GPS在高速铁路特大桥控制测量中的应用

论文题目：GPS在高速铁路特大桥控制测量中的应用专 业：测绘工程本 科 生：陈光伟 （签名） 指导教师：崔晓临 （签名） 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。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Subject ：The Application of GPS in Survey Control for Oversize Bridge Express RailwaySpecialty ：Geometic engineeringName ：Guangwei Chen （Signature） Instructor：Xiaolin Cui （Signature） ABSTRACTThe technique of the Global positioning system (GPS) has been widely applied in various fields such as survey, transportation, infrastructure construction and land resources management, etc. The precision of GPS can completely meet the requirements of those projects. To develop the advantages of GPS technique and introduce it into the survey of thecontrol network and layout of foundations for large bridges, it will show great importance in the survey control of large bridges as well as the development of GPS technique itself.This paper studies the application of GPS technique in the survey control of large bridges.It starts from the fiuzdamental theory of GPS technique and the arrangement of the control network. The design, control points selection, layout and precision analysis of bridge control network are discussed in details.The application of GPS technique in the control survey of the large bridges is analyzed. The conclusion is that the technique of GPS could be fully applied in the planar control network for large bridges and furthermore, the layout precision of bridgefoundations could also be satisfied by application of GPS and RTK technique.KEY WARDS:GPS, bridges,control network,railway oversize bridge,express railway目 录前 言1第1章 绪论21.1概述21.2国内外研究现状31.3本文主要研究内容5第2章GPS定位基本原理及误差来源62.1 GPS定位的基本原理6系统简介6定位基本观测值8定位的基本原理92.2 GPS定位的误差来源12与卫星有关的误差12卫星信号传播误差14与接收设备有关的误差14粗差162.3 GPS数据采集模式及网间坐标转换17数据采集模式17网与其它网之间的坐标转换18第3章桥梁控制测量203.1概述203.2桥梁控制网特点203. 