、高效地完成控制網的布設。觀測時間短采用GPS進行一般等級的控制測量時，在每個測站上的觀測時間一般在 1-2 個小時左右，采用快速靜態(tài)定位的方法，

17、觀測時間則更短。觀測、處理高度自動化采用GPS進行控制測量時，觀測過程和數據處理過程均是高度自動化的。 這 大大減少了人為誤差和粗差發(fā)生的可能性。其他此外還有諸如數學模型簡單、 可同時測定點的三維坐標、 易于實現無人值守 觀測等特點。國內外研究的現狀隨著GPS靜態(tài)定位技術的發(fā)展與完善，GPS技術己普遍用于各種用途的控制 點測量，并已在各種類型和等級的控制網建立中逐步取代常規(guī)的測量方法。我國采用GPS技術布設了新的國家大地測量控制網，很多城市也都采用GPS技術 建立了城市控制網。隨著GPS術的發(fā)展，GPS定位技術所取得的精度越來越高。 對于長至數百甚至數千公里的基線， 其相對定位精度可達 10

18、8 10 9，量級; 短至 數公里的基線，平差后的點位精度也能到達毫米級。近年來，隨著GPS定位技術的迅速發(fā)展，近期有一些大橋，應用GPS定位技 術進行其首級平面控制網的測設，取得了可喜的成果。GPS技術的應用，不僅大大減輕了勞動強度、縮短了作業(yè)時間、減弱了大氣折光的影響，更使特長距離、 無法通視地區(qū)的高精度控制網測設成為可能。 在橋位高程控制測量中， 傳統(tǒng)的測 量方法往往按標準規(guī)定的方法進行跨河水準測量， 聯(lián)測兩岸高程。 例如，安徽的 蕪湖大橋， 南京長江二橋、 江陰大橋等， 其跨河高程測量均采用經緯儀傾角法進 行作業(yè)。但此類方法一般只適用于 2 千米以下的跨河寬度， 超過 2千米以上的就

19、極其少見，難度也很大。而對于 30 千米寬的跨海長度，要采用常規(guī)的跨河水準 測量方法幾乎沒有可能。在國內橋位高程控制測量中， 利用橋位附近己有橋梁通道或在兩岸穩(wěn)定的國 家級水準點間進行跨河傳遞高程， 布置成閉合環(huán)線或附合水準路線， 把江河兩岸 聯(lián)系起來，是取得兩岸統(tǒng)一高程的一種有效方法。GPS高程擬合測量是GPS過江高程傳遞最近發(fā)展使用的一種方法。在范圍不 太大的地形平坦區(qū)域內，以高等級水準點作為高程擬合起算點，結合高精度 GPS 觀測值、選用適宜的高程異常處理模型， 高程傳遞的精度可達國家二、 三等水準 精度。GPS高程擬合過江的關鍵問題是如何精確建立高程異常模型，由于地球表 面及地層各處物

20、質密度、 質量的不同， 各點的大地高和正常高之間的差異十分復 雜，在范圍較大的區(qū)域采用GPS高程擬合方法傳遞高程，有時會出現較難控制的 大誤差或難以預料的粗差。國際上，對橋位平面控制和高程控制技術的研究已取得了可喜的成績。 美國 早在1984年的斯坦福粒子加速器的工程測量中采用 GPS定位技術，平差后其平 面位置精度達1-2mm高程精度達2-3mm歐洲核子研究中心的大型環(huán)形電子對撞 機控制測量，GPS定位精度亦達毫米級；橫跨英吉利海峽的歐洲海底隧道工程， 1987年開始施工，工程全長50km,隧道深入海底40m，當采用經典大地測量方法 時，隧道縱橫向誤差為4*10 6，而后來采用GPS進行控制

21、測量得到隧道縱橫向 誤差為1*10 6 ，大大提高了工程質量，減少了工程費用。隨著GPS技術的廣泛應用，GPS技術已越來越多地應用于大型工程的施工控 制測量，特別是平面控制網的測設中。盡管 GP技術相對于常規(guī)測量方式有不可 比擬的優(yōu)越性，但由于GP技術測量的精度范圍很大，從米級到毫米級甚至亞毫 米級，對于不同用途的控制網， 必須根據其自身特點進行嚴密設計。 本文將結合 京滬高速鐵路工程研究GP在橋梁控制測量中的應用。1. 3本文主要研究內容長期以來， 利用常規(guī)的測量方法布設高精度的測量控制網， 主要依賴于高精 度的測距儀和經緯儀。 由于地形復雜、 區(qū)域廣以及其它一些原因， 這給常規(guī)測量 帶來了

