鐵路工程測量技術(shù)

1、鐵路工程測量技術(shù) 講 座 1、線路控制測量n1.1 GPS衛(wèi)星定位原理n分類:靜態(tài)（含快速靜態(tài)）、動態(tài)；絕對定位、相對定位 絕 對 定 位 原 理n觀測量：C/A碼、P碼；C/A碼碼元293米，P碼29.3米；測距誤差1/101/100。n根據(jù)衛(wèi)星在觀測時刻的三維地心坐標(biāo)和測站的待定三維地心坐標(biāo)，列立站星距離觀測方程。線性化后的距離觀測方程n方程中含有3個測站坐標(biāo)未知數(shù)x、Y、Z和一個接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘n相對鐘差t，至少由4個同樣的觀測方程才能獲取測站的三維地心坐標(biāo)。因此，絕對定位必須同時觀測四顆衛(wèi)星。手持GPS接收機(jī)就是根據(jù)這個原理工作的。n定位精度：20米 tTtItcZtmYtlXtktD

2、tDjijijiijiijiijijiji0 相對定位原理n觀測量： 載波相位 ；L1載波波長19.03 cm，L2載波波長24.42cmn原理：相對定位是用兩臺接收機(jī)安置在基線兩端，同步觀測同一組衛(wèi)星，確定兩點(diǎn)間基線向量（X、Y、Z）或者多臺接收機(jī)安置在多條基線的端點(diǎn)，通過同步觀測同一組衛(wèi)星可以確定多條基線向量。當(dāng)其中一個端點(diǎn)的坐標(biāo)已知，就可以得到各待定點(diǎn)的坐標(biāo)。n=（s-m） 波長短，按1/101/100波長計算測距誤差，載波相位法定點(diǎn)的誤差毫米級的。如果采用不同載波相位觀測量的線性組合可以有效的削減衛(wèi)星星歷誤差、信號傳播路徑上的誤差、以及接收機(jī)中不同步誤差對定位結(jié)果的影響。靜態(tài)相對定位使

3、用廣播星歷可達(dá)1/100萬1/1000萬;采用精密星歷,定位精度可達(dá)1/億1/10億。 觀測量線性組合： 單差 （測站間、衛(wèi)星間、歷元間一次差） 功能：消除衛(wèi)星鐘差；削弱星歷誤差；削弱或者消除對流層和電離層折射影響。n雙差：（在測站求單差，衛(wèi)星間求雙差；在衛(wèi)星n間求單差，歷元間求雙差；在歷元間求單差，測站間求雙差）n功能：消除與 接收機(jī)有關(guān)的載波相位及其鐘差n三差：對雙差繼續(xù)求差得到三差，常用的是在接收機(jī)、衛(wèi)星、歷元間求三差。n功能：三差觀測值中可以消除于衛(wèi)星、接收機(jī)有關(guān)的初始整周模糊度項N。 GPS作業(yè)模式： 靜態(tài)測量n作業(yè)方法：采用兩臺或者多臺接收機(jī)分別安置在一條或多條基線的端點(diǎn)上，同步觀

4、測4顆以上的衛(wèi)星，觀測時段長度40分鐘以上。n精度：基線精度可達(dá)5+1ppm.D（D為基線長度，以千米計）n適用范圍：CP0、CP、CP，以及橋梁、隧道施工控制網(wǎng)、航測基礎(chǔ)控制網(wǎng)。n設(shè)計網(wǎng)型要注意所有的觀測基線能組成一系列閉合多邊形，檢核外業(yè)觀測基線成果的可靠性。GPS作業(yè)模式：快速靜態(tài)測量n作業(yè)方法：在測區(qū)內(nèi)選擇一個基準(zhǔn)站，安置一臺接收機(jī)連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星。另一臺接收機(jī)在各點(diǎn)流動設(shè)站，每點(diǎn)觀測數(shù)分鐘，通過后處理可獲得待定點(diǎn)坐標(biāo)。也可用雙基準(zhǔn)站觀測，以提高精度。n精度：流動站相對于基準(zhǔn)站的基線中誤差5+1ppm.Dn應(yīng)用范圍：低等級控制網(wǎng)例如四、五等GPS網(wǎng)測量。n觀測注意事項：在觀測時段內(nèi)

5、應(yīng)確保觀測5顆以上衛(wèi)星。流動站到基準(zhǔn)站的距離不超過20km。流動站遷站時，不必保持對衛(wèi)星的跟蹤，可關(guān)閉電源。GPS作業(yè)模式：實時動態(tài)（RTK）n實時動態(tài)測量就是在基準(zhǔn)站安置一臺接收機(jī)對所有可見衛(wèi)星測量，并將測量數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)通過無線電設(shè)備傳輸給流動站，流動站在觀測所有可見衛(wèi)星的同時，接受基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并組成和解算差分方程，獲取流動站與基準(zhǔn)站間的坐標(biāo)矢量，實時顯示流動站坐標(biāo)和精度。n精度：可達(dá)cm級n適用范圍：中線測量、航空攝影測量 n技術(shù)注意事項：要求觀測過程中，保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦失鎖，應(yīng)在失鎖的觀測點(diǎn)上觀測數(shù)分鐘重新初始化或者用AROF技術(shù)重新初始化。作業(yè)半徑不超過20km。1