3桥梁控制网布设22桥梁控制网的基准和投影面的确定22桥梁控制网的布设要求25桥梁控制网的布设方法273.4桥梁控制网精度要求29桥梁控制网精度估算30高程控制网的精度313.5控制网施测方法33第4章 高速铁路测量控制技术体系344.1 精密测量控制体系的研究34客运专线铁路精密工程测量的概念34建立客运专线铁路精密工程测量体系的必要性344.2高速铁路客运专线铁路工程技术要求35坐标系统35第5章 GPS在大型桥梁控制测量中的应用375.1 GPS桥梁控制网技术指标375.2 GPS控制网的网形设计375.3 GPS桥梁控制网布设要求385.4 GPS控制网施测38仪器选择与检验38控制网外业实施39观测数据的处理39基线向量网平差40第6章 京沪高速铁路丹阳至昆山特大桥工程实例426.1 丹阳至昆山特大桥简介426.2 丹阳至昆山特大桥GPS控制网布设42坐标系与投影面的选取42时间基准43控制网技术、精度指标43平面控制网的布设436.3 GPS平面控制测量44外业观测44基线解算45投影转换46网平差47 精度统计分析47结束语49致谢50参考文献51前 言 近年来，随着我国交通事业的蓬勃发展，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，三次试验结果的精度统计为:南北分量1.9mm，东西分量2.1mm，垂直分量的平均精度为17m，且与距离无明显关系 2)选点灵活、费用低 由于GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建造规标，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国内外研究现状 随着GPS静态定位技术的发展与完善，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向误差为，大大提高了工程质量，减少了工程费用。 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，主要依赖于高精度的测距仪和经纬仪。由于地形复杂、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，作业时间长。随着GPS技术的迅速发展，GPS技术的应用己渗透到军事、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。特别必须针对生产中的一些实际问题，研究GPS技术应用的实施方法，达到实际的需要。本论文根据高速铁路大型桥梁的实际需要，结合工程实例，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。主要内容如下:、讨论GPS定位系统原理及其特点、分析总结了GPS定位的误差来源与影响及相应的削弱措施。、对高速铁路的精密测量高控制体系的研究。对高速铁路精密工程测量的概念、建立高速铁路精密工程测量体系的必要性进行阐述，由此制定GPS测量方案。、结合工程实例，对GPS在特大型桥梁测量控制中的应用进行了深入的研究。、对GPS在桥梁中的应用进行了总结，得出了一些结论，并展望了下一步的研究工作。第2章GPS定位基本原理及误差来源 2.1 GPS定位的基本原理2.1.1 GPS系统简介1973年12月，美国国防部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统navigation by satellite timing and ranging (NAVSTAR) global positioning system(GPS)，称之为GPS卫星全球定位系统，简称为GPS系统。它是美国国防部的第二代卫星导航系统。它是一种基于空间卫星的无线导航与定位系统，可以向数目不限的全球用户连续地提供高精度的全天候三维坐标、三维速度及时间信息，具有实时性导航、定位和授时功能。自1974年以来，GPS系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产试验等三个阶段。1978年2月22日第一颗GPS试验卫星的入轨运行，开创了以导航卫星为动态己知点的无线电导航定位的新时代，标志着工程研制阶段的开始。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段; 1994年3月建成了信号覆盖率达到98%的GPS工作星座，全部完成24颗工作卫星(含3颗备用卫星)的发射工作，正式宣布了GPS整个系统已经正式建成并投入使用。GPS系统由三大部分构成:GPS卫星星座(空间部分)，地面监控系统(控制部分)和GPS信号接收机(用户部分)。GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗随时可以启用的备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道面内，每个轨道面均匀分布有4颗卫星。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角均为550，各轨道平面升交点的赤道相差600，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差300。轨道平均高度约为20200公里，卫星运行周期为11小时58分。GPS工作卫星的空间分布保障了在地球上任何时刻、任何地点均至少可以同时观测到4颗卫星。地面观测者见到地平面上卫星颗数随时间和地点不同而异，最少4颗，最多11颗。