22、一定的困難。 常規(guī)的邊、 角控制網測量要求各控制點間必須通視， 給網形 的布設帶來了很大的限制而且工作量大， 受氣候條件影響顯著， 作業(yè)時間長。 隨 著GPS技術的迅速發(fā)展，GPS技術的應用己滲透到軍事、交通、測繪、水利等各 行各業(yè)。GPS涉及的面很廣，值得研究的問題也很多。特別必須針對生產中的一 些實際問題，研究GPS技術應用的實施方法，到達實際的需要。本論文根據高速 鐵路大型橋梁的實際需要，結合工程實例，對GPS在大型橋梁測量控制中的應用 進行了一些研究和探討。主要內容如下：1、討論GPS定位系統(tǒng)原理及其特點2、分析總結了 GPS定位的誤差來源與影響及相應的削弱措施。3、對高速鐵路的精密測

23、量高控制體系的研究。 對高速鐵路精密工程測量的概念、 建立高速鐵路精密工程測量體系的必要性進行闡述，由此制定GPS測量方案4、結合工程實例，對GPS在特大型橋梁測量控制中的應用進行了深入的研究。5、對GPS在橋梁中的應用進行了總結，得出了一些結論，并展望了下一步的研 究工作。第 2 章 GPS 定位基本原理及誤差來源GPS 定位的基本原理GPS 系統(tǒng)簡介1973年 12 月，美國國防部批準陸?？杖娐?lián)合研制一種新的軍用衛(wèi)星導航 系統(tǒng) navigation by satellite timing and ranging (NAVSTAR) globalpositioning system(GPS

24、)，稱之為GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，簡稱為 GPS系統(tǒng)。 它是美國國防部的第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 它是一種基于空間衛(wèi)星的無線導航與定 位系統(tǒng)，可以向數目不限的全球用戶連續(xù)地提供高精度的全天候三維坐標、 三維 速度及時間信息，具有實時性導航、定位和授時功能。自1974年以來，GPS系統(tǒng)的建立經歷了方案論證、系統(tǒng)研制和生產試驗等 三個階段。1978年2月22日第一顆GPS式驗衛(wèi)星的入軌運行，開創(chuàng)了以導航衛(wèi) 星為動態(tài)己知點的無線電導航定位的新時代， 標志著工程研制階段的開始。 1989 年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告 GPS系統(tǒng)進入了生產作業(yè)階 段;1994年3月建成了信號覆蓋率到達

25、98%勺GPS工作星座，全部完成24顆工 作衛(wèi)星（含3顆備用衛(wèi)星）的發(fā)射工作，正式宣布了 GPS整個系統(tǒng)已經正式建成并 投入使用。GPS系統(tǒng)由三大部分構成:GPS衛(wèi)星星座（空間部分），地面監(jiān)控系統(tǒng)（控制部 分）和GPS信號接收機（用戶部分）。GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆隨時可以啟用的備用衛(wèi)星組成。24 顆衛(wèi)星均勻分布在 6 個軌道面內， 每個軌道面均勻分布有 4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道平 面相對地球赤道面的傾角均為 550，各軌道平面升交點的赤道相差 600，在相鄰 軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差 300。軌道平均高度約為 20200公里，衛(wèi)星運行周 期為11小時58分。GPS工作衛(wèi)星的空間分

26、布保障了在地球上任何時刻、任何地 點均至少可以同時觀測到 4顆衛(wèi)星。地面觀測者見到地平面上衛(wèi)星顆數隨時間和 地點不同而異，最少 4 顆，最多 11 顆。GPS衛(wèi)星的主要作用是：向用戶連續(xù)發(fā)送定位信息；接收和儲存由地面監(jiān)控站 發(fā)來的衛(wèi)星導航電文等信息，并適時發(fā)送給用戶 ; 接收并執(zhí)行由地面監(jiān)控站發(fā)來 的控制指令，適時地改正運行偏差和啟用備用衛(wèi)星等 ； 通過星載的高精度銣鐘和 銫鐘，提供精密的時間標準。地面監(jiān)控部分包括一個主控站、 三個注入站和五個監(jiān)測站。 其主要任務是監(jiān) 視衛(wèi)星運行；確定GPS時間系統(tǒng)；跟蹤并預報衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘狀態(tài)，向每顆衛(wèi)星 的數據存儲器注入衛(wèi)星導航數據，確保 GPS系統(tǒng)的良

27、好運行。GPS 信號接收機主要功能是迅速捕獲按一定衛(wèi)星截止高度角所選擇的待測 衛(wèi)星信號， 并跟蹤這些衛(wèi)星的運行， 對所接收到的衛(wèi)星信號進行變換、 放大和處 理，以便測定出GPS信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出衛(wèi)星所發(fā)送的 導航電文，實時計算出測站的三維坐標、三維速度及時間信息等。在GPS定位過程中，按照參考點位置的不同，可以分為絕對定位和相對定 位。絕對定位是指在地球協(xié)議坐標系中， 確定觀測站相對地球質心的位置， 這時 可以認為參考點與地球質心相重合。 而相對定位指的是在地球協(xié)議坐標系中， 確 定觀測站與某一地面參考點之間的相對位置。按定位時接收機所處的狀態(tài)，可將 GPS定位分為靜態(tài)定位

