精品GPS在高速铁路精密控制测量毕业论文.docx

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精品GPS在高速铁路精密控制测量毕业论文

摘要

为了改变铁路事业长期低水平徘徊，缓解铁路运输的紧张状况，大幅度扩大旅客运输和货物运输能力，现阶段，我国大力倡导发展高速铁路。

高速铁路具有速度快、价格公道、运输量大等特点，同时保证安全和舒适性也是发展高速铁路的主要目标。

高速列车运营安全和舒适性的首要条件是轨道的高平顺性，它依赖于轨道铺设和养护维修过程中的高质量，则需要应用精密的测量技术。

由于任何一种测量工作都会产生误差，所以必须采取一定测量程序和方法，以防止误差的积累。

为了解决这个问题，在实际测量中，我们一般先在测区建立控制网，以此为基础，分别从各个控制点开始施测附近的碎部点。

因此为了保证高速铁路运营安全和舒适性，亟待我们建立一套系统、合理的精密控制网作业和数据处理模式，为后期线路施工和维护提供保障，进而保证轨道的高平顺性。

本文以高速铁路精密控制测量相关资料、规范和理论知识为指导，结合实例，对高速铁路精密工程控制建网技术若干问题进行分析和研究。

关键词：

全球定位系统，精密控制测量

ABSTRACT

Inordertochangetherailwaybusinessandsubstantialincreasesofpassengerandcargotransportcapacity,nowadays,ourcountryattachesgreatimportancetothedevelopmentofforHigh-speedtrain’ssafetyandcomfortisthetracklayingandmaintenanceofofsophisticatedmeasurementtechniques.

Becauseoftheworkofanykindofmeasurementwilltoacertainmeasurementproceduresandmethodstopreventtheaccumulationofthoseerrors.Tosolvethisproblem,wesurveyedthegeneralareabeforetheestablishmentofcontrolnetwork,andmeasureddetailpointsnearbyfromthebeginningofeachcontrolpointrespectivelyinpracticalmeasurement.Therefore,inordertoensuresafeandcomfortableofforconstructionandmaintenanceofthelatterrailwayline,istoprovideprotectiontoensureorbit,standardandtheoreticalknowledgeofcontrolsurveyofanumberofissuesofprecisionengineeringof≥25站以上时，采用测站数计算高差测量限差。

水准观测的主要技术要求单位：

m

等级

水准仪最低型号

水准尺类型

视距

前后视距差

测段的前后视距累积差

视线高度

数字水准仪重复测量次数

光学

数字

光学

数字

光学

数字

光学

（下丝读数）

数字

二等

DS1

因瓦

≤50

≥3且≤50

≤1.0

≤1.5

≤3.0

≤6.0

≥0.3

≤2.8且≥0.55

≥2次

观测的具体要求

1观测时，往返测奇数站照准标尺顺序为后－前－前－后，往返测偶数站照准标尺顺序为前－后－后－前。

2每一测段的往测与返测，其测站数均应为偶数。

3根据《国家一、二等水准测量规范》，对于数字水准仪，前后视距差、前后视距累积差的限差分别按≤1.5m、≤6m执行。

数据处理采用专业平差软件《科傻测量数据处理系统》进行平差，自动输出平差成果，报监理签认后方可使用。

在加密水准网布设完成后，我部将按照长吉城际铁路有限责任公司、监理和相关技术规范和设计要求，对加密水准网进行周期复测。

2.2GPS控制测量与数据处理分析原理

2.2.4GPS控制网数据处理及精度分析原理

1.GPS三维网无约束平差

GPS无约束平差是指不引入会造成GPS网产生由非观测量引起的变形的外部起算数据一般是没有起算数据的平差方法，其平差时一般没有起算数据或者只有必要起算数据。

GPS误差方程的建立所采用的观测值均为基线向量，即GPS的基线的起点到终点的坐标差。

因此其每一条基线向量可以列出如下误差方程式:

若GPS网有n个点，通过观测共得到m条独立的基线向量，（可假定第m1条基线的起点和终点分别为n1和n2点）总的误差方程可写成如下形式:

式中：

B矩阵由m×n个和3×3个子块构成。

Ⅰ为单位矩阵。

GPS网平差时，只需要一个位置基准可以采用秩亏自由网基准，但一般用应用地心坐标作为起算位置基准，其可有一个基准方程:

为该基准点坐标改正数。

也可写成:

其中G=[0…Ⅰ…0]。

一条单基线解可提供如下信息:

bⅰ=（△Xⅰ，△Yⅰ，△Zⅰ）T

式中，Qbi为该条基线向量的协方差阵。

因此我们可以为其定权为p=Qbⅰ-1，-

对于n条基线可以提供以下信息:

B为参与构网的基线向量组，Pb为相应的权阵。

综上所述，可按照最小二乘法进行平差计算，得到平差结果:

式中:

待定点坐标参数:

单位权中误差:

式中，m为组成GPS网的基线数，n为点数。

2.GPS三维网约束平差

1）误差方程

设有一个GPS基线向量△XAij=（△Xij△Yij△Zij）TA，其中两端点在地心地固系下的坐标分别为

在参心系B下的坐标分别为

则误差方程为

对于一个有n个点二条基线向量所构成的GPS网，其总的误差方程为

式中各符号与三维无约束平差中类似。

2）约束条件

地面常规测量中的方位角α，垂直角β和斜距s及大地高微分dH在参新坐标系下有如下关系式：

对上面前三式进行全微分，进而组成误差方程式为：

式中，

根据上面式子可知:

固定点坐标约束条件为:

固定边条件为:

固定大地方位角条件为:

固定大地高条件:

3）观测值权阵

在GPS网的三维约束平差时，基线向量观测值的权阵为无约束平差中最终采用的观测值权阵。

4）方程的解

根据上面的观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果:

式中，

（2-36）

待定点坐标参数

（2-37）

单位权中误差

（2-38）

其中m为组成GPS网的基线数，l为己知条件数，l=3l坐标+l边长+l方位【38】。

.