GPS卫星的主要作用是:向用户连续发送定位信息;接收和储存由地面监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时发送给用户;接收并执行由地面监控站发来的控制指令，适时地改正运行偏差和启用备用卫星等;通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准。 地面监控部分包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。其主要任务是监视卫星运行;确定GPS时间系统;跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态，向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据，确保GPS系统的良好运行。 GPS信号接收机主要功能是迅速捕获按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，以便测定出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出卫星所发送的导航电文，实时计算出测站的三维坐标、三维速度及时间信息等。 在GPS定位过程中，按照参考点位置的不同，可以分为绝对定位和相对定位。绝对定位是指在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置，这时可以认为参考点与地球质心相重合。而相对定位指的是在地球协议坐标系中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置。 按定位时接收机所处的状态，可将GPS定位分为静态定位和动态定位两类。所谓静态定位，指的是将接收机静止于测站上数分钟至1小时或更长时间观测，以确定一个点在WGS-84坐标系中的三维坐标(绝对定位)，或两个点之间的相对位置(相对定位)。而动态定位至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测历元相应的运动中的点位(绝对定位或相对定位)。 利用接收到的测距码或载波相位均可进行静态定位。但由于载波的波长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及载波相位的观测值精度均取至0.1周(每2弧度为一周)，则C/A码及载波L1所相应的距离误差分别为2.93m和1.9m.因此，利用码相位的伪距测量只能用于单点绝对定位。而载波相位观测量则是目前GPS测量中精度最高的观测量，而且它的获得不受(P码或Y码)保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要应用是进行相对定位。将两台GPS接收机分别安置在两个不同点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除或减弱多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。 GPS定位基本观测值 利用GPS定位，无论采用何种方法，都是通过观测GPS卫星而获得的某种观测量来实现的。我们知道，GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同要求，可以从中获取不同的观测值，其主要包括: 1、码相位伪距观测值 码相位伪距测量是GPS接收机通过测量卫星发射信号与接收机接收到此信号之间的时间差t，来求得卫星接收机间得距离P: P=t *c （2-1-1）式中:c为光速。 由于卫星钟的误差、接收机的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等，实际测出的距离P与卫星到接收机真实距离R有误差。因此，一般称P为伪距。2、载波相位观测值 在码相关型接收机中，当GPS接收机锁定卫星载波相位，就可以得到从卫星传到接收机经过延时的载波信号。如果将载波信号与接收机内产生的基准信号比相就可得到载波相位观测值。若接收机内振荡器频率初相位完全相同，卫星在时刻发射信号，经过t后于t，时刻被接收机接收，接受机通道锁定卫星信号，t对应的相位差，又设卫星载波信号于历元，时刻的相位为 ()，接收机基准信号在，时刻的相位为()，则有: =()- () （2-1-2）通过鉴相器，卫星到接收机间的相位差可分为个整周相位和不到一个整周相位之和，即: =()- ()= （2-1-3）卫星到接收机距离为: （2-1-4）式中:为波长。 鉴相器只能测出不足一个整周相位值，测不出来。因此，在载波相位测量中出现了一个整周未知数 (也称为整周模糊度)，需要通过其他途径求定。另外，如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成信号失锁等，这样，计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但不到一个整周的相位观测值t,仍然是正确的。这种现象称为周跳。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。 