1、1前 言 .4第 1 章 绪论 .51.1 概述 .51.2 国内外研究的现状 .61.3 本文主要研究内容 .7第 2 章 GPS 定位基本原理及误差来源 .92.1 GPS 定位的基本原理 .92.1.1 GPS 系统简介 .92.1.2 GPS 定位的基本测量 .102.1.3 GPS 定位的基本原理 .122.2 GPS 定位的误差来源 .152.2.1 与卫星有关的误差 .152.2.2 卫星信号传播误差 .162.2.3 与接收设备有关的误差 .172.2.4 粗差 .192.3 GPS 数据采集模式及网间坐标转换 .192.3.1 GPS 数据采集模式 .192.3.2 GPS
2、网与其它网之间的坐标转换 .20第 3 章桥梁控制测量 .223.1 概述 .223.2 桥梁控制网的特点 .223. 3 桥梁控制网的布设 .233.3.1 桥梁控制网的基准和投影面的确定 .243.3.2 桥梁控制网的布设要求 .273.3.3 桥梁控制网的布设方法 .2923.4 桥梁控制网的精度要求 .313.4.1 桥梁控制网精度估算 .313.4.2 高程控制网的精度 .333.5 控制网施测方法 .34第 4 章 高速铁路测量控制技术体系 .364.1 精密测量控制体系的研究 .364.1.1 客运专线铁路精密工程测量的概念 .364.1.2 建立客运专线铁路精密工程测量体系的必
3、要性 .364.2 高速铁路客运专线铁路工程技术要求 .374.2.1 坐标系统 .37第 5 章 GPS 在大型桥梁控制测量中的应用 .395.1 GPS 桥梁控制网的技术指标 .395.2 GPS 控制网的网形设计 .395.3 GPS 桥梁控制网的布设要求 .405.4 GPS 控制网的施测 .405.5.1 GPS 仪器的选择与检验 .405.5.2 GPS 控制网的外业实施 .405.5.3 观测数据的处理 .415.5.4 GPS 基线向量网平差 .42第 6 章 京沪高速铁路丹阳至昆山特大桥工程实例 .446.1 丹阳至昆山特大桥简介 .446.2 丹阳至昆山特大桥 GPS 控制
4、网布设 .446.2.1 坐标系与投影面的选取 .446.2.2 时间基准 .456.2.3 控制网技术、精度指标 .4536.2.4 平面控制网的布设 .456.3 GPS 平面控制测量 .466.3.1 外业观测 .466.3.2 基线解算 .476.3.3 投影转换 .486.3.4 GPS 网平差 .496.3.5 精度统计分析 .49致谢 .524GPS 在高速铁路特大桥控制测量中的应用摘 要GPS 相对定位技术已经在测绘、交通、城建、国土资源管理等各个领域得到了广泛的应用。它的平面相对定位精度已经完全能够满足工程的需要。结合GPS 定位测量的各种优点，将 GPS 相对定位技术引入特
5、大型桥梁控制网的测量和基础放样，无论对 GPS 技术本身的发展还是对特大型桥梁测量控制都具有极为重要的意义。本文主要就 GPS 技术在特大型桥梁测量控制的应用进行了研究。从 GPS 基本原理出发，论述了控制网的布设、特别对桥梁控制网设计、选点、布设以及精度分析做了详细的论述。并结合苏通大桥 GPS 控制网控制测量和基础放样的实例，对 GPS 在特大型桥梁测量控制中的应用进行了分析，得到了 GPS 相对定位技术完全能够应用于特大型桥梁平面控制网和 GPS RTK 技术满足大型桥梁基础放样精度要求的结论。关键词 : GPS，桥梁，控制网，铁路特大桥，高速铁路5前 言近年来，随着我国交通事业的蓬勃发
6、展，桥梁建设己经迈入了一个新的历史阶段，正由桥梁大国向技术强国迈进。各种特大型桥梁飞跨南北，成为国家交通网络中的重要枢纽。在这些科技含量高、工程规模浩大的桥梁建设中，测绘作为建设的先行，其传统经典的测量手段发挥了极为重要的作用。但我国在建和拟建的许多特大型桥梁中，特别是高速铁路大桥，其地理条件极为复杂，施工工艺和精度要求也在不断提高，传统的测量手段已经很难满足建设的需要，因此，探索一种新的测量控制方法就显的尤为重要。长期以来，利用常规的测量方法布设高精度的测量控制网，主要依赖于高精度的测距仪和经纬仪。由于地形复6杂、区域广以及其它一些原因，这给常规测量带来了一定的困难。常规的边、角控制网测量要
7、求各控制点间必须通视，给网形的布设带来了很大的限制而且工作量大，受气候条件影响显著，作业时间较长。随着 GPS 技术的迅速发展，GPS 技术的应用已渗透到军事、交通、测绘、水利等各行各业。GPS 涉及的面很广，值得研究的问题也很多。目前，范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网，精度上从百米至毫米级的定位，一般都将 GPS 作为首选手段。随着RTK 技术的日趋成熟，GPS 已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。现在 GPS 卫星定位技术己经逐步用于建立桥梁施工平面控制网，并可方便的用于桥梁施工平面控制网的复测、基础施工放样和对大桥进行监测。本论文主要根据高速铁路大型桥梁的实
8、际需要，结合高速铁路丹阳至昆山特大桥工程的工程实例，对 GPS 在大型桥梁测量控制中的应用进行了一些研究和探讨。第 1 章 绪论1.1 概述全球定位系统(Global Positioning System-GPS)这一当代高新技术的产物，目前，在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的7领域中，它都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用于导航、定位、授时和测定大气物理参数等。测量是较早采用 GPS 技术的领域。最初，它主要用于建立各种类型和等级的测量控制网;目前，它除了仍大量地用于这些方面外，在测量领域的其它方面也已得到了广泛的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观