由于GPS观测的三维坐标向量GPS网的验前精度估算一直是个难题，目前可采用的替代方法是把GPS三维基线向量转化为边长和方位角观测量，由此可列出各基线的方程式。

其主要思路是:

可以把基线看成由j，k两待定点组成的导线边，其先验坐标是分别为（xj0,yj0）,（xk0,yk0）,因此可以分别建立jk边的方向值误差方程和和边长误差方程式。

方位观测值Ljk的误差方程式:

（2-39）

边长Skj的误差方程式:

（2-40）

（2-41）

式中，αj0为解算出的先验方位角值，Skj0为解算出的先验边长δzk为定向角未知数，Nk为k点上观测的方向数，zk0为定向角观测值。

第3章高速铁路GPS控制网优化设计

3.1GPS网优化设计指标

GPS控制网优化设计目的是使所有设计的内容达到一种最佳的状态，实际应

用中通常选用精度、可靠性和经费为指标来描述这种状态。

1.精度指标

根据GPS基线向量所建立法方程：

l+V=A

（3-1）

可以得到GPS网协因数阵为:

QXX=（ATPA）-1（3-2）

其中P为基线向量权阵。

一般应用协因数阵久Qxx的特征值最大值最小、特征值的行列式最小、迹最小、迹的平均值最小和最大特征值与最小特征值之间的比值或差值为准则来实现对整体网精度的优化。

2.可靠性指标

GPS网的可靠性是指发现或探测观测值粗差的能力和抵抗观测值粗差对平

差结果影响的能力，其中前者被称为内部可靠性，后者被称为外部可靠性。

对于GPS网中的n个点，必要观测向量个数为n-1，而m台接收机每次观测独立基线向量为m-1，设所有观测任务在K期完成，其观测的基线向量数为:

S=K（m-1）（3-3）

则网中的多余观测量为:

r=K（m-1）+1

（3-4）

因此全网内部可靠性指标可定义为:

η=1-（n-1）[K（m-1）-n+1]

（3-5）

若GPS第ⅰ条观测基线多余观测次数为rⅰ，则有:

（3-6）

而网外部第ⅰ条基线的可靠性指标因子可定义为:

w0（3-7）

w0为非中心参数，常取2.79或4.13.

η值越大，说明其发现粗差的能力越强，而越小说明第ⅰ条基线可靠性越好。

主体上看，内外可靠性均受rⅰ的影响，并且随着rⅰ增大，其网的内、外可靠性越好，它们具有一致性。

3.费用指标

进行GPS控制网设计时，具有两大原则:

1）费用一定，网的质量最好;

2）网的质量满足要求，费用最小。

在GPS网建设过程中，经费消耗主要跟网中点的总数和重复设站数有关，

如果一台接收机观测一期数据平均消费为Q，则建网总费用为:

（3-8）

不难理解，重复设站数越多，精度和网的可靠性越高，则建网费用越高。

因此权衡三者关系，对GPS网进行优化设计，可以实现工程资源和工程质量的最佳配置。

3.2GPS网优化设计

3.2.1GPS零类优化设计

GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，GPS网约束平差时，基准选取不当，将会直接影响最终结果，更严重的可使高精度的GPS网产生扭曲。

根据上节介绍的基线解算原理可知，基线固定点的误差会给基线结果带来一定的误差，此外，因此，必须对网的位置基准进行优化设计。

GPS工程控制网多为约束网，只需要选择国家、地方坐标系或转化为高程抵偿面的任意带高斯投影直角坐标系（平面和高程）下的一个或多个已知点作为位置基准，但有时候根据特定要求，方位基准可由网中给定的起算方位角值确定;尺度基准可根据边长的不同采用其它测量方法确定，如采用较高精度的测距仪或全站仪施测2一3条基线边。

在上述多基准约束网中，最好先对它们进行相容性检验，以免由于某个基准不匹配引起网形和比例尺发生变化。

若网中无任何其它类型的己知起算点数据时，可将网中一点多次进行GPS观测得到的坐标作为网的位置基准，或按秩亏网处理，选择重心基准。

对于无约束自由网平差，法方程N可以采用加镶边矩阵G来消除奇异阵来解算唯一解，有:

（3-9）

可以假定一些坐标网点重心不变，根据

NG=0（3-10）

建立G阵为:

（3-11）

其中Xⅰ0，Yⅰ0为第i点相对于网重心的近似坐标。

采用上面G阵求得逆阵Qxx称为N的伪逆，表示为Qxx=N-1，。

协因数Qxx具有最小迹，网的精度最佳，称为内精度。

当选用的坐标网点变化时，其协因数Qxx也会随着变化:

（3-12）

当增加某个观测值时:

（3-13）

当删除某观测值时:

（3-14）

增加某观测值的观测次数（修正权）时:

（3-15）

其中Pj为第j个点的坐标权重。

3.2.2GPS网一类优化设计