由于载波频率高、波长短，因此，载波相位测量精度高。不过，利用载波相位观测值进行定位，要解决整周模糊度的解算和周跳修复问题。2.1.3 GPS定位的基本原理1、绝对定位(测距码伪距单点定位) 绝对定位，通常指在协议地球坐标系中，直接确定观测站，相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。利用GPS进行绝对定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接受机天线之间的距离(或距离差)观测量为基础，并根据己知的卫星瞬时坐标，采用空间后方交会的方法来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。 测距码伪距就是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间(时间延迟)乘于光速所得出的距离，习惯上简称为伪距。建立伪距观测值方程，必须顾及卫星钟差，接收机钟差以及大气层折射延迟等。为了表达方便，本节所有公式中均以k表示测站编号，j表示卫星编号，i表示观测历元编号。伪距观测值(k,j,i)可表示为:(k, j, i)=p(k, j, i) + c (2-1-5)式中:;为接收机钟差，;为卫星钟差 ，力表示对流层折射影响，它包括干分量和湿分量，可按测站上实测得气象元参数及至卫星的高度角，采用对流层改正模型进行计算改正，表示电离层折射影响，也采用改正模型进行改正，这些下一节中将详细讲述。p(k，j，i)为正确的卫地距，其计算公式为: （2-1-6）卫星坐标()是已知的。顾及式(2-1-6)，在式(2-1-5)中只有4个未知数:测站三个坐标未知数（），另一个未知数是接收机钟差风。因此在同一观测历元，只须同时观测4颗卫星，即可获得4个观测方程式，求解出这4个未知数。若同时观测的卫星多于4个，则存在多余观测，此时，须将式(2-1-5)线性化，再按最小二乘法进行平差计算。若一开始所给出的测站在WGS-84坐标系中的近似值()偏差过大，则因线性化后的观测方程式仅取了一次项，为避免略去的高次项对解算结果的影响，可利用解算出的测站坐标重新作为近似值，迭代求解，以此求出我们需要的点位坐标。 应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接受设备安置在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体的瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有(或很少)多余观测量的实时解。这种定位方法，被广泛的应用于飞机船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。当接收机天线处于静止状态时，用以确定观测站绝对坐标的方法，成为静态绝对定位。这时，由于可以连续的观测卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测后，通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方法，主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。2、相对定位(差分载波相位测量) 相对定位的最基本情况，是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。当多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星，可以确定多条基线向量。 瞬间载波相位差指的是，在某一指定时刻(历元)由接收机产生的参考载波信号的相位与此时接收到的卫星载波信号的相位之差。载波相位差的观测方程为:(2-1-7)式中:是分别在接收机钟及卫星钟所定义的时间尺度中所度量的初始历元(钟面时为)相位值;为载波频率;对分别表示卫地距、卫地距变率，分别为接收机钟差和卫星钟差;表示初始历元的整周待定为定值;对流层折射改正项; 为电离层折射改正项。 载波相位测量，由任一测站k在任一观测历元i对任一卫星J均可由接收机取得观测值叫，式(2-1-7)为其数学模型。式子的右端包括大量未知数;如卫星至测站几何距离及其变率、卫星钟钟差、接收机钟差等，其中接收机的绝对钟差(相对于GPS标准时)很难用两三个钟差来模拟，式(2-1-7)右端的前两项也难予以参数化，再则卫星轨道、大气折射残余误差等等也都会影响定位。在平差计算中，包括了大量并非我们实际需求的未知参数。这些参数用来模拟相位观测值中的一些系统性误差影响，因其数学模型难以完善，必然存在可观的模型误差。另外，实践证明，在平差过程中引入过多的参数往往会降低解的精度和可靠度。因此，(非差分)载波相位测量还难于用于单点绝对定位。实际上，我们通过对载波相位测量值进行各种线性组合(即差分)，便可获得高精度的GPS相对定位结果。相对定位，借助于精密星历和高精度相对定位软件，很容易获得很高的相对定位结果。 