6、.2 GPS技術(shù)在鐵路工程測量中應(yīng)用nCP0控制網(wǎng)測量 高速鐵路：50km,點(diǎn)間相對中誤差20mm,邊長相對中誤差1/200萬,觀測4個時段,時段長5個小時，控制網(wǎng)與國家GPS A、B級網(wǎng)或者IGS工作站連測。 設(shè)計時速200km以下鐵路：測區(qū)內(nèi)高等級控制點(diǎn)的精度和密度不滿足CP起閉要求時測量CP0框架網(wǎng)，測量精度按照設(shè)計速度和測區(qū)具體情況設(shè)計，至少按兩個時段，時段長2個小時。 CP基礎(chǔ)平面控制網(wǎng) 高速鐵路：每4km布設(shè)一對點(diǎn)（或一個點(diǎn)），點(diǎn)對間距大于800m,按GPS的二等觀測,基線邊方位中誤差1. 3,邊長相對中誤差1/18萬,相鄰點(diǎn)的相對中誤差10mm。 設(shè)計時速200km以下鐵路：每4

7、km布設(shè)一對點(diǎn)（或一個點(diǎn)），點(diǎn)對間距大于800m,按GPS的三等觀測,基線邊方位中誤差1. 7,邊長相對中誤差1/10萬,相鄰點(diǎn)的相對中誤差10mm。 CP線路平面控制測量 高速鐵路：600800m一個點(diǎn)，點(diǎn)間通視，按GPS的三等觀測，基線邊方位中誤差1. 7,邊長相對中誤差1/10萬,相鄰點(diǎn)相對中誤差8mm。 設(shè)計時速200km以下鐵路：400600m一個點(diǎn)點(diǎn)間通視，按GPS的四等觀測，基線邊方位中誤差2. 0,邊長相對中誤差1/7萬,相鄰點(diǎn)相對中誤差8mm。 航測外業(yè)控制測量 測量模式：RTK測量 快速靜態(tài)測量 中線測設(shè) 測量模式： RTK測量 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù) 和高程轉(zhuǎn)換參

8、數(shù))及有效性檢查; 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置; 測設(shè)中樁的范圍及換基準(zhǔn)點(diǎn)后的 重測檢查。 工點(diǎn)地形測量 測量模式：RTK測量 2、鐵路測量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)n規(guī)范規(guī)定：n高速鐵路工程測量規(guī)范規(guī)定：高速鐵路工程測量平面坐標(biāo)系應(yīng)采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系，在對應(yīng)的線路軌面設(shè)計高程面上坐標(biāo)系統(tǒng)的投影長度變形值不宜大于10mm/km。n 鐵路工程測量規(guī)范和改建鐵路工程測量規(guī)范規(guī)定：工程測量平面坐標(biāo)系應(yīng)采用國家坐標(biāo)系或者工程獨(dú)立坐標(biāo)系，線路設(shè)計高程面上的投影長度變形值不宜大于25mm/km。1、坐標(biāo)系基本概念、坐標(biāo)系基本概念2、ITRF系列框架系列框架3、地方坐標(biāo)系的建立、地方坐標(biāo)系的建立4、CP0框架網(wǎng)框架網(wǎng)5、CPI/CPI

9、I控制網(wǎng)控制網(wǎng)（1）大地基準(zhǔn)）大地基準(zhǔn)：代表地球形體的旋轉(zhuǎn)橢球北京54(BJ54)：克拉索夫斯基橢球西安80(XA80)：IUGG1975國際橢球2000坐標(biāo)系(CGCS2000)：WRS80橢球ab國際地球參考框架(ITRF) ITRS是協(xié)議地球參考系統(tǒng)，是根據(jù)全球觀測網(wǎng)VLBI、SLR、LLR、GPS 等空間大地測量技術(shù)的觀測數(shù)據(jù)，分析得出一組全球站坐標(biāo)和速度場。ITRS每年都根據(jù)全球觀測數(shù)據(jù)推算出一個ITRF參考框架。并以年報和技術(shù)備忘錄形式發(fā)布。不同年份的ITRF框架有微小的系統(tǒng)差，可通過七參數(shù)法轉(zhuǎn)換消除。國家大地測量參考框架(國家大地網(wǎng)) 國家GPS A級網(wǎng)由30個主點(diǎn)，和22個副點(diǎn)

