gps在高速铁路精密控制测量本科学位论文.doc
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1、 毕业论文报告纸摘 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
2、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 ABSTRACTIn order to change the railway business has stayed at a Long-term and improves the stress status of railway transportation and substantial increases of passenge
3、r and cargo transport capacity, nowadays, our country attaches great importance to the development of high-speed railway. With the fast、fair prices features and high freight volume,it is also a important goal of development of high-speed railway is safety and comfort. The primary condition for High-
4、speed trains safety and comfort is high ride comfort orbit which depends on the track laying and maintenance of high-quality process, and needs the application of sophisticated measurement techniques.Because of the work of any kind of measurement will have errors, it must be taken to a certain measu
5、rement procedures and methods to prevent the accumulation of those errors. To solve this problem, we surveyed the general area before the establishment of control network, and measured detail points nearby from the beginning of each control point respectively in practical measurement. Therefore, in
6、order to ensure safe and comfortable of high-speed railway operational,we need to set up a systematic, reasonable sophisticated control network and data-processing mode of operation for construction and maintenance of the latter railway line, is to provide protection to ensure orbit high ride comfor
7、t.With the information, standard and theoretical knowledge of high-speed railways precision control survey of high-speed railway and examples, this paper analysis and research on a number of issues of precision engineering of high-speed railway control network technical.KEY WORDS: Global Positioning
8、 System(GPS),sophisticated control measurement毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按
9、照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 目录摘 要- 1 -ABSTRACT- 2 -第1章绪论- 5 -1.1 引言- 5 -1.2 测量的基础知识- 7 -1.2.1 参考椭球面定位- 7 -1.2.2 测量坐标系- 9 -1.2.3 高斯一克吕格投影- 10 -1.3.1 GPS测量技术概况- 16 -1.3.2 GPS定位原理- 18 -2.2 主要设计标准- 32 -2.
