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GPS技术在高速铁路竣工测量中的应用.doc

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GPS 技术 高速铁路 竣工 测量 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: GPS 技术在高速铁路竣工测量中的应用 资源工程学院毕业论文(设计)开题报告2012 年 4 月 6 日论文(设计)题目:GPS 技术在高速铁路竣工测量中的应用姓名 年级 2008 级 所在院系 资源工程专业 测绘工程 指导教师开展本课题的意义及工作内容:意义:高速铁路是当今世界竞相发展的高速运输模式之一,拥有高速铁路已成为一个国家经济实力技术水平的象征。与普通铁路相比,高速铁路无论是工程结构的技术含量还是施工精度都有显著提高,施工方法也有很大差异。铁路竣工测量作为高速铁路建设的重要环节之一,为铁路统筹规划管理提供依据,并可为铁路的维修、扩建、改建以及管理提供可靠的依据。近年来,GPS 技术发展迅速,其作业方法灵活,工作效率高,误差累积少,定位精度较高,在工程测量等领域迅速得到推广应用。当前,GPS 技术在铁路控制测量、中线测设、开口线放样、征地线放样以及断面复测、竣工测量等方面,更能显示它的优越性。本文以 GPS 系统在向莆铁路(向塘至莆田(福州)635.861km) (福建段)的竣工测量中的应用,并对其作业流程和性能、效率进行了分析。工作内容:为满足向莆铁路(福建段)的竣工验收及运营管理的需要,本次测量项目为向莆铁路(福建段)用地范围及线路用地红线外侧 2 米范围内的数字地形测绘,用地界桩及里程桩测绘。总体安排及进度:1、4 月 5 日—-4 月 13 日 收集相关论文材料,在老师的指导下确定题目,并完成开题报告。2、4 月 13 日—4 月 20 日 根本个人情况,可以修改论文题目。确定指导老师。.3、4 月 21 日—-5 月 4 日 整理分析收集的相关论文材料,列出论文提纲,开始着手论文写作。.4、5 月 5 日—-5 月 20 日 完成论文内容,形成初稿,上交给指导老师。5、5 月 21 日—5 月 31 日 根据老师的指导对论文进行修改和完善,并最终完成论文正稿。课题预期达到的效果:GPS 技术以其作业方法灵活,工作效率高,误差累积少,定位精度较高等特点,为保证竣工图的质量提供了依据,使铁路的运输和管理更加安全便捷。指导教师意见:签名:GPS 技术在高速铁路竣工测量中的应用【摘要】竣工图是高速铁路建设的重要资料,随着当今时代的发展,越来越多的高速铁路正在建设中,而竣工图作为高速铁路营运管理的重要依据,其重要性不言而喻。本文通过对向莆高速铁路竣工图的施工测量,重点探讨 GPS 技术在高速铁路竣工测量中 GPS 控制网布网、GPS 控制网观测以及 GPS 控制网的后期数据处理和平差的过程。【关键词】GPS;高速铁路;竣工测量;控制网目录1 引言......................................................................21.1 高速铁路施工中的精度要求..............................................21.2 高速铁路竣工测量的必要性..............................................21.3 课题背景及意义........................................................22 工程概况....................................................................22.1 向莆铁路沿线工程概况..................................................22.2 GPS 系统的组成及其定位原理.............................................22.3 已有资料及其利用......................................................32.4 已有资料数据的坐标转换................................................33 E 级 GPS 控制测量............................................................43.1 E 级 GPS 控制布网.......................................................43.2 GPS 点位选点、埋石、编号...............................................43.2.1 选点............................................................43.2.2 