铁路工程测量技术

2021/3/111铁路工程测量技术 讲 座2021/3/112 1、线路控制测量n1.1 GPS卫星定位原理n分类:静态（含快速静态）、动态；绝对定位、相对定位 2021/3/113 绝 对 定 位 原 理n观测量：C/A码、P码；C/A码码元293米，P码29.3米；测距误差1/101/100。n根据卫星在观测时刻的三维地心坐标和测站的待定三维地心坐标，列立站星距离观测方程。线性化后的距离观测方程n方程中含有3个测站坐标未知数x、Y、Z和一个接收机钟和卫星钟n相对钟差t，至少由4个同样的观测方程才能获取测站的三维地心坐标。因此，绝对定位必须同时观测四颗卫星。手持GPS接收机就是根据这个原理工作的。n定位精度：20米 tTtItcZtmYtlXtktDtDjijijiijiijiijijiji02021/3/114 相对定位原理n观测量：载波相位；L1载波波长19.03 cm，L2载波波长24.42cmn原理：相对定位是用两台接收机安置在基线两端，同步观测同一组卫星，确定两点间基线向量（X、Y、Z）或者多台接收机安置在多条基线的端点，通过同步观测同一组卫星可以确定多条基线向量。当其中一个端点的坐标已知，就可以得到各待定点的坐标。n=（s-m）波长短，按1/101/100波长计算测距误差，载波相位法定点的误差毫米级的。如果采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效的削减卫星星历误差、信号传播路径上的误差、以及接收机中不同步误差对定位结果的影响。静态相对定位使用广播星历可达1/100万1/1000万;采用精密星历,定位精度可达1/亿1/10亿。2021/3/115 观测量线性组合：单差（测站间、卫星间、历元间一次差）功能：消除卫星钟差；削弱星历误差；削弱或者消除对流层和电离层折射影响。n双差：（在测站求单差，卫星间求双差；在卫星n间求单差，历元间求双差；在历元间求单差，测站间求双差）n功能：消除与 接收机有关的载波相位及其钟差n三差：对双差继续求差得到三差，常用的是在接收机、卫星、历元间求三差。n功能：三差观测值中可以消除于卫星、接收机有关的初始整周模糊度项N。2021/3/116 GPS作业模式：静态测量n作业方法：采用两台或者多台接收机分别安置在一条或多条基线的端点上，同步观测4颗以上的卫星，观测时段长度40分钟以上。n精度：基线精度可达5+1ppm.D（D为基线长度，以千米计）n适用范围：CP0、CP、CP，以及桥梁、隧道施工控制网、航测基础控制网。n设计网型要注意所有的观测基线能组成一系列闭合多边形，检核外业观测基线成果的可靠性。2021/3/117GPS作业模式：快速静态测量n作业方法：在测区内选择一个基准站，安置一台接收机连续跟踪所有可见卫星。另一台接收机在各点流动设站，每点观测数分钟，通过后处理可获得待定点坐标。也可用双基准站观测，以提高精度。n精度：流动站相对于基准站的基线中误差5+1ppm.Dn应用范围：低等级控制网例如四、五等GPS网测量。n观测注意事项：在观测时段内应确保观测5颗以上卫星。流动站到基准站的距离不超过20km。流动站迁站时，不必保持对卫星的跟踪，可关闭电源。2021/3/118GPS作业模式：实时动态（RTK）n实时动态测量就是在基准站安置一台接收机对所有可见卫星测量，并将测量数据和基准站坐标通过无线电设备传输给流动站，流动站在观测所有可见卫星的同时，接受基准站传输的数据，并组成和解算差分方程，获取流动站与基准站间的坐标矢量，实时显示流动站坐标和精度。n精度：可达cm级n适用范围：中线测量、航空摄影测量 n技术注意事项：要求观测过程中，保持对卫星的连续跟踪。一旦失锁，应在失锁的观测点上观测数分钟重新初始化或者用AROF技术重新初始化。作业半径不超过20km。2021/3/1191.2 GPS技术在铁路工程测量中应用nCP0控制网测量 高速铁路：50km,点间相对中误差20mm,边长相对中误差1/200万,观测4个时段,时段长5个小时，控制网与国家GPS A、B级网或者IGS工作站连测。设计时速200km以下铁路：测区内高等级控制点的精度和密度不满足CP起闭要求时测量CP0框架网，测量精度按照设计速度和测区具体情况设计，至少按两个时段，时段长2个小时。CP基础平面控制网 高速铁路：每4km布设一对点（或一个点），点对间距大于800m,按GPS的二等观测,基线边方位中误差1.3,边长相对中误差1/18万,相邻点的相对中误差10mm。设计时速200km以下铁路：每4km布设一对点（或一个点），点对间距大于800m,按GPS的三等观测,基线边方位中误差1.7,边长相对中误差1/10万,相邻点的相对中误差10mm。