28、和動態(tài)定位兩類。 所謂靜態(tài)定位，指的是將接收機靜止于測站上數分鐘至 1 小時或更長時間觀測， 以確定一個點在 WGS-84坐標系中的三維坐標（絕對定位），或兩個點之間的相對 位置 （ 相對定位 ） 。而動態(tài)定位至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)， 測定的是各觀測 歷元相應的運動中的點位 （絕對定位或相對定位 ）。利用接收到的測距碼或載波相位均可進行靜態(tài)定位。 但由于載波的波長遠小 于測距碼的波長，假設接收機對碼相位及載波相位的觀測值精度均取至 0.1 周 （每2弧度為一周），則C/A碼及載波L1所相應的距離誤差分別為和.因此，利用碼相位的偽距測量只能用于單點絕對定位。 而載波相位觀測量則是目 前GP

29、S測量中精度最高的觀測量，而且它的獲得不受 （P碼或丫碼）保密的限制。 利用載波相位進行單點定位可以到達比測距碼偽距定位更高的精度。 載波相位測 量的最主要應用是進行相對定位。將兩臺 GPS接收機分別安置在兩個不同點上， 同時觀測衛(wèi)星載波信號， 利用載波相位的差分觀測值， 可以消除或減弱多種誤差 的影響，獲得兩點間高精度的 GPS基線向量。GPS 定位的基本測量利用GPS定位，無論采用何種方法，都是通過觀測 GPS衛(wèi)星而獲得的某種 觀測量來實現的。我們知道，GPS衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據不同要求， 可以從中獲取不同的觀測量，其主要包括 :1 、碼相位偽距觀測值碼相位偽距測量是GPS接收機

30、通過測量衛(wèi)星發(fā)射信號與接收機接收到此信號之間的時間差厶t，來求得衛(wèi)星接收機間得距離 P:P=t *c式中 :c 為光速。 由于衛(wèi)星鐘的誤差、接收機的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲等，實際測出的距離P與衛(wèi)星到接收機真實距離 R有誤差。因此，一般稱P 為偽距。2、載波相位觀測值在碼相關型接收機中，當GPS接收機鎖定衛(wèi)星載波相位，就可以得到從衛(wèi)星 傳到接收機經過延時的載波信號。 如果將載波信號與接收機內產生的基準信號比 相就可得到載波相位觀測值。 假設接收機內振蕩器頻率初相位完全相同， 衛(wèi)星在 to時刻發(fā)射信號，經過 t后于t，時刻被接收機接收，接受機通道鎖定衛(wèi)星信 號, t對應的相位

31、差j ,又設衛(wèi)星載波信號于歷元ti，時刻的相位為j (ti)， 接收機基準信號在ti，時刻的相位為 (ti)，則有：j= (ti)- j ( ti)通過鑒相器，衛(wèi)星到接收機間的相位差可分為 NO 個整周相位和不到一個整 周相位之和，即 ： j= (ti)- j ( ti)= No *2(ti)衛(wèi)星到接收機距離為 ：Iij No*2(ti) 式中： 為波長。鑒相器只能測出不足一個整周相位值， N。測不出來。因此，在載波相位測 量中出現了一個整周未知數N。(也稱為整周模糊度)，N。需要通過其他途徑求 定。另外，如果在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號被障礙物擋住而 暫時中斷，受無線電信號干擾

32、造成信號失鎖等，這樣，計數器無法連續(xù)計數，因 此，當信號重新被跟蹤后，整周計數就不正確，但不到一個整周的相位觀測值(t1)t, 仍然是正確的。這種現象稱為周跳。周跳的出現和處理是載波相位測量 中的重要問題。由于載波頻率高、波長短，因此，載波相位測量精度高。不過，利用載波相 位觀測值進行定位，要解決整周模糊度的解算和周跳修復問題。2.1.3 GPS 定位的基本原理1、絕對定位 (測距碼偽距單點定位 )絕對定位， 通常指在協(xié)議地球坐標系中， 直接確定觀測站， 相對于坐標系原 點(地球質心)絕對坐標的一種定位方法。利用 GPS進行絕對定位的基本原理， 是以GPS衛(wèi)星和用戶接受機天線之間的距離(或距離