10、組成，均勻的分布在中國大陸地區(qū)。點(diǎn)間距離平均650千米。在52個主副點(diǎn)上連續(xù)同步觀測9晝夜。國家GPS A級網(wǎng)復(fù)測數(shù)據(jù)在ITRF93（93的參考?xì)v元1996.365）參考框架下進(jìn)行。GPS基線矢量采用美國麻省理工學(xué)院研制的GAMIT軟件及IGS精密星歷。網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)GPSATJ軟件。30個主點(diǎn)數(shù)據(jù)加17個IGS全球站數(shù)據(jù)一起處理。IGS全球站的坐標(biāo)根據(jù)IGS公布的精度給與相應(yīng)的權(quán)約束。副站與主站的關(guān)系單獨(dú)處理。國家GPS A級網(wǎng)的成果精度達(dá)到210-8。 19911997國家建立了國家GPS B級網(wǎng)。全網(wǎng)由818個點(diǎn)組成，沿海地區(qū)平均點(diǎn)距5070千米，西部地區(qū)150千米。國家GPS B級

11、網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院研制的GAMIT軟件，以國家GPS A級網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，按同步圖形遞推。網(wǎng)平差則依據(jù)不同情況分為25個子網(wǎng)，采用PowerADJ2.0分別進(jìn)行無約束平差，然后以GPS A級網(wǎng)點(diǎn)位起算數(shù)據(jù)，在ITRF93框架下進(jìn)行網(wǎng)的約束平差。計算中采用精密星歷包括DMA、CODE、IGS。國家GPS B級網(wǎng)平差結(jié)果相對于國家GPS A級網(wǎng)點(diǎn)水平方向優(yōu)于0.05m，垂直方向優(yōu)于0.1m。 國家GPS A級網(wǎng)、國家GPS B級網(wǎng)、總參GPS一、二級網(wǎng)、地殼運(yùn)動監(jiān)測網(wǎng)共同組成國家GPS網(wǎng)，全網(wǎng)2609個點(diǎn)，經(jīng)過聯(lián)合處理形成了國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)。 CP0 CP CP 地圖投影變形

12、的基本理論 n地面觀測的邊長投影至參考橢球體面上長度將縮短n橢球體面上的長度S投影到高斯平面上長度將增長n邊長投影變形值 RHDD/22/2/RySSmRHRySvms222 國家3分帶（投影平面的高程為0）邊緣的長度 變 形值為1/3000 1/5000，相當(dāng)于0.333m/km0.2m/km 。 欲使投影誤差達(dá)到25mm/km ，在投影平面的高程為0 前 提下，測邊離中央子午線的距離不得超過45km。n鐵路工程獨(dú)立坐標(biāo)系的建立1）目的 減小圖上距離或坐標(biāo)反算距離與實測距離的差值2）依據(jù)：長度歸化從觀測表面到投影面，當(dāng)投影面低于觀測表面時變短，反之變長；高斯投影的長度比大于1，并且離中央子午

13、線越遠(yuǎn)，長度比越大。 鐵路工程橢球的構(gòu)建橢球膨脹法建立地方坐標(biāo)系：保持參考橢球扁率不變，伸縮其長半軸，從而使觀測地點(diǎn)的平均高程面與采用的橢球面相切。 橢球參數(shù)與坐標(biāo)計算32222222222222)1 (sin1cossin)(11/)sin1 ()sin1/(1)sin1/(1WeaMBeWBBaWeMdBdBBBeBeRaBeeaRBeeaNMRHRRmmmmmmmmm 根據(jù)已審查通過的預(yù)可行性研究線路方案縱斷面圖，高速鐵路按高程變化128米，一般鐵路按320米分段，從第一段開始，計算段線路設(shè)計平均高程，作為Hm，計算工程橢球的參數(shù)，選定本段投影中央子午線的經(jīng)度，計算ym，和段內(nèi)設(shè)計高程變

14、化點(diǎn)相對于Hm的高差代入vs/s計算投影變形值，如果變形值沒超過10mm/km（高速）、25mm/km（一般），這個帶設(shè)計完成，進(jìn)行下一段下一帶設(shè)計。3、航空攝影地形圖測繪n測量原理: 將中心投影的航空相片糾正為正射投影測繪地形圖n 航空攝影的特點(diǎn)：1、中心投影；2、地面起伏變化引起象比例尺變化；3、象片傾斜引起影象變形。 an地形圖特點(diǎn)：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 象片傾斜影象變形 利用外業(yè)控制點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)恢復(fù)攝影時的狀態(tài)，將傾斜象片轉(zhuǎn)化為水平象片。