根据用户接收机在定位过程中所处的状态不同，相对定位也有动态和静态之分。静态相对定位一般采用载波相位观测值为基本观测量，这一方法是当前GPS定位中精度最高的一种方法，广泛的应用于大地测量、工程测量和地壳变形监测等精密定位领域。动态相对定位，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对于基准站的实时位置。根据其采用的观测量不同，动态相对定位又可分为测码伪距动态相对定位和测相伪距动态相对定位。3、实时动态相对定位(GPS RTK ) RTK(英文为Real Time Kinematics)技术即GPS实时动态相对定位技术，是目前最先进的卫星定位技术，是GPS测量技术发展的一个重大里程碑。它是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，它能够在野外实时得到厘米级定位精度，这为工程放样、地形测图、变形观测等各种实时高精度测量作业带来了一场变革。它的基本原理是，利用2台以上GPS接收机同时接收GPS卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台用来测定未知点的坐标为流动站。基准站通过数据传输系统(简称数据链)将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要自己采集GPS观测数据，然后根据相对定位的原理，在系统内组成差分观测值进行实时处理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及精度，历时不到一秒钟。RTK作业开始前，流动站必须先进行初始化，即完成整周未知数的解算后开始进行每个历元的实时测量，作业时只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。初始化可在固定点上静止进行，也可在动态条件下利用动态初始化(AROF)技术进行。 GPS RTK定位系统的构成，一套RTK定位系统一般包括一套基准站和一套流动站。一套基准站包括:一台基准站GPS接收机及天线、独立的基准站发射电台及天线、设置参数和显示使用的电子手簿。一套流动站包括:一套流动作业的GPS接收机及天线、流动站接收信号的电台(多数内置于GPS接收机内)及天线、电子手簿。目前RTK技术的标称精度一般为:平面士(1Omm+1ppn) ;高程士(20mm+2ppm )，工作半径在1 Okm以上。2.2 GPS定位的误差来源 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为三类:与卫星有关的误差;与卫星信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。与卫星有关的误差 与卫星有关的误差主要有卫星钟差与卫星轨道误差。1、卫星钟差 由(2-1-1)式可以看出距离是时间的线性函数，所以GPS定位必须以精密测时为基础，尽管信号传播起始计时由GPS卫星上高精度的原子钟确定，但它与真实的GPS时仍存在偏差或漂移，这种差在1ms以内，由此引起等效距离误差最大为300km。对于卫星钟差一般利用监测站提供的被注入卫星导航电文的改正，系数按下式修正。 (2-2-1)上式中，为参考历元为参考历元时刻的卫星钟差 为卫星钟的钟速(或频率偏差) 为卫星钟的钟速变率(或老化率)2、卫星轨道偏差 卫星在运行过程中受多种摄动力的复杂影响，地面监测站也不能准确测定其轨道，通过导航电文所计算的卫星位置误差d大约为20m-40m，随着摄动力模型的改进和定轨技术的完善，卫星位置精度目前可提高到5m- 1Om。卫星离地面平均高度约为20200km，卫星位置对定位精度的影响可按下式计算 (2-2-2)式中，D为卫星与测站间的距离;S为基线长，当基线长为1Okm时，则卫星位置误差对定位精度的影响为2.5mm- 5mm。因此对于精度要求较高的工程，必须采取有效的措施，来降低它的影响。根据要求不同，处理卫星轨道误差的方法有三种: (1)当基线足够短时，在满足精度的情况下，可以忽略卫星轨道误差。 (2)采用轨道改进法处理观测数据，即在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正数，并假定短时间内这些参数为常数，将其作为未知参数与坐标未知数一并求解。 (3)同步观测值求差，由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统性，利用同步求差方法可以明显地减弱卫星轨道误差的影响，特别对于短基线效果更明显。卫星信号传播误差 信号在从卫星到测站的传播过程中，要受到大气折射与多路径的影响。大气层的结构按对电磁波传播影响的不同可分为电离层与对流层。电磁波通过大气层时折射数随高度变化。信号传播过程中，主要受分布在70km以上的电离层的影响和分布在40km以下的对流层的影响。并且电离层的折射数小于0，对流层折射数大于0。