33、差)觀測量為基礎，并根 據己知的衛(wèi)星瞬時坐標，采用空間后方交會的方法來確定用戶接收機天線所對應 的點位，即觀測站的位置。測距碼偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼到觀測站的傳播時間(時間延遲)乘于光速所得出的距離，習慣上簡稱為偽距。建立偽距觀測值方程，必須顧及衛(wèi)星鐘 差，接收機鐘差以及大氣層折射延遲等。為了表達方便，本節(jié)所有公式中均以k表示測站編號，j表示衛(wèi)星編號，i表示觀測歷元編號。偽距觀測值p, (k,j,i) 可表示為：p，(k, j, i)=p (k, j, i) + ctk ctjp；op(k,j)ph(k,j) (2-1-5)式中：tk；為接收機鐘差，tj;為衛(wèi)星鐘差，p爲(k,j)力表示對

34、流層折射影響， 它包括干分量和濕分量，可按測站上實測得氣象元參數及至衛(wèi)星的高度角，采用對流層改正模型進行計算改正，ptrop(k,j)表示電離層折射影響，也采用改正模型進行改正，這些下一節(jié)中將詳細講述。p(k，j，i)為正確的衛(wèi)地距，其計算公 式為：p(k, j,i) ._(Xjx2 (yj yk)2 (Zj Zk)22-1-6衛(wèi)星坐標(Xk,yk,Zk)是已知的。顧及式(2-1-6)，在式(2-1-5)中只有4個未知 數:測站三個坐標未知數Xj,yj,Zj，另一個未知數是接收機鐘差風。因此在同 一觀測歷元，只須同時觀測4顆衛(wèi)星，即可獲得4個觀測方程式，求解出這4 個未知數。假設同時觀測的衛(wèi)星

35、多于4個，則存在多余觀測，此時，須將式(2-1-5) 線性化，再按最小二乘法進行平差計算。假設一開始所給出的測站在WGS-84標系中的近似值(xO,yO,zO)偏差過大，則因線性化后的觀測方程式僅取了一次項， 為防止略去的高次項對解算結果的影響，可利用解算出的測站坐標重新作為近似 值，迭代求解，以此求出我們需要的點位坐標。應用GPS進行絕對定位，根據用戶接收機天線所處的狀態(tài)不同，又可分為動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位。當用戶接受設備安置在運動的載體上，并處于動態(tài)的情況下，確定載體的瞬時絕對位置的定位方法，稱為動態(tài)絕對定位。動態(tài)絕對定位，一般只能得到沒有(或很少)多余觀測量的實時解。這種定位方法，被

36、 廣泛的應用于飛機船舶以及陸地車輛等運動載體的導航。當接收機天線處于靜止 狀態(tài)時，用以確定觀測站絕對坐標的方法，成為靜態(tài)絕對定位。這時，由于可以 連續(xù)的觀測衛(wèi)星至觀測站的偽距，所以可獲得充分的多余觀測量，以便在測后， 通過數據處理提高定位的精度。靜態(tài)絕對定位方法，主要用于大地測量，以精確 測定觀測站在協(xié)議地球坐標系中的絕對坐標。2、相對定位(差分載波相位測量)相對定位的最基本情況，是用兩臺 GPS接收機，分別安置在基線的兩端， 并同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定基線端點，在協(xié)議地球坐標系中的相對位置或基 線向量。當多臺接收機安置在假設干條基線的端點，通過同步觀測GPS衛(wèi)星，可以確定多條基線向量。瞬間

37、載波相位差指的是，在某一指定時刻(歷元)由接收機產生的參考載波 信號的相位與此時接收到的衛(wèi)星載波信號的相位之差。載波相位差的觀測方程 為：f jii(k,j,i)jti) j(tj P?(ti) f* t； f(1 * Pk(tJ)* t： f *cc爲(k,j) f * L(k, j,i) N(k,j,i)(2-1-7)式中：k(ti), j(tj是分別在接收機鐘及衛(wèi)星鐘所定義的時間尺度中所度量的初始歷元(鐘面時為tj相位值；f為載波頻率；pk(t，pk (ti)對分別表示衛(wèi)地 距、衛(wèi)地距變率，tk， tj分別為接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差；N(k, j,i)表示初始歷 元的整周待定值；f* tro

38、p(k, j)為對流層折射改正項；f* iOn(k, j)為電離層 折射改正項。載波相位測量，由任一測站k在任一觀測歷元i對任一衛(wèi)星J均可由接收機 取得觀測值叫(k, j,i)，式(2-1-7)為其數學模型。式子的右端包括大量未知數; 如衛(wèi)星至測站幾何距離及其變率、衛(wèi)星鐘鐘差、接收機鐘差等，其中接收機的絕 對鐘差(相對于GPS標準時)很難用兩三個鐘差來模擬，式(2-1-7)右端的前兩 項也難予以參數化， 再則衛(wèi)星軌道、 大氣折射殘余誤差等等也都會影響定位。 在 平差計算中， 包括了大量并非我們實際需求的未知參數。 這些參數用來模擬相位 觀測值中的一些系統(tǒng)性誤差影響， 因其數學模型難以完善， 必