CP线路平面控制测量 高速铁路：600800m一个点，点间通视，按GPS的三等观测，基线边方位中误差1.7,边长相对中误差1/10万,相邻点相对中误差8mm。设计时速200km以下铁路：400600m一个点点间通视，按GPS的四等观测，基线边方位中误差2.0,边长相对中误差1/7万,相邻点相对中误差8mm。2021/3/1110 航测外业控制测量 测量模式：RTK测量 快速静态测量 中线测设 测量模式：RTK测量 坐标转换参数(平面坐标转换参数 和高程转换参数)及有效性检查;基准点设置;测设中桩的范围及换基准点后的 重测检查。工点地形测量 测量模式：RTK测量 2021/3/1111 2、铁路测量的平面坐标系统n规范规定：n高速铁路工程测量规范规定：高速铁路工程测量平面坐标系应采用工程独立坐标系，在对应的线路轨面设计高程面上坐标系统的投影长度变形值不宜大于10mm/km。n 铁路工程测量规范和改建铁路工程测量规范规定：工程测量平面坐标系应采用国家坐标系或者工程独立坐标系，线路设计高程面上的投影长度变形值不宜大于25mm/km。1、坐标系基本概念、坐标系基本概念2、ITRF系列框架系列框架3、地方坐标系的建立、地方坐标系的建立4、CP0框架网框架网5、CPI/CPII控制网控制网（1）大地基准）大地基准：代表地球形体的旋转椭球北京54(BJ54)：克拉索夫斯基椭球西安80(XA80)：IUGG1975国际椭球2000坐标系(CGCS2000)：WRS80椭球ab国际地球参考框架(ITRF)ITRS是协议地球参考系统，是根据全球观测网VLBI、SLR、LLR、GPS 等空间大地测量技术的观测数据，分析得出一组全球站坐标和速度场。ITRS每年都根据全球观测数据推算出一个ITRF参考框架。并以年报和技术备忘录形式发布。不同年份的ITRF框架有微小的系统差，可通过七参数法转换消除。国家大地测量参考框架(国家大地网)国家GPS A级网由30个主点，和22个副点组成，均匀的分布在中国大陆地区。点间距离平均650千米。在52个主副点上连续同步观测9昼夜。国家GPS A级网复测数据在ITRF93（93的参考历元1996.365）参考框架下进行。GPS基线矢量采用美国麻省理工学院研制的GAMIT软件及IGS精密星历。网平差采用武汉大学GPSATJ软件。30个主点数据加17个IGS全球站数据一起处理。IGS全球站的坐标根据IGS公布的精度给与相应的权约束。副站与主站的关系单独处理。国家GPS A级网的成果精度达到210-8。19911997国家建立了国家GPS B级网。全网由818个点组成，沿海地区平均点距5070千米，西部地区150千米。国家GPS B级网的观测数据处理采用美国麻省理工学院研制的GAMIT软件，以国家GPS A级网点坐标为基准，按同步图形递推。网平差则依据不同情况分为25个子网，采用PowerADJ2.0分别进行无约束平差，然后以GPS A级网点位起算数据，在ITRF93框架下进行网的约束平差。计算中采用精密星历包括DMA、CODE、IGS。国家GPS B级网平差结果相对于国家GPS A级网点水平方向优于0.05m，垂直方向优于0.1m。国家GPS A级网、国家GPS B级网、总参GPS一、二级网、地壳运动监测网共同组成国家GPS网，全网2609个点，经过联合处理形成了国家2000坐标系统。CP0 CP CP 2021/3/1119地图投影变形的基本理论 n地面观测的边长投影至参考椭球体面上长度将缩短n椭球体面上的长度S投影到高斯平面上长度将增长n边长投影变形值 RHDD/22/2/RySSmRHRySvms2222021/3/1120 国家3分带（投影平面的高程为0）边缘的长度 变 形值为1/3000 1/5000，相当于0.333m/km0.2m/km。欲使投影误差达到25mm/km，在投影平面的高程为0 前 提下，测边离中央子午线的距离不得超过45km。n铁路工程独立坐标系的建立1）目的 减小图上距离或坐标反算距离与实测距离的差值2）依据：长度归化从观测表面到投影面，当投影面低于观测表面时变短，反之变长；高斯投影的长度比大于1，并且离中央子午线越远，长度比越大。2021/3/1121 铁路工程椭球的构建椭球膨胀法建立地方坐标系：保持参考椭球扁率不变，伸缩其长半轴，从而使观测地点的平均高程面与采用的椭球面相切。椭球参数与坐标计算32222222222222)1(sin1cossin)(11/)sin1()sin1/(1)sin1/(1WeaMBeWBBaWeMdBdBBBeBeRaBeeaRBeeaNMRHRRmmmmmmmmm 根据已审查通过的预可行性研究线路方案纵断面图，高速铁路按高程变化128米，一般铁路按320米分段，从第一段开始，计算段线路设计平均高程，作为Hm，计算工程椭球的参数，选定本段投影中央子午线的经度，计算ym，和段内设计高程变化点相对于Hm的高差代入vs/s计算投影变形值，如果变形值没超过10mm/km（高速）、25mm/km（一般），这个带设计完成，进行下一段下一带设计。