10、3主要测量工作内容- 32 -2.4高速铁路测量技术要求- 34 -2.5二等水准网复测和加密- 36 -2.2 GPS控制测量与数据处理分析原理- 38 -2.2.4 GPS控制网数据处理及精度分析原理- 38 -第3章 高速铁路GPS控制网优化设计- 47 -3.1 GPS网优化设计指标- 47 -3.2 GPS网优化设计- 50 -3.2.1 GPS零类优化设计- 50 -3.2.2 GPS网一类优化设计- 52 -3.2.3 GPS网二类优化设计- 55 -3.2.4 GPS网三类优化设计- 56 -结论- 56 -致谢- 59 -参考文献- 60 - 第1章绪论1.1 引言近年来,作
11、为国家基础建设的铁路建设得到了飞速发展。我国的铁路曾先后经历了六次提速,提速线路由少到多,迅速扩展,初步形成了“四纵四横”、覆盖六大主要干线(京沪、京广、京哈、京九、陇海、浙赣)的提速网络。这六次提速结束了我国铁路运营速度长期低水平徘徊的历史,使我国进入了高速铁路建设时期。根据铁道联盟(UIC)的定义:高速铁路指允许速度达到250km/h的客运专线,或允许速度达到200km/h的既有线。安全是实施高速铁路系统建设最核心、最关键和最根本的问题。列车时速达到200km及以上,对铁路安全提出了更高的要求。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,而
12、获得高质量轨道几何线形的基础是精密的控制测量技术。因此,研究确定铁路提速改造建筑施工精密测量标准及方法,不仅是施工的需要,也是今后线路养护维修工作的基础和保证。为了保障高速铁路设计优化和合理施工,与之相关的基础控制测绘工作的重要性不言而喻。高速轨道工程精度高,传统测量中控制网网形布设,观测和数据处理方法已显不足,再加之原有铁路控制网精度偏低、桩点密度不足,以及桩点稳固性差等问题己不同程度地影响到线下工程的施工和运营养护维修观测工作,因此建立轨道铁路提速或改造建筑施工精密测量控制网也是急需的1。随着社会的高速发展,测绘技术也得到了广泛的应用,尤其是GPS测绘技术,己经用于轨道工程建设的方方面面。
13、从首级控制到轨道线路的施工放样,GPS技术都发挥着重要的作用。GPS应用于高速轨道控制测量,其工作量大,作业时间长,施工线路狭长,要求精度高,而其高程精度低2,亟待我们结合水准测量技术,建立一套合理作业和数据处理方式,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。1.2 测量的基础知识1.2.1 参考椭球面定位测量主要研究对象是自然表面,但地球是表面极不规则的椭球体。由于地球上海洋面积约占71%,测量中就把地球的形状看成由静止的海水面向陆地延伸并围绕整个地球形成的某种形状。于是人们把一个假想的与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面,而地球上重力的作用
14、线称为铅垂线。 然而大地水准面是一个略有起伏的不规则的曲面,无法用数学公式精确表达。后来,经过长期的测量实践表明,地球形状可近似的看成一个两极稍扁的旋转椭球,即一个椭圆绕其轴旋转而形成的形体,其形状表面可用数学公式准确的表达出来。于是人们就用与某个区域或者国家大地水准面最为密合的椭球体来代替大地水准面作为测量计算的基准面,此椭球体称为参考椭球体,椭球面称为参考椭球面。 几何大地测量中,椭球的形状和大小通常用长半轴a、短半轴b和扁率表示: 要使某参考椭球面在一个国家和地区范围内与大地水准面最佳拟合,就需要对该参考椭球定位。其定位方法分为:单点定位法和多点定位法。如图2.1所示: 在一个国家的适当
15、地点选定一地面点P作为大地原点,并在该点进行精密的天文测量和高程测量。将P点沿铅垂线方向投影到大地水准面上得到P点,设想大地水准面与参考椭球面在P点相切,椭球面上P点的法线与该点对大地水准面的铅垂线重合,令椭球短轴与地球自转轴平行,其轨道面与地球赤道面平行,称为单点定位法。利用大地控制网布设掌握的一定数量的天文大地重力测量点数据和已有参考椭球参数进行椭球定位,此称为多点定位法。1.2.2 测量坐标系为了确定地面点的空间位置,就需要建立相应的坐标系。测量中常见的坐标系有:大地坐标系、空间直角坐标系、WGS84坐标系和平面直角坐标系。在大地坐标系中,地面上一点的空间位置用该点在地球的大地纬度B、大