39、然存在可觀的模型 誤差。另外，實踐證明，在平差過程中引入過多的參數往往會降低解的精度和可 靠度。因此， （ 非差分 ）載波相位測量還難于用于單點絕對定位。實際上，我們 通過對載波相位測量值進行各種線性組合（即差分），便可獲得高精度的GPS相 對定位結果。 相對定位， 借助于精密星歷和高精度相對定位軟件， 很容易獲得很 高的相對定位結果。根據用戶接收機在定位過程中所處的狀態(tài)不同， 相對定位也有動態(tài)和靜態(tài)之 分。靜態(tài)相對定位一般采用載波相位觀測值為基本觀測量，這一方法是當前 GPS 定位中精度最高的一種方法， 廣泛的應用于大地測量、 工程測量和地殼變形監(jiān)測 等精密定位領域。 動態(tài)相對定位， 是用一

40、臺接收機安設在基準站上固定不動， 另 一臺接收機安設在運動的載體上， 兩臺接收機同步觀測相同的衛(wèi)星， 以確定運動 點相對于基準站的實時位置。 根據其采用的觀測量不同， 動態(tài)相對定位又可分為 測碼偽距動態(tài)相對定位和測相偽距動態(tài)相對定位。3、實時動態(tài)相對定位 （GPS RTK ）RTK（英文為Real Time Kinematics） 技術即GPS實時動態(tài)相對定位技術， 是目前最先進的衛(wèi)星定位技術，是 GPS測量技術發(fā)展的一個重大里程碑。它是 GPS測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統(tǒng)，它能夠在野外實時得到厘米級定位精度， 這為工程放樣、 地形測圖、變形觀測等各種實時高精度測量作 業(yè)帶來了

41、一場變革。它的基本原理是，利用 2臺以上GPS接收機同時接收GPS 衛(wèi)星信號， 其中一臺安置在已知坐標點上作為基準站， 另一臺用來測定未知點的 坐標為流動站?；鶞收就ㄟ^數據傳輸系統(tǒng) （簡稱數據鏈 ）將其觀測值和測站坐標 信息一起傳送給流動站。 流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據， 還要自 己采集GPS觀測數據，然后根據相對定位的原理，在系統(tǒng)內組成差分觀測值進 行實時處理， 實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及精度， 歷時不到一秒鐘。 RTK 作業(yè)開始前， 流動站必須先進行初始化， 即完成整周未知數的解算后開始進行每 個歷元的實時測量， 作業(yè)時只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的

42、幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。 初始化可在固定點上靜止進行， 也可在動態(tài)條件下利用動態(tài)初始化(AROF技術進行。GPS RTK定位系統(tǒng)的構成，一套 RTK定位系統(tǒng)一般包括一套基準站和一套 流動站。一套基準站包括：一臺基準站GPS接收機及天線、獨立的基準站發(fā)射 電臺及天線、設置參數和顯示使用的電子手簿。一套流動站包括 : 一套流動作業(yè) 的GPS接收機及天線、流動站接收信號的電臺(多數內置于GPS接收機內)及 天線、電子手簿。目前 RTK技術的標稱精度一般為：平面士(1Omm+1ppn); 高程士 (20mm+2ppm )工作半徑在1 Okm以上。GPS 定位的誤差來源GPS 定位中

43、，影響觀測量精度的主要誤差來源，可分為三類 ： 與衛(wèi)星有關的 誤差; 與衛(wèi)星信號傳播有關的誤差 ; 與接收設備有關的誤差。與衛(wèi)星有關的誤差與衛(wèi)星有關的誤差主要有衛(wèi)星鐘差與衛(wèi)星軌道誤差。1 、衛(wèi)星鐘差由(2-1-1)式可以看出距離是時間的線性函數，所以 GPS定位必須以精密 測時為基礎，盡管信號傳播起始計時由 GPS衛(wèi)星上高精度的原子鐘確定，但它 與真實的GPS時仍存在偏差或漂移，這種差在1ms以內，由此引起等效距離誤 差最大為300km對于衛(wèi)星鐘差tj 一般利用監(jiān)測站提供的被注入衛(wèi)星導航電文 的改正，系數按下式修正。tj a0 a1(t toe) a2(t toe)2(2-2-1)上式中， t

44、oe 為參考歷元a。一為參考歷元時刻的衛(wèi)星鐘差a1 為衛(wèi)星鐘的鐘速(或頻率偏差)a2 為衛(wèi)星鐘的鐘速變率(或老化率)2、衛(wèi)星軌道偏差衛(wèi)星在運行過程中受多種攝動力的復雜影響， 地面監(jiān)測站也不能準確測定其 軌道，通過導航電文所計算的衛(wèi)星位置誤差 d大約為20m-40m隨著攝動力模型的改良和定軌技術的完善，衛(wèi)星位置精度目前可提高到5m-10m衛(wèi)星離地面平均高度約為20200km衛(wèi)星位置對定位精度的影響可按下式計算p d*S(2-2-2)D式中，d為衛(wèi)星與測站間的距離；s為基線長，當基線長為10km時，貝u衛(wèi)星位 置誤差對定位精度的影響為2.5mm- 5mm因此對于精度要求較高的工程，必須 采取有效的