折射数大于0，表示折射率大于1，则信号的传播速度小于光速，即中信号对流层的传播速度小于光速，引起时间延迟和伪距增长。而电离层中信号的传播速度大于光速，引起时间缩短和伪距减小。实验数据表明，在天顶方向(高度角90度)，对流层可使信号传播路径误差达到2.3m;当高度角为10度时路径误差可达20m;而电离层折射引起信号传播路径误差，天顶方向最大达50m.水平方向最大也可达150m，因此大气层的折射影响必须加以修正。 减弱对流层折射改正项残差影响的措施主要有: (1)尽可能充分掌握观测站周围的实时气象资料; (2)利用水汽辐射计准确测定信号传播路径上的水汽积累量，以便精确计算大气湿分量的改正量; (3)利用相对定位的差分法来减弱对流层折射的影响。当基线较短时，在稳定条件下，由于电磁波到达基线两端点的路径基本一致，因此通过两端点同步观测量求差，可以有效减弱对流层折射的影响;(4)完善对流层大气折射改正模型。减弱电离层折射的影响的主要措施有: (1)利用双频观测技术; (2)相对定位中，短基线两端点观测量同步求差。与接收设备有关的误差 与接收设备有关的误差主要包括:观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差、载波相位观测的整周不定性影响。 观测误差:属于偶然误差，包括分辨率带来的误差，和安置天线时不对中产生的误差。 接收机钟差:接收机中与卫星钟不同步产生测时误差。接收机钟差一般在数据处理中把它设为未知参数一并求解。也可以像卫星钟一样用多项式模型表示，在平差过程中求解多项式系数，或在相对定位中利用差分技术来减弱或消除它的影响。 天线相位中心误差:天线相位中心与它的几何中心不一致，而在应用中我们总把它们看作一致，因此存在着天线相位偏差。削弱这种误差的措施有，改进接收机天线或对于同类型天线也使用差分技术同步求差。 除了上述三类误差外，还存在其它误差来源，如:地球自转的影响，相对论效应，地球潮汐，卫星钟和接收机钟振荡器的随机误差等。在长距离的相对定位中，如果要满足地球动力学的要求，研究这些误差来源，确定它们的影响规律和改正方法，具有重要意义。 如果根据误差性质，可分为系统误差和偶然误差。1、系统误差 系统误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、及大气折射误差，减弱或修正系统误差影响的措施一般为: (1)引入相应的未知参数，在数据处理中连同其它未知参数一并解算; (2)建立系统误差模型，对观测量加以修正; (3)利用差分技术，将不同观测站对相同卫星的同步观测值求差，以减弱或消除系统误差的影响 (4)考虑满足测量精度的要求下，忽略某些系统误差。2、偶然误差 偶然误差主要由多路径效应和观测误差引起。多路径效应是GPS测量中，地面上接收机周围物体或多或少要反射GPS信号，如果所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径效误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。多路径反射类型如下图a-直达信号b-地面反射信号c-建筑物反射信号d-多重反射信号e-边沿散射信号图（）多路径反射类型消弱措施削弱多路径的影响至今仍无法建立出一种良好的改正模型，一般采用以下措施来削弱：（1） 选择合适的站址测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草地和其他地面植被能交好地吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也较差，也可以选站。测站不宜选择天线安置点应远离大功率的无线电发生器和高压输电线,以避免周围磁场对信号的干涉。测站应远离高层建筑物。观测时，汽车也不要停放的离测站过近。（2） 对接收机天线有一定要求，如在天线中心设置抑径板 ，接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。 观测误差是由于认为原因引起的各种误差。粗差 整周未知数是指在起始观测时，信号由卫星到接收机的传播路径上无法直接测定的相位整数部分。 载波相位观测的整周不定性指起始观测历元，信号在传播路径上的整周数无法直接测定，另外，由于锁定的卫星在不断运动，容易引起失锁(即跟踪中断)，从而导致计数器上的整周计数不连贯，引起粗差。 由于受各种误差的影响，使GPS变形监测数据不但含有变形信息，同时也受到各种误差的污染。因此，GPS变形监测数据的处理就是从受误差污染的观测数据中提取变形信息。2.3 GPS数据采集模式及网间坐标转换2.3.1 GPS数据采集模式 在精密GPS测量中，一般使用载波相位观测的相对定位方法来确定点的三维位置或相对基准点的三维坐标差，按照GPS接收机作业模式，相应的也有三种数据采集方式:静态相对定位、快速静态相对定位、RTK实时动态定位。 静态相对定位观测，观测时基准站(已知站)上设置若干台GPS接收机，保持对GPS卫星连续跟踪，在流动站(监测站)上也安置GPS接收机，同步观测较长时间(从数十分钟到几个小时)，其数据处理一般在室内进行。 