16、地经度L和该点沿椭球面法线到椭球面的距离H表示;空间直角坐标系是以参考椭球体的中心O为原点,起始子午面与赤道面的交线为X轴,赤道面上与X轴正交的方向为Y轴,椭球体旋转轴为Z轴,构成右手直角坐标系OXYZ,P点的坐标为OP在这三个坐标轴的投影x、y、z表示;WGS84坐标系是全球定位系统(GPS)采用的坐标系,属地心空间直角坐标系。其原点位于地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CIP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CIP赤道交点,Y轴垂直于X、Z轴,构成X、Y、Z右手直角坐标系;平面直角坐标系的建立是由于建设规划、设计一般在平面上进行的,因此需要把空间点的位置和地
17、面图形表示在平面上,建立平面直角坐标系。测量中常采用:独立平面直角系、建筑施工坐标系和高斯平面直角系,它们纵轴为X轴,表示南北方向,向北为正,横轴为Y轴表示东西方向,向东为正。1.2.3 高斯一克吕格投影为了便于测量和计算,需要把参考椭球面上的要素转化到平面上,就需要采用投影方法。高斯克吕格投影是横轴等角圆柱投影,又称之为横轴墨卡托投影(UTM) 。主要是设想有一个椭圆柱面横套在地球椭球体外面,使他与椭球上某一子午线相切,椭圆柱的中心轴通过椭球体中心,然后用一定投影方法,将子午线两侧各一定范围内的地区投影到椭球圆柱面上,再将此圆柱面展开即成为投影面。在投影面上,投影为相互垂直直线的中央子午线和
18、赤道交点作为原点,以中央子午线投影向北为坐标轴X的正向,以赤道投影向东方向为Y的正向。便形成上述所说的高斯平面直角坐标系。根据高斯投影的特点:除中央子午线外,各点均存在变形,且离中央子午线越远,长度变形越大。为了控制这种变形,将地球按照一定的经差分成若干范围不大的带,我们称之为投影带。常规测量中一般分为3带和6带。在我国采用了两种大地坐标系,即1954北京坐标系和1980国家大地坐标系。在常规测量中采用二者中的大地坐标系统时,都需要地面上的观测值分别是转化到克拉索夫斯基或者1975大地测量参考系统参考椭球体上,然后再利用高斯克吕格投影投影到地面上的。1.地面距离归化到参考椭球体由图2.2所示:
19、D为归算到参考椭球面上AB的边长,D0为地面上AB两点的边长,Hm为AB两点的平均高程,R为地球半径。如图2.2所示,因此有:2.参考椭球面上的距离投影到高斯投影面变形比为:其中,ym为归算边两端点横坐标值,Rm=6375.9km。S为高斯投影面上的平面值。结合公式(22),(23)可得: 在将地面测量观测值归化到参考椭球体,再将参考椭球体上的观测值投影到高斯投影面上,都会产生距离的变形,并且当Hm0时,D1,和D2符号相反,恰好可以抵消一部分投影变形值。高速铁路工程控制测量的特点是线路长,其施工主要是沿着一条或者几条带状范围内进行,又针对高速铁路对控制网的高精度要求,客运专线无砟轨道铁路工程
20、测量技术中规定:高速铁路使用的工程控制测量坐标系统投影长度变形值变形1:100000。(0时,平均高程Hm和坐标平均值m的变形值符号是相反的,并且它们在满足投影长度变形值变形1:100000。(或者1:170000)的情况下,二者在各自的一定范围内是对应的,也就是说简单的缩小Hm或m不一定能达到减小m的目的。3.长度变形比是发散的,平均高程Hm和坐标平均值m的值任意一个超过某个范围,就达不到高速铁路精密工程控制测量变形比要求。在实际高速铁路工程控制网测量中,利用国家统一3或者6高斯平面直角坐标系,边长的两次归算大多满足不了上述的要求。此时,为了保证工程测量的质量和精度,可以选用合适的参考面或者
21、采用任意较窄带宽独立高斯投影平面直角坐标系来削弱投影变形。即: 1.通过改变平均高程Hm,膨胀参考椭球面来实现对分带投影变形的补偿;2.通过改变坐标平均值m,平移中央子午线来实现对边长从参考椭球面改算到参考椭球面变形的补偿;3.通过两者都改变,来共同抵偿两种归算改正,这就是所谓的具有高程抵偿面的任意带高斯投影。其中椭球膨胀法的基本思想是保持参考椭球体定位和定向不变,对椭球进行放大,使得经过放大的参考椭球体与独立坐标系所选的平面相切,如图2.3所示,此时在切点处两椭球的法线重合。要满足上述膨胀条件,新椭球的长半轴a1和扁率e1分别为:其中N为卯酉圈半径,B为纬度。高速铁路精密工程控制网中,可以根
22、据具体情况选择上述方法中的一种,最简单的方法是第二种,它没有变动高程参考面那么复杂的计算,在与其他相同坐标转换的过程中具有相同的参考椭球面而比较容易。但当测区地势变化较大或不均匀的情况下,该方法就不一定适用,此时,我们可以选择第一种方案或第三种来达到抵偿投影变形比的目的。1.3.1 GPS测量技术概况 GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力, 也引起了广大测量工作者的极大兴趣。当时GPS定位基本上只有一个作业模式 静态相对定位, 两台或若干台GPS接收机安置在待定点上,连续同步观测同一组卫星1 2h或更长一些时间, 通过观测数据的后处理, 给出各待定点间的基线向量, 在采用广
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