45、措施，來降低它的影響。根據要求不同，處理衛(wèi)星軌道誤差的方法有三種 ：當基線足夠短時，在滿足精度的情況下，可以忽略衛(wèi)星軌道誤差。采用軌道改良法處理觀測數據，即在數據處理中，引入表征衛(wèi)星軌道偏 差的改正數，并假定短時間內這些參數為常數，將其作為未知參數與坐標未知數 一并求解。同步觀測值求差，由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站同步觀測量 的影響，具有系統(tǒng)性，利用同步求差方法可以明顯地減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響， 特別對于短基線效果更明顯。衛(wèi)星信號傳播誤差信號在從衛(wèi)星到測站的傳播過程中，要受到大氣折射與多路徑的影響。大氣 層的結構按對電磁波傳播影響的不同可分為電離層與對流層。電磁波通過大氣層時折射數隨高度

46、變化。信號傳播過程中，主要受分布在70k m以上的電離層的影響和分布在40km以下的對流層的影響。并且電離層的折射數小于0，對流層折射數大于0。折射數大于0,表示折射率大于1,則信號的傳播速度小于光速， 即中信號對流層的傳播速度小于光速，引起時間延遲和偽距增長。而電離層中信 號的傳播速度大于光速，引起時間縮短和偽距減小。實驗數據說明，在天頂方向 (高度角90度)，對流層可使信號傳播路徑誤差到達；當高度角為10度時路 徑誤差可達20m;而電離層折射引起信號傳播路徑誤差，天頂方向最大達50m水平方向最大也可達150m因此大氣層的折射影響必須加以修正。減弱對流層折射改正項殘差影響的措施主要有：盡可能

47、充分掌握觀測站周圍的實時氣象資料；利用水汽輻射計準確測定信號傳播路徑上的水汽積累量，以便精確計算大氣濕分量的改正量利用相對定位的差分法來減弱對流層折射的影響。當基線較短時，在 穩(wěn)定條件下， 由于電磁波到達基線兩端點的路徑基本一致， 因此通過兩端點同步 觀測量求差，可以有效減弱對流層折射的影響 ;完善對流層大氣折射改正模型。 減弱電離層折射的影響的主要措施有利用雙頻觀測技術 ;相對定位中，短基線兩端點觀測量同步求差。與接收設備有關的誤差與接收設備有關的誤差主要包括 : 觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤 差、載波相位觀測的整周不定性影響。觀測誤差: 屬于偶然誤差，包括分辨率帶來的誤差，和安置天

48、線時不對中產 生的誤差。接收機鐘差 : 接收機中與衛(wèi)星鐘不同步產生測時誤差。接收機鐘差一般在數 據處理中把它設為未知參數一并求解。也可以像衛(wèi)星鐘一樣用多項式模型表示， 在平差過程中求解多項式系數， 或在相對定位中利用差分技術來減弱或消除它的 影響。天線相位中心誤差 : 天線相位中心與它的幾何中心不一致，而在應用中我們 總把它們看作一致， 因此存在著天線相位偏差。 削弱這種誤差的措施有， 改良接 收機天線或對于同類型天線也使用差分技術同步求差。除了上述三類誤差外，還存在其它誤差來源，如 : 地球自轉的影響，相對論 效應，地球潮汐， 衛(wèi)星鐘和接收機鐘振蕩器的隨機誤差等。 在長距離的相對定位 中，如

49、果要滿足地球動力學的要求， 研究這些誤差來源， 確定它們的影響規(guī)律和 改正方法，具有重要意義。如果根據誤差性質，可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。1、系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、 衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、及大氣折射誤差， 減弱或修正系統(tǒng)誤差影響的措施一般為 :(1) 引入相應的未知參數，在數據處理中連同其它未知參數一并解算 ;建立系統(tǒng)誤差模型，對觀測量加以修正；利用差分技術，將不同觀測站對相同衛(wèi)星的同步觀測值求差，以減弱或消除系統(tǒng)誤差的影響考慮滿足測量精度的要求下，忽略某些系統(tǒng)誤差。2、偶然誤差偶然誤差主要由多路徑效應和觀測誤差引起。多路徑效應是GPS測量中，地面上接收機周圍物體或多或少要反射