快速静态相对定位观测，操作与静态相对定位基本相同，只是其观测时间对较短(从几分钟到数十分钟不等)。 RTK实时动态定位观测，操作与上面的方法基本相同，只是在流动站驻留时间短(只要几秒钟)，实时解算出定位结果，为此需要建立观测数据的实时传输系统。 在相对定位过程中，未知参数包括:测站点的坐标、电离层及对流层的影响、卫星钟差、接收机钟差、未知整周数。而电离层对流层的影响、卫星钟差都有相应的改正模型，通过模型的改正这些影响基本上消除了。因此，要求的未知参数只有测站点的坐标、接收机钟差、未知整周数。而在不太长的时间内，接收机钟差可以看作不变量，因此在观测方程中可以用一个固定参数表示。另外一旦锁定卫星，一未知整周数的大小也是一个不变量。它的个数只与接收机及卫星的个数有关，而与观测历元无关。根据这些分析，在确定的观测时段内，未知参数的个数是确定的，如果每一个观测历元生成一个观测方程，若干历元生成若干个观测方程。由平差理论可知:在未知参数个数确定的情况下，其解的可靠性随观测方程的增多而提高。如果一个时段内能观测数个历元，显然历元的个 数随观测时段的增加而增加，即保证了观测方程数的增加。因此，观测时段的长短就实际上决定了定位精度的高低。 从以上分析可知，在测量精度上，其高低顺序依次为:静态相对定位，快速静态相对定位，动态实时定位。因此对于精度高要求而不需要快速反馈的工程，都采用静态相对观测法，如动力学研究板块运动的监测，地表变形监测，地震监测等;静态相对定位法耗时较长，在工程建设中往往不能及时对工程做出反馈，影响施工进度，因此快速相对静态定位法在保证必要的精度前提下，可以替代静态定位法，这种工作模式一般用在滑坡监测中，或要求不是太高的地表变形监测中;如果现场有数据处理软件，能实时处理观测结果，也可以用于现场施工监控。 目前市场上的动态实时定位设备也具有很高的精度(可达10-20mm )，因此许多在施工过程中，可用它来完成对施工的监控与指导。2.3.2 GPS网与其它网之间的坐标转换 全球定位系统采用的坐标系统是新的协议地球坐标系统(WGS-84 )，为了工程需要，或充分利用原始资料，有时必须将两种坐标系统一起来。经典地面网的三维坐标，通常都是在参心坐标系中，以大地坐标的形式表示，由于在大地坐标系中，两网的基准转换模型复杂，因此通常在空间直角坐标系统中进行。所以对已有资料中的大地坐标(B,L,H)首先应该转换为空间直角坐标 （2-3-1）其中N为椭球卯酉圈曲率半径;e椭球第一偏心率。 由于GPS网和地面网所取的坐标系的基准不同(即位置基准、方向基准、尺度基准的差异)，以及观测误差的影响，两网的同名点的坐标值将是不同的，所以两网之间的转换模型一般包括两类参数: 基准参数 通过这些参数将两个具有不同基准的坐标系统化为一致 网的配合参数 由于系统误差的影响，引入相应参数可以使两网联合处理达到最佳一致。用于基准转换的模型主要有布尔沙一沃尔夫模型、维斯模型、莫洛金斯基一巴代卡斯模型。考虑地面网的系统性误差影响的模型有霍蒂内模型，这几种模型不作详述。第3章桥梁控制测量3.1概述 随着我国国民经济的飞速发展和科学技术水平的迅速提高，在交通工程方面，各种新型的现代桥梁正在不断的建设，构成我国现代交通网络的新格局。现代桥梁是指那些主跨跨度超过200 m的特大型悬索桥、斜拉桥、连续刚构桥和拱桥等，这些桥梁的共同特点是:建设规模大、桥型新、结构新颖、施工工艺复杂、跨度大、桥面高和工期长，随着科学技术的发展，为这些桥梁施工控制服务的桥梁施工平面控制网，其建网方法也在不断地更新。 现代新型桥梁如悬索桥、斜拉桥等，结构设计复杂，均建有很高的索塔，主桥面都为逐段焊接的钢箱梁组成，以高强度的缆索拉紧。这些桥梁的鞍座定位、索导管定位和施工线形控制等都要求极高的精度。因此，测量工作的精度对保证大桥施工与监测的高质量，确保大桥长久正常运营起着极为重要的作用。 特大型桥梁跨越宽阔的水面，一些桥墩坐落在离岸边数百米甚至几公里的水中，测量的条件十分困难，而定位及安装精度又要求极高，因此必须研究现代测量技术在桥梁中的应用问题，以解决那些属于精密工程测量的关键技术难题。桥梁施工控制网建网的主要目的是:精确地放样桥梁墩台的位置及其跨越结构的各个部分，以保证实现桥梁的设计跨度和线形及其与两侧道路的正确连接，并依据控制网随时监测桥梁在施工过程中的构造变形和检查己竣工构筑物的施工质量。因此桥梁控制网是桥梁施工放样、结构变形监测和质量检查的基准。为实现桥梁控制网的上述功能，应对控制网建网过程中的坐标系统、起算数据、精度设计、点位与网型布设、施测方法、数据处理和网的质量评价等各环节进行逐项研究。3.2桥梁控制网特点 桥梁施工控制网建网的主要目的是:精确地放样桥梁墩台的位置及其跨越结构的各个部分，以保证实现桥梁的设计跨度和线形及其与两侧道路的正确连接，并依据控制网随时监测桥梁在施工过程中的构造变形和检查已竣工建筑物的施工质量，因此桥梁控制网是桥梁施工放样、结构变形监测和质量检查的基准。 建立桥梁施工测量控制网是整个建桥工程工作的一个主要组成部分，桥梁控制网的作用是为施工测量提供一个统一的基准，确保桥梁的顺利合拢，因此测量控制网的精度直接关系到整个建桥工程的质量。