9、测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。在各种类型的控制测量中，GPS定位技术已基本取代常规测量手段，成为主要的技术手段。GPS 在道路工程中的应用，主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外业控制点等。目前，国内己普遍采用 GPS 技术建立线路各等级控制网。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有 2cm 左右，达到了常规方法难以实现的度，同时也大大提前了工期。 铁道部在西南铁路、渝怀铁路中应用 GPS 建立了首级控制网，精度也完全满足普通铁路施工测量的要求。近年，京沪、秦沈等高精度高速铁路控制网的建立及实施，更显示出了 GPS 用于铁路平面控制的魅力。由于 GPS 高程受
10、地形、已知数据、观测条件等影响严重，所以目前 GPS 高程用于高速铁路的控制、施工中还存在着很多方面的问题值得进一步深究。在控制测量方面，GPS 较之于常规方法具有以下一些特点:1)测量精度高GPS 观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS 基线向量的相对精度一般在 10-1-10-9 之间，这是普通测量方法很难达到的。国外有试验结果表明，在长度为 50km-450km 的基线上，三次8试验结果的精度统计为:南北分量 1.9mm ，东西分量810*6.2.1mm ，垂直分量的平均精度为 17m，且与距离无明显关系 e10*3.2)选点灵活、费用低由于 GPS 测量不要求测站间相互通视，不
11、需要建造规标，布网费用可以大大降低。3)全天候作业GPS 测量几乎可以在任何时间、任何气候条件下，均可以进行 GPS 观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。4)观测时间短采用 GPS 进行一般等级的控制测量时，在每个测站上的观测时间一般在 1-2 个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间则更短。5)观测、处理高度自动化采用 GPS 进行控制测量时，观测过程和数据处理过程均是高度自动化的。这大大减少了人为误差和粗差发生的可能性。6)其他此外还有诸如数学模型简单、可同时测定点的三维坐标、易于实现无人值守观测等特点。1.2 国内外研究的现状9随着 GPS 静态定位技术的发
12、展与完善，GPS 技术己普遍用于各种用途的控制点测量，并已在各种类型和等级的控制网建立中逐步取代常规的测量方法。 我国采用 GPS 技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用 GPS 技术建立了城市控制网。随着 GPS 技术的发展，GPS 定位技术所取得的精度越来越高。对于长至数百甚至数千公里的基线，其相对定位精度可达 ，量9810级;短至数公里的基线，平差后的点位精度也能达到毫米级。近年来，随着 GPS 定位技术的迅速发展，近期有一些大桥，应用 GPS 定位技术进行其首级平面控制网的测设，取得了可喜的成果。GPS 技术的应用，不仅大大减轻了劳动强度、缩短了作业时间、减弱了大气折光的影
13、响，更使特长距离、无法通视地区的高精度控制网测设成为可能。在桥位高程控制测量中，传统的测量方法往往按规范规定的方法进行跨河水准测量，联测两岸高程。例如，安徽的芜湖大桥，南京长江二桥、江阴大桥等，其跨河高程测量均采用经纬仪倾角法进行作业。但此类方法一般只适用于 2 千米以下的跨河宽度，超过2 千米以上的就极其少见，难度也很大。而对于 30 千米宽的跨海长度，要采用常规的跨河水准测量方法几乎没有可能。在国内桥位高程控制测量中，利用桥位附近己有桥梁通道或在两岸稳定的国家级水准点间进行跨河传递高程，布置成闭合环线或附合水准路线，把江河两岸联系起来，是取得两岸统一高程的一种有效方法。GPS 高程拟合测量
14、是 GPS 过江高程传递最近发展使用的一种方法。在范围不太大的地形平坦区域内，以高等级水准点作为高程拟合起算点，结合高精度GPS观测值、选用适宜的高程异常处理模型，高程传递的精度可达国家二、三等水准10精度。GPS 高程拟合过江的关键问题是如何精确建立高程异常模型，由于地球表面及地层各处物质密度、质量的不同，各点的大地高和正常高之间的差异十分复杂，在范围较大的区域采用 GPS 高程拟合方法传递高程，有时会出现较难控制的大误差或难以预料的粗差。国际上，对桥位平面控制和高程控制技术的研究已取得了可喜的成绩。美国早在 1984 年的斯坦福粒子加速器的工程测量中采用 GPS 定位技术，平差后其平面位置
15、精度达 1-2mm，高程精度达 2-3mm;欧洲核子研究中心的大型环形电子对撞机控制测量，GPS 定位精度亦达毫米级;横跨英吉利海峡的欧洲海底隧道工程，1987 年开始施工，工程全长 50km,隧道深入海底 40m，当采用经典大地测量方法时，隧道纵横向误差为 ，而后来采用 GPS 进行控制测量得到隧道纵横610*4向误差为 ，大大提高了工程质量，减少了工程费用。610*随着 GPS 技术的广泛应用，GPS 技术已越来越多地应用于大型工程的施工控制测量，特别是平面控制网的测设中。尽管GPS技术相对于常规测量方式有不可比拟的优越性，但由于GPS技术测量的精度范围很大，从米级到毫米级甚至亚毫米级，对于不同用途的控制网，必须根据其自身特点进行严密设计。本文将结合京沪高速铁路工程研究GPS在桥梁控制测量中的应用。1.3 本文主要研究内容长期以来，利用常规的测量方法布设高精度的测量控制网，主要依赖于高