50、 GP信號, 如果所反射的衛(wèi)星信號反射波進入接收機天線，這就將和直接來自衛(wèi)星的信 號直接波產生干預，從而使觀測值偏離真值產生所謂的“多路徑效誤差”。 這種由于多路徑的信號傳播所引起的干預時延效應被稱作多路徑效應。多路徑反射類型如下列圖圖多路徑反射類型Ca-直達信號b-地面反射信號 c-建筑物反射信號 d-多重反射信號 e-邊沿散射信號消弱措施削弱多路徑的影響至今仍無法建立出一種良好的改正模型，一般采用以下措施來削弱：1選擇合適的站址測站應遠離大面積平靜的水面。灌木叢、草地和其他地面植被能交好地吸收微波信號的能量，是較為理想的設站地址。翻耕后的土地和其他粗糙不平的地 面的反射能力也較差，也可以選

51、站。測站不宜選擇天線安置點應遠離大功率的無線電發(fā)生器和高壓輸電線，以防止周圍磁場對信號的干預測站應遠離高層建筑物。觀測時，汽車也不要停放的離測站過近。2 對接收機天線有一定要求，如在天線中心設置抑徑板 ，接收機天線 對于極化特性不同的反射信號應該有較強的抑制作用。觀測誤差是由于認為原因引起的各種誤差。粗差整周未知數是指在起始觀測時， 信號由衛(wèi)星到接收機的傳播路徑上無法直接 測定的相位整數部分。載波相位觀測的整周不定性指起始觀測歷元， 信號在傳播路徑上的整周數無 法直接測定，另外，由于鎖定的衛(wèi)星在不斷運動，容易引起失鎖 （即跟蹤中斷 ）， 從而導致計數器上的整周計數不連貫，引起粗差。由于受各種誤

52、差的影響，使 GPS變形監(jiān)測數據不但含有變形信息，同時也 受到各種誤差的污染。因此，GPS變形監(jiān)測數據的處理就是從受誤差污染的觀測 數據中提取變形信息。GPS數據采集模式及網間坐標轉換GPS 數據采集模式在精密GPS測量中，一般使用載波相位觀測的相對定位方法來確定點的三維位置或相對基準點的三維坐標差，按照 GPSS收機作業(yè)模式，相應的也有三 種數據采集方式：靜態(tài)相對定位、快速靜態(tài)相對定位、 RTK實時動態(tài)定位。靜態(tài)相對定位觀測，觀測時基準站（已知站）上設置假設干臺GPS接收機，保 持對GPS衛(wèi)星連續(xù)跟蹤，在流動站（監(jiān)測站）上也安置GP宓收機，同步觀測較長 時間（從數十分鐘到幾個小時 ），其數據

53、處理一般在室內進行?？焖凫o態(tài)相對定位觀測， 操作與靜態(tài)相對定位基本相同， 只是其觀測時間對 較短（從幾分鐘到數十分鐘不等 ）。RTK 實時動態(tài)定位觀測，操作與上面的方法基本相同，只是在流動站駐留 時間短（只要幾秒鐘 ），實時解算出定位結果，為此需要建立觀測數據的實時傳 輸系統(tǒng)。在相對定位過程中， 未知參數包括 : 測站點的坐標、 電離層及對流層的影響、 衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、未知整周數。而電離層對流層的影響、衛(wèi)星鐘差都有相 應的改正模型， 通過模型的改正這些影響基本上消除了。 因此， 要求的未知參數 只有測站點的坐標、接收機鐘差、未知整周數。而在不太長的時間內，接收機鐘 差可以看作不變量， 因

54、此在觀測方程中可以用一個固定參數表示。 另外一旦鎖定 衛(wèi)星，一未知整周數的大小也是一個不變量。 它的個數只與接收機及衛(wèi)星的個數 有關，而與觀測歷元無關。根據這些分析，在確定的觀測時段內，未知參數的個 數是確定的， 如果每一個觀測歷元生成一個觀測方程， 假設干歷元生成假設干個 觀測方程。由平差理論可知 : 在未知參數個數確定的情況下，其解的可靠性隨觀 測方程的增多而提高。 如果一個時段內能觀測數個歷元， 顯然歷元的個數隨觀測 時段的增加而增加， 即保證了觀測方程數的增加。 因此，觀測時段的長短就實際 上決定了定位精度的高低。從以上分析可知，在測量精度上，其高低順序依次為 : 靜態(tài)相對定位，快速

55、靜態(tài)相對定位，動態(tài)實時定位。因此對于精度高要求而不需要快速反饋的工程， 都采用靜態(tài)相對觀測法， 如動力學研究板塊運動的監(jiān)測， 地表變形監(jiān)測， 地震監(jiān) 測等; 靜態(tài)相對定位法耗時較長，在工程建設中往往不能及時對工程做出反饋， 影響施工進度， 因此快速相對靜態(tài)定位法在保證必要的精度前提下， 可以替代靜 態(tài)定位法， 這種工作模式一般用在滑坡監(jiān)測中， 或要求不是太高的地表變形監(jiān)測 中; 如果現場有數據處理軟件， 能實時處理觀測結果， 也可以用于現場施工監(jiān)控。目前市場上的動態(tài)實時定位設備也具有很高的精度 (可達 10-20mm )，因此 許多在施工過程中，可用它來完成對施工的監(jiān)控與指導。GPS 網與其它