特别由于现代大型桥梁存在较多的安装测量，精度相对较高。桥梁控制测量一般分为平面控制测量与高程控制测量。一般根据桥位区的地形以及桥梁的具体特点选定一些具有控制作用的点构成一定的网型，称为桥梁平面控制网与高程控制网。桥梁控制网与常规的工程控制网相比，具有以下一些特点:1、控制范围小，点位密度大，精度要求高。 桥梁施工的区域一般在几平方公里到几十平方公里，桥梁平面控制网的布测范围一般纵向在0.2-10.0km，横向在0.1 -2.Okm。由于在这样一个小范围内，需要进行桥墩基础、承台、塔柱、梁等构筑物的建设，因此需要有较稠密的控制点，以满足施工期的放样工作需要。2、控制点使用频繁。 从施工初期到竣工验收的施工全过程，桥梁施工控制点反复使用可达几十次之多，从轴线的放样，墩台基础的开挖及浇筑升高，到上部结构的安装，通常都直接依据控制点进行。这样一来，布设控制网时，就应考虑点位的稳定性，使用的方便性，以及施工期间保存的可能性等问题，并做好护桩工作及经常性检查工作。3、受施工干扰大。 施工现场工种多，交叉作业，车来人往，妨碍了控制点间的相互通视。因此，测量工作要按计划进行，抓住有利时机迅速作业，注意人员和仪器设备的安全。控制点应分布恰当，适当加密，供放样时选择使用。4、桥梁控制网的平面控制通常分两级布设。 第一级控制网主要控制桥的轴线;施工中，为了满足放样每个桥墩的需要，在第一级下需要加密一定数量的加密点，构成第二级控制。由于放样桥墩的精度要求较高，故加密控制网的精度也应满足施工放样的精度要求5、桥梁高程控制网，主要是提供施工时高程系统统一的控制点，使两端线路高程准确衔接，同时为满足高程放样高度的需要服务。3. 3桥梁控制网布设 控制网的质量是控制网所要考虑的核心问题，主要包含精度、可靠度、灵敏度、费用四个方面。精度描述了网点点位的精确程度;可靠度是指在一定显著水平下，发现粗差与抵抗粗差的能力;灵敏度是指在给定的显著水平和检验功效下，通过统计检验所能发现的某一方面的变形下界值，主要是衡量变形监测网的质量。在控制网的设计时应根据网的用途不同对不同的质量指标有所侧重。对于桥梁控制网，主要目的是满足桥梁施工放样和变形监测的需要，因此桥梁控制网的设计应从精度、可靠性、费用等方面进行综合考虑。桥梁控制网的基准和投影面的确定1、基准选取 我国大地测量法式和有关测量规范中明确规定，国家大地测量控制网依据高斯投影方法按带或带进行分带和计算，并把观测成果归算到参考椭球体面上。这样规定，不但符合高斯投影的分带原则和计算方法，与国际惯例相一致，而且也便于大地测量成果的统一、使用和互算。经过分析确认，无论对按带测制1: 25000或更小比例尺国家基本图，还是按带测制1: 10000比例尺图，都能满足测图的精度要求。因此，对于国家大地测量控制网来说，按上述规定建立和采用坐标系具有实用、普遍及深远的意义。对于工程测量，其中包括城市测量，既有测制大比例尺图的任务，又有满足各种工程建设包括特大型桥梁和市政建设施工放样工作的要求。如何根据这些目的和要求合适的选择投影面和投影带亦即经济合理地确立工程平面控制网的坐标系，目前尚缺乏统一的规定和明确的条文。在这里，只就有关的一般性问题，比如工程测量中选择投影面和投影带的基本出发点做一些介绍。2、常用的坐标系 (1) 1954年北京坐标系 1954年总参测绘局采取将我国一等锁与苏联远东一等锁相联接，然后，以联接处呼玛、吉拉林、东宁基线网扩大边端点的苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部地区一等锁，这样传算来的坐标系定名为1954年北京坐标系。1954年北京坐标系属参心大地坐标系，采用克拉索夫斯基椭球，长半轴a =6378245m，短半轴b =6356863m，扁率f =1:298.3。高程系统采用1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。建国后到80年代，1954年北京坐标系是国家大地坐标系统，它在全国测绘生产中发挥了巨大作用，建立了几万个国家大地点，测制了全国1:5万、1:10万比例尺地形图，在相当广泛的范围内测绘了1:1万比例尺地形图。1954年北京坐标系亦存在一些问题，如椭球参数不够精确;参考椭球面与大地水准面拟合不好，东北、华北、华南地区高程异常在30m以上，沿海地区达65m;大地坐标点是局部平差，精度差等，已经不适应经济建设和国防建设的要求。 (2) 1980年国家大地坐标系 1978年国家决定建立新的大地坐标系1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系亦属参心大地坐标系，它的大地原点建在我国中部陕西省径阳县永乐镇，椭球采用国际大地会议推荐的参数:椭球长半轴a =6378140m、地心引力常数与地球质量的积GM=3.986005 *，地球重力场二阶带谐系数=1.08263 *、地球自转角速度弧度*、地球扁率。坐标系轴的指向明确，短轴平行于由地球质心指向地极原点JYD 1968零方向，起始大地子午面平行格林尼治平均