埋石............................................................53.2.3 GPS 编号.........................................................53.3 GPS 网观测.............................................................63.4 数据处理及平差........................................................7 3.4.1 基线解算及检核..................................................73.4.2 平差处理........................................................84 GPS-RTK 技术与全站仪相结合下的地形测量......................................104.1 图根 GPS-RTK 测量.....................................................104.2 RTK 碎部点测量........................................................114.3 全站仪碎部点测量.....................................................124.4 RTK 与全站仪数据结合处理..............................................135 结束语.....................................................................156 致谢语.....................................................................16参考文献.....................................................................17 1 引言1.1 高速铁路施工中的精度要求高速铁路的实现为城市之间的快速交通来往和为旅客出行提供了极大方便,同时也对铁路选线与设计提出了更高的要求。在时速高达 h200km/h~350km/h 的客运专线铁路中,为满足高速条件行驶下,旅客列车的安全性和舒适性,必须严格按照设计的线型施工,即保持精确的几何线性参数,同时也必须具有非常高的平顺性,精度要保持在毫米级的范围以内 [1]。而利用 GPS 卫星信号能够进行毫米级精度的静态相对定位,厘米级精度的动态相对定位,厘米级精度的速度测量及毫微妙级精度的时间测量,所以利用 GPS 技术完全能达到高速铁路测量的精度要求。1.2 高速铁路竣工测量的必要性按照《铁路技术管理规程》要求“新建、改建工程竣工后,应按规定进行验收。 ”为了满足高速铁路竣工验收的要求,高速铁路竣工验收前应进行竣工测量。竣工测量的目的:一是对高速铁路的线下工程空间位置、几何形态、轨道平顺性进行客观的评定,为工程验收提供必要的基础资料;二是为高速铁路交付运营后,竣工测量的成果将作为运营维护管理基础资料。工程竣工测量是真实反映施工后建(构)筑物实际位置的最终表现,也是后续阶段设计和管理的重要依据。高速铁路竣工测量关系着铁路建成投产后进行生产管理和变形观测的需要,同时也可以进一步检测铁路施工是否达到高速铁路所需的精度及平顺性的要求 [2]。1.3 课题背景及意义本文以向莆(向塘至莆田) (福建段)1:1000 竣工图测量为例,讲述 GPS 技术在高速铁路竣工测量中的应用,以及该技术在工程测量中发挥得重要作用。文章主要分为三个部分,第一部分主要陈述向莆铁路工程概况;第二部分主要陈述 GPS 控制网的布设、选点、埋石、编号、观测以及数据处理及平差;第三部分主要陈述 GPS-RTK 技术与全站仪相结合下得地形测量。高速铁路以其载客量高、输送能力大、速度快、安全性好、正点率高、舒适方便、能源消耗低、经济效益好等优点,缩短了旅客旅行时间,产生了巨大的社会效益;对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用;促进了沿线城市经济发展和国土开发;沿线企业数量增加使国税和地税相应增加;节约能源和减少环境污染。2 工程概况2.1 向莆铁路沿线工程概况 向塘至莆田(福州)铁路由南昌枢纽乐化东站引出,并行西环线至新建县生米镇设南昌西客站;跨赣江、温厚高速公路、沪昆铁路,至京九铁路的三江镇站。从三江镇站引出枢纽后折向东南,经江西丰城、抚州、南城、南丰,穿武夷山脉进入福建境内,经福建建宁、泰宁、将乐、沙县、尤溪,穿戴云山脉至永泰,在永泰县城附近分岔,同时引入福厦铁路莆田站和峰福铁路福州站,正线长度共计 635.861km(福建段) 。为满足向莆铁路(福建段)的竣工验收及运营管理的需要,本次测量项目为向莆铁路(福建段)用地范围及线路用地红线外侧 2 厘米范围内的数字地形测绘,用地界桩及里程桩测绘。