56、網之間的坐標轉換全球定位系統(tǒng)采用的坐標系統(tǒng)是新的協(xié)議地球坐標系統(tǒng) (WGS-84 )，為了工 程需要，或充分利用原始資料，有時必須將兩種坐標系統(tǒng)一起來。經典地面網的三維坐標， 通常都是在參心坐標系中， 以大地坐標的形式表示， 由于在大地坐標系中， 兩網的基準轉換模型復雜， 因此通常在空間直角坐標系統(tǒng) 中進行。所以對已有資料中的大地坐標 (B,L,H) 首先應該轉換為空間直角坐標 (X,Y,Z)TX (N H )cosBcosLY (N H )cosBsin L2-3-1 Z T N(1 e2) Hsin B其中 N 為橢球卯酉圈曲率半徑 ;e 橢球第一偏心率。由于GPS網和地面網所取的坐標系的

57、基準不同(即位置基準、方向基準、 尺度基準的差異 )，以及觀測誤差的影響，兩網的同名點的坐標值將是不同的， 所以兩網之間的轉換模型一般包括兩類參數 :基準參數 通過這些參數將兩個具有不同基準的坐標系統(tǒng)化為一致 網的配合參數 由于系統(tǒng)誤差的影響， 引入相應參數可以使兩網聯(lián)合處理 到達最正確一致。用于基準轉換的模型主要有布爾沙一沃爾夫模型、維斯模型、 莫洛金斯基一巴代卡斯模型?？紤]地面網的系統(tǒng)性誤差影響的模型有霍蒂內模 型，這幾種模型不作詳述。第 3 章橋梁控制測量概述隨著我國國民經濟的飛速發(fā)展和科學技術水平的迅速提高，在交通工程方 面，各種新型的現代橋梁正在不斷的建設， 構成我國現代交通網絡的新

58、格局。 現 代橋梁是指那些主跨跨度超過 200 m的特大型懸索橋、斜拉橋、連續(xù)剛構橋和拱 橋等，這些橋梁的共同特點是 : 建設規(guī)模大、橋型新、結構新穎、施工工藝復雜、 跨度大、橋面高和工期長， 隨著科學技術的發(fā)展， 為這些橋梁施工控制服務的橋 梁施工平面控制網，其建網方法也在不斷地更新。現代新型橋梁如懸索橋、斜拉橋等，結構設計復雜，均建有很高的索塔，主 橋面都為逐段焊接的鋼箱梁組成，以高強度的纜索拉緊。這些橋梁的鞍座定位、 索導管定位和施工線形控制等都要求極高的精度。 因此，測量工作的精度對保證 大橋施工與監(jiān)測的高質量，確保大橋長久正常運營起著極為重要的作用。特大型橋梁跨越寬闊的水面， 一些橋

59、墩坐落在離岸邊數百米甚至幾公里的水 中，測量的條件十分困難， 而定位及安裝精度又要求極高， 因此必須研究現代測 量技術在橋梁中的應用問題， 以解決那些屬于精密工程測量的關鍵技術難題。 橋 梁施工控制網建網的主要目的是 : 精確地放樣橋梁墩臺的位置及其跨越結構的各 個部分，以保證實現橋梁的設計跨度和線形及其與兩側道路的正確連接， 并依據 控制網隨時監(jiān)測橋梁在施工過程中的構造變形和檢查己竣工構筑物的施工質量。 因此橋梁控制網是橋梁施工放樣、 結構變形監(jiān)測和質量檢查的基準。 為實現橋梁 控制網的上述功能，應對控制網建網過程中的坐標系統(tǒng)、起算數據、精度設計、 點位與網型布設、施測方法、數據處理和網的質

60、量評價等各環(huán)節(jié)進行逐項研究。橋梁控制網的特點橋梁施工控制網建網的主要目的是 : 精確地放樣橋梁墩臺的位置及其跨越結 構的各個部分，以保證實現橋梁的設計跨度和線形及其與兩側道路的正確連接， 并依據控制網隨時監(jiān)測橋梁在施工過程中的構造變形和檢查已竣工建筑物的施 工質量，因此橋梁控制網是橋梁施工放樣、結構變形監(jiān)測和質量檢查的基準。建立橋梁施工測量控制網是整個建橋工程工作的一個主要組成部分， 橋梁控 制網的作用是為施工測量提供一個統(tǒng)一的基準， 確保橋梁的順利合攏， 因此測量 控制網的精度直接關系到整個建橋工程的質量。 特別由于現代大型橋梁存在較多 的安裝測量，精度相對較高。 橋梁控制測量一般分為平面控