15、地面起伏投影變形 平坦地區(qū)投影變形不超過0.4mm，起伏地區(qū)通常采用“分帶”的辦法，以保證“帶”內(nèi)象點(diǎn)的投影差不超過0.4mm。 糾正處理過的象片就可以當(dāng)作正射投影來進(jìn)行地形圖測繪。 1、機(jī)載GPS可實時測量象中心的坐標(biāo)，配合少量的外業(yè)控制點(diǎn)，實現(xiàn)無地控或少地控航測。目前，只用于中小比例尺測圖； 2、 GPS定位技術(shù)可以測量航測的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，為測量平高點(diǎn)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。 航測基礎(chǔ)控制網(wǎng)一般沿線路方案（預(yù)可）每8km布設(shè)一對GPS控制點(diǎn)，測量精度等級為四等。成果也可用于初測工點(diǎn)的調(diào)查測繪。如果控制點(diǎn)密度不滿足測設(shè)工點(diǎn)的要求，可用GPS RTK加密或者測量導(dǎo)線加密。 GPS的高程擬合可用于平高點(diǎn)的高

16、程測量。 GPS在初測中的應(yīng)用 1、CP0：當(dāng)測區(qū)內(nèi)國家高等級控制點(diǎn)不滿足CP起閉時，布設(shè)二等或者三等控制網(wǎng)，并連測附近的國家GPS A、B、C級點(diǎn)及國家二、三等三角點(diǎn)；高速鐵路提高一個精度等級布設(shè)。 2、航測基礎(chǔ)網(wǎng)測量：8km一對點(diǎn)，按四等精度觀測。 3、GPS RTK測設(shè)工點(diǎn)的中線，進(jìn)行工點(diǎn)其他測繪工作。 1、CP：4km設(shè)一對點(diǎn)或者一個點(diǎn)，對點(diǎn)兩點(diǎn)間距800m； 高速鐵路按二等精度測量； 設(shè)計行車速度200km按三等精度測量； 設(shè)計行車速度160km 按四等精度測量； 以CP0為約束點(diǎn)。 2、CP： 400600m布設(shè)一點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間通視； 高速鐵路按三等精度測量（點(diǎn)間距600800m）

17、設(shè)計行車速度200km按四等精度測量； 設(shè)計行車速度160km 按五等精度測量； 以CP為約束點(diǎn)。3、 GPS RTK測設(shè)中線和中樁高程。GPS測量注意事項： 1、組網(wǎng)觀測應(yīng)采用邊連式布網(wǎng)，即同步圖形間至少有兩個公共點(diǎn)； 2、所有參加測量的接收機(jī)設(shè)置相同的參數(shù)； 3、山區(qū)網(wǎng)觀測之前，應(yīng)對對空通視條件不良的點(diǎn)測繪環(huán)視圖，利用商用軟件中的計劃軟件，對包括對空通視條件不良的點(diǎn)再內(nèi)的同步觀測，作好觀測窗口設(shè)計。 4、用 GPS RTK測量時，應(yīng)作好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算。測段長度在20km以內(nèi)，宜采用三參數(shù)法，不宜用七參數(shù)法。測設(shè)的放樣點(diǎn)應(yīng)位于用于計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的各個控制點(diǎn)所圍成的幾何圖形內(nèi)。 5 、除高速

18、鐵路外， GPS觀測數(shù)據(jù)處理時，都可用星歷文件所提供的廣播星歷計算。 6、 GPS數(shù)據(jù)處理后可獲得WGS-84三維坐標(biāo)、國家2000大地坐標(biāo)系三維坐標(biāo)、北京54和西安80 平面坐標(biāo)、鐵路工程獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)，名類繁多，要根據(jù)用途分別標(biāo)識和提供，并明確使用范圍。 利用GPS定位技術(shù)測量的資料驗收 1、 控制網(wǎng)測量質(zhì)量驗收 (1) 實測是否按照規(guī)范規(guī)定或者技術(shù)設(shè)計進(jìn)行，例如時短數(shù)、時段長度； (2) 獨(dú)立環(huán)閉合差、重復(fù)測量基線較差是否滿足規(guī)范規(guī)定； (3) 約束平差前后同名改正數(shù)較差不大于2； (4) 控制網(wǎng)各項精度指標(biāo)滿足規(guī)范規(guī)定。 (5) GPS RTK測量放樣中線，中線點(diǎn)是否都位于用于計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的各個控制點(diǎn)所圍成的幾何圖形內(nèi)。 5、 改建鐵路測量n改建鐵路施測程序 框架網(wǎng)、CP網(wǎng)測量 水準(zhǔn)基點(diǎn)測量非繞行地段里程丈量非繞行地段外移樁導(dǎo)線測量（CP）中線測繪(方向測量、曲線測量、橫斷面）地形測繪站場測量、橋涵測量、隧道測量6、控制測量未考慮投影變形的后處理n（1）、考慮投影變形的控制測量成果 將原控制測量成果重新按控制投影變形的坐標(biāo)系計算新成果 ，并分