2.2 GPS 系统的组成及其定位原理GPS 系统主要由三大部分组成,即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分(如下图)图 2-1 GPS 系统的组成定位原理:分布在地球上空的多颗导航卫星,不停的发射无线电信号,空间定位系统接收这些信号,导航仪根据星历表信息求得每颗卫星发射信号时在太空中的位置,计算卫星发射信号的精确时间,然后根据已知的空间定位卫星的瞬时坐标和信号到达该点的时间,通过计算,求得卫星至空间定位系统接收机之间的几何距离。在此基础上,计算出用户接收机天线所对应的点位,即观测站的位置。从理论上讲,知道三颗卫星至观测站的几何距离,并利用 GPS 接收机收到的这三颗卫星的导航信号推算出的卫星瞬时坐标,就可以计算出观测站的位置,方法是分别以三颗卫星的瞬时坐标为球心,卫星至观测站之间的距离为半径,作出三个球面,三个球面的交点就是观测站在空间中的位置。由于一般 GPS 接收机安装的是非精密钟,接收到的时间存在误差,故计算出卫星与用户之间的距离有误差,因此需要利用第四颗卫星进行时间上的纠正,以保证时间上的同步 [3]。2.3 已有资料及其利用由施测竣工图时需考虑的原则,因此可以充分利用向莆铁路已有的测量和设计的资料。(1)向莆铁路原施工控制网提供的 CPⅠ、CPⅡGPS 控制点,可用于本测区平面控制测量起算依据。该成果属 1954 北京坐标系,高斯平面直角坐标系,中央子午线为 117°。(2)测区内外原有的控制点成果,其点位标石完整的,要尽量利用原标石进行观测,方便建立 1980 西安坐标系统与 1954 年北京坐标系统的坐标转换。(3)测区附近有国家一等、二等及三等水准点,可作为本测区控制点高程联测的起算依据,该成果属 1985 国家高程基准。(4)省测绘局 2004 年出版的 1:1 万单色地形图,可供设计及工作布置使用。(5)甲方提供的施工图及地范围及线路用地及站场红线、界桩坐标及施工里程等数据资料等,可作为本测区竣工测量的参考依据。2.4.已有资料数据的坐标转换由竣工图施测时需保持控制测量系统与原有系统保持一致的原则 [4],因此需在原有的CPⅠ、CPⅡGPS 控制点和施工图及各种红线图、界桩坐标数据资料的基础上,进行坐标的转换。(1)CPⅠGPS 控制点的坐标转换,以国家 A 级 GPS 控制点A031、A035、A038、A041、A050、A080 为重合点,进行 1980 西安坐标系统与 1954 年北京坐标系统间转换参数求解,求取 CPⅠGPS 控制点的 1980 西安坐标系统的坐标。(2)CPⅡGPS 控制点的坐标转换,以国家 A 级 GPS 控制点及 CPⅠGPS 控制点为重合点,进行 1980 西安坐标系统与 1954 年北京坐标系统间转换参数求解,求取 CPⅡGPS 控制点的1980 西安坐标系统的坐标。(3)施工图及各种红线图、界桩坐标数据资料的坐标转换,先利用CPⅠGPS、CPⅡGPS 控制点的 1954 年北京坐标系统与施工坐标系统两套成果进行转换参数求取,把施工图及各种红线图、界桩坐标、施工里程等数据资料转换到 1954 年北京坐标系统,再利用 CPⅠGPS、CPⅡGPS 控制点的 1954 年北京坐标系统与 1980 西安坐标系统间的转换参数,求取 1980 西安坐标系统下的各种红线图、界桩坐标数据资料。3 E 级 GPS 控制测量3.1 E 级 GPS 控制布网本测区 E 级 GPS 控制网采用中海达 GPS 进行测量,以上述 CPⅠGPS、CPⅡGPS 控制点为基础进行布设,平均边长约为 0.5km,采取以边点混连方式布网。其主要技术要求如下:表 3-1 E 级 GPS 网的主要技术要求 [5]级 别 平均距离(km) (mm) (1×10-6) 最弱边相对中误差E 级 0.2~5 ≤10 ≤20 1/45000注:1、当边长小于 200m 时,边长中误差应小于 20mm。2、 (mm)为固定误差; (ppm)为比例误差系数。为保证 GPS 测量精度,本次作业采用载波相位静态相对定位作业模式,其基本技术要求如下:表 3-2 E 级 GPS 网测量作业的基本技术要求级 别卫星截止高度角(°)有效观测卫星数平均重复设站数时段长度(min)数据采样间隔(s)PDOP值E 级 ≥15 ≥4 ≥1.6 ≥40 15 <10注:1、观测时段长度应视点位周围障碍物情况、基线长短而作调整,2、可不观测气象要素,但应记录雨、晴、阴、云等天气状况。3.2 GPS 点位选点、埋石、编号3.2.1 选点(1)GPS 待定点至少应保证有一点与其他点两两互相通视,以满足图根导线布设的要求。点位应选在基础稳定,土质坚实的地面上或高大稳固的建筑物上,以便长期保存利用,点位目标要显著突出。由于向莆铁路已经完工,由铁路的平顺性,因此视野比较开阔,两点之间通视比较容易,但铁路中间大部分都是碎石,因此选点时应选位于铁路两旁且土质凝 凝40比较坚硬的地方,这样便于埋石与点号的保存。(2)应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等),其距离不得小于 200m;远离高压输电线其距离不得小于 50m,以避免电磁场对 GPS 信号的干扰。(3)附近不应有强干扰卫星信号接收的物体,并尽量避开大面积水域,以减弱多路径效应的影响。