2021/3/11233、航空摄影地形图测绘n测量原理:将中心投影的航空相片纠正为正射投影测绘地形图n 航空摄影的特点：1、中心投影；2、地面起伏变化引起象比例尺变化；3、象片倾斜引起影象变形。an地形图特点：正射投影。n n d c b a s b0 n0 a0n bn s a b c d sn A B C D A B n n a1 b1 c1 d1 C D A N B 象片倾斜影象变形 利用外业控制点、内业加密点恢复摄影时的状态，将倾斜象片转化为水平象片。地面起伏投影变形 平坦地区投影变形不超过0.4mm，起伏地区通常采用“分带”的办法，以保证“带”内象点的投影差不超过0.4mm。纠正处理过的象片就可以当作正射投影来进行地形图测绘。1、机载GPS可实时测量象中心的坐标，配合少量的外业控制点，实现无地控或少地控航测。目前，只用于中小比例尺测图；2、GPS定位技术可以测量航测的基础控制网，为测量平高点提供坐标基准。航测基础控制网一般沿线路方案（预可）每8km布设一对GPS控制点，测量精度等级为四等。成果也可用于初测工点的调查测绘。如果控制点密度不满足测设工点的要求，可用GPS RTK加密或者测量导线加密。GPS的高程拟合可用于平高点的高程测量。GPS在初测中的应用 1、CP0：当测区内国家高等级控制点不满足CP起闭时，布设二等或者三等控制网，并连测附近的国家GPS A、B、C级点及国家二、三等三角点；高速铁路提高一个精度等级布设。2、航测基础网测量：8km一对点，按四等精度观测。3、GPS RTK测设工点的中线，进行工点其他测绘工作。1、CP：4km设一对点或者一个点，对点两点间距800m；高速铁路按二等精度测量；设计行车速度200km按三等精度测量；设计行车速度160km 按四等精度测量；以CP0为约束点。2、CP：400600m布设一点，相邻点间通视；高速铁路按三等精度测量（点间距600800m）设计行车速度200km按四等精度测量；设计行车速度160km 按五等精度测量；以CP为约束点。3、GPS RTK测设中线和中桩高程。GPS测量注意事项：1、组网观测应采用边连式布网，即同步图形间至少有两个公共点；2、所有参加测量的接收机设置相同的参数；3、山区网观测之前，应对对空通视条件不良的点测绘环视图，利用商用软件中的计划软件，对包括对空通视条件不良的点再内的同步观测，作好观测窗口设计。4、用 GPS RTK测量时，应作好坐标转换参数的计算。测段长度在20km以内，宜采用三参数法，不宜用七参数法。测设的放样点应位于用于计算转换参数的各个控制点所围成的几何图形内。5、除高速铁路外，GPS观测数据处理时，都可用星历文件所提供的广播星历计算。6、GPS数据处理后可获得WGS-84三维坐标、国家2000大地坐标系三维坐标、北京54和西安80 平面坐标、铁路工程独立坐标系坐标，名类繁多，要根据用途分别标识和提供，并明确使用范围。利用GPS定位技术测量的资料验收 1、控制网测量质量验收 (1)实测是否按照规范规定或者技术设计进行，例如时短数、时段长度；(2)独立环闭合差、重复测量基线较差是否满足规范规定；(3)约束平差前后同名改正数较差不大于2；(4)控制网各项精度指标满足规范规定。(5)GPS RTK测量放样中线，中线点是否都位于用于计算转换参数的各个控制点所围成的几何图形内。2021/3/1130 5、改建铁路测量n改建铁路施测程序 框架网、CP网测量 水准基点测量非绕行地段里程丈量非绕行地段外移桩导线测量（CP）中线测绘(方向测量、曲线测量、横断面）地形测绘站场测量、桥涵测量、隧道测量2021/3/11316、控制测量未考虑投影变形的后处理n（1）、考虑投影变形的控制测量成果 将原控制测量成果重新按控制投影变形的坐标系计算新成果，并分带计算新、旧坐标转换关系。将施工图阶段的诸桩坐标转换为新坐标系坐标。按新的坐标放线。n（2）如果原控制测量成果不能利用，可以重新布设控制网，并将原控制网点全部纳入新网。按上款的办法转换逐桩坐标。2021/3/1132n平移参数n旋转角 0000yxYXDDyx212021/3/1133n尺度因子n新坐标系坐标计算121sssmiiiiyxmyxyxcossinsincos100 现行有效测量软件介绍1、GPS：Timble TGO Leica LGO 同济大学、武汉大学、西南交通大学 GPS软件；2、工程测量软件：武汉大学“科傻”软件，南方测绘工程测量 软件、Leica 测量软件、西南交大坐标系 设计软件等