(4)点位应选在交通方便,有利于其它观测手段扩展与联测的地方。(5)网形应有利于同步观测边、点联结。(6)当所选点位需要进行水准联测时,选点人员应实地踏勘水准路线,提出有关建议。(7)GPS 点位选定后,应绘制点之记。3.2.2 埋石E 级 GPS 点的埋设(1)E 级 GPS 点的标石按下图要求制作埋设,中心标志采用不锈钢标志如下图:(单位:cm)图 3-1 E 级 GPS 点的标石埋设(2)控制点中心标志要求:GPS 点中心标志均为:Φ5cm×0.5 cm 的不锈钢顶盖,中间焊接 10cm 长 Φ0.8cm 的实心不锈钢螺丝,底部有螺丝帽。不锈钢顶盖中间有球面隆起,并刻有“+”字,不锈钢标志面上部刻有“福建省地质测绘院” ,下部刻有“GPS”字样。(3)GPS 点的埋设要求:a、在水泥路面上埋设时,用切割机切割成 20cm×20cm 的正方形边框,边槽深 0.5 cm,宽 0.5 cm,中心用冲击钻钻孔,埋入标志,并用混凝土固紧,标石面与地面高度保持一致。b、在沥青路面上埋设时,先将沥青面凿成 20cm×20cm 的正方形,深度以凿到路基碎石为准,清去杂土,灌入混凝土并埋入标志,标石面与地面高度保持一致。c、在岩石面上可采用浇灌岩标办法,标石规格为 20cm×30cm×15cm 的混凝土标石,标石面与岩石表面高度保持一致。 d、在房顶表面浇灌房标时,标石规格为 20cm×30cm×15cm 的混凝土标石,浇筑前应将与屋顶的接触面打毛,再打入 3-4 颗水泥钉并清洗干净,使标石底面与房顶接触牢固,房标禁止浇灌在隔热层上;e、在土质地面埋设标石时,标石规格为 20cm×40cm×40cm 的混凝土标石(可以是预制的混凝土标石,也可以现场浇注) ,标石面高出地面 1~2cm,便于找点和利用。f、控制点埋设时,不锈钢标志面与标石面高度保持一致,以利于水准联测时标尺的自由转动。标石面上应同时刻注点号和年月。3.2.3 GPS 编号向莆铁路测区 E 级 GPS 点的点名以 XPE 加流水编号应以 XPE1、XPE2、……XPEnn 命名,当与旧点重合时,尽量利用旧点标石,并在点之记中加以备注说明。由于施工时的破坏,因此能保存下来的旧点不多,保存完好的控制点,加以并入导线网中。3.3 GPS 网观测本次观测采用中海达接收机同步观测一组卫星,观测采用静态定位模式。在已做好的控制点摆好流动站,对中、整平、量取天线高,把定向标志指向正北方向,打开 GPS 接收机,切换成静态模式,并记录下开机时间,一次接收差不多 45 分钟就可以,测完后再量取一次天线高,然后关机,去下一个控制点观测。观测时,应注意以下几点:(1)作业时有效观测卫星数应大于 4 颗,卫星高度角应大于 15°,时段长度应大于45-120 分钟,图形强度因子 PDOP 小于 6。(2)观测前应编制 GPS 卫星可见性预报表,研究所要观测点的最佳时间段,并制定工作计划。(3)出发前应检查电池电量、接收机内存或磁盘容量是否充足;(4)接收机在观测期间应防止震动、移动,防止人和物体靠近天线;(5)测量手簿按作业程序认真逐项填写,要清晰、整洁,不允许事后补记或追记;(6)接收机在观测期间,不应在旁边使用对讲机;雷雨过境时应关机停测,并卸下天线以防雷击;(7)观测中应保证接收机工作正常,数据记录正确,每日观测结束后,应及时将数据转存至计算机硬、软盘上,确保观测数据不丢失。接收机内存数据文件在卸到外存介质时,不得进行任何剔除或删改,不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。向莆铁路古镛镇玉华村 HY+661.59 至洋坊大桥 DK283+873.68 段 GPS 控制网如下图所示:图 3-2 GPS 控制网示意图3.4 数据处理及平差内业基线数据预处理采用 Trimble 公司的 Trimble Geomatics Office 1.62 版本随机软件,平差计算采用武汉大学测绘科学技术学院的 CosaGPS 平差软件包进行。平差计算以三维基线向量及相应方差阵作为观测信息,先进行 WGS-84 无约束平差;以无约束平差确定的有效测量为基础, 采用上述 CPⅠGPS、CPⅡGPS 控制点作为起算坐标,进行二维约束平差。各项精度指标以及成果取位应满足《GPS 规程》相关规定要求。当发现需补测或重测的边,应尽量安排一起同步观测。下表是向莆铁路古镛镇玉华村 HY+661.59 至洋坊大桥 DK283+873.68 段 GPS 控制网坐标数据:表 3-3 GPS 控制网坐标数据点号 X Y hGCPI109 497792.4 2953053 199.298XPE135 497442.2 2953522 218.791XPE136 497283.3 2954292 184.986XPE137 497535 2954747 168.667XPE138 497261.7 2954955 178.985GCPII387 496749.8 2955591 195.946XPE139 496185.9 2956031 153.682
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