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1、GPS技术在线路勘测中几个应用问题的探讨7GPs技术在线路勘漓中几个应用问聒的探讨袁钢方向明33GPS技术在线路勘测中几个应用问题的探讨;一袁钢方向明(核工业华东地质局)(江西省交通设计院)2?斟|提要本文结合目前线路GPS定位测量的现实与特点,详细讨论了GPS布网观测方案,基准点选择和高程转换几个热点问题,并就此提出了一些切实可行的技术手段和方法.关麓词略些整查旦墅堕高程异常勘刮高耗手破/厶,路1引言GPS技术以其精度高,速度快,全天候,多功能的优势迅速渗透到我国经济建设和科学研究等相关领域,尤其是在布设各种精密工程控制网中,GPS定位技术几乎完全取代了常规测量方法.1995年以来,在江西省
2、高等级公路工程建设中充分运用了这一高新技术成功建立了首级控制网,如九景线,昌赣线,温厚线,南瑞线和目前正在测设中的梨温线.对全线进行统一布网,整体平差,精度高,自身兼容性好,取得了显着的经济效益和社会效益.本文结合实例,仪就目前线路勘测中GPS布网方法,基准点选择及GPS高程计算几个热点问题谈谈初浅的认识,供同行参考.2线路GPS布网观测方案对于按常规方法布设的三角网,导线网,网形设计是非常重要的一项工作.良好的网形设计,既可提高工作效率,减轻作业人员劳动强度,也为获得较高精度的成果打下了基础.而应用卫星定位技术建立控制网时,由于GPS的同步观铡不要求通视,使得网形设计具有很大的灵活性一般来说
3、线路纵向跨度大,横向跨度小,首级控制网点的布设既要满足线路勘测对密度和收稿日期19990526精度的要求,又要考虑用常规方法加密导线点的需要,因此常常成对(组)布点.一般本组(对)点间距仪有几百米左右,而组与组之间的距离远达几公里,甚至十公里以上.边长相差悬殊,点位分布极不均匀,给布网和作业带来一定的困难若采用GPS相对静态定位模式,既可按点连式布设成单导线形式的附台网或环状式闭合网,也可按边连式布设成三角形,四边形或五边形图形相连的网.下面分别从成果质量和生产效率两个角度讨论一种既能保证GPS网必要的可靠性和精度,又使汽车运距最短或者说迁站时间最少的方案.(1)网形结构按点连式布设的单导线形
4、式的附合网.这种结构缺少检核条件,不易发现粗差,可靠性太差.另一方面随着线路的增长,积累误差也会增大,精度迅速降低.且个别基线解算质量达不到要求时需重新返工.在按点连式组成的单导线基础上,每隔一定距离首末相连组成环状式闭合网.这种结构尽管提高了网的可靠性,但仍存在前者的第二条缺陷.同时首末点间距一般都在几十公里,单频接收机无法克服GPS信号穿过电离34铁路航测1999年第4期层,对流层折射的干扰,影响整周模糊度的确定,降低了基线解算结果质量.而且后面将证明该法运距最长,影响工作速度和经济效益.边连式布网方法.指相邻同步图形之间有一条公共基线进行连接(见图1).以这种方式布网,存在大量的坐标闭合
5、条件和大量的复测基线,具有较高的可靠性和几何强度,但工作量较前者大.当网中有若干条基线解算结果不理想时,可随时灵活地更改网形而避免返工.图1边连式布网方法示意图参加同步观测的接收机台数不同,构成的此大量的时间花在迁站上.这就使人们时常想几何图形也就不同,如3台接收机同步观测构能否寻找到一种简便可行的观测方案.成三角形,4台接收机则构成大地四边形等.下为便于分析,假设各组测站间在主干线行面依据运筹学原理和线路测量特点讨论作业接驶的各段距离以及通过支线到达测站的距收机的最佳台数.离厶相等(如图2),尽量减少迂回或对流线路(2)最短运距的观测方案情况,并且讨论时只分别考虑3台,4台和5台在目前的情况
6、下,一般新辟线路交通条件接收机的情形,对2台和6台及更多台接收机都较差,配给GPS观测组交通用车大多一辆,的情形因较少见而暂不讨论.并且主要靠盲肠式的大车路才能接近测站,因图2测站运距分析示意图按点连式布设成单导线式的附合网:无论3台,4台或5台,其总运距=4.ZL+3,重复设站率l_5.按点连式布设成环状式闭合图形:无论3台,4台或5台,其总运距>4EL+6ES,重复设站率<2.0.边连式方法布网观测:3台接收机的总运距=8EL,+5,重复设站率一3.0.4台接收机的总运距一4EL,+3,重复设站率一2.0.5台接收机的总运距=4厶+4,重复设站率一l_7.显而易见,唯有4台接收
7、机采用边连式的布网观测方法既保证了网的可靠性和图形强度,又满足平均重复设站观测次数不少于2次的原则,且运距最短.3GPS网平面基准点的选择GPS观测成果属于wGs一84坐标系,三维基线向量反映的是wGs一84坐标系中的指向和尺度,而我们实用的工程测量成果一般属于国家或地方坐标系,为把GPS定位成果转换到实用的坐标系中,规范规定GPS网应与附近的国家大地点或者既有GPS点联测,联测总点数不得少于3个.这些点的误差和分布将影响GPS网的成果精度,特别是当基准点误差较大或含有粗差时,会以系统误差形式体现在经GPS技术在线路勘梗I中几十应用问题的探讨衰钢方向明35约束平差后基线向量观测值的残差中,使得
8、高精度的GPS定位成果产生扭曲变形.因此,筛选可用的GPS网基准点是GPS数据处理的关键环节.目前,我国只建成了高精度的A,B两级GPS网,因其点位密度较小,尚未普遍使用.通常的作法是在GPS观测的同时联测一定数量的原国家大地点,作为坐标转换时的位置,方向和尺度基准.国家大地点绝大部分是五,六十年代施测的,其精度较现行规范有很大的差异.同时由于地壳形变以及地下水或矿产的过度开采等外部环境影响,使某些点相对位置发生了变化.据我们这几年的检核数据表明,有些地区,如赣东北地区国家二,三等点的相邻点位误差有0.2ITI甚至达到0.5m之多.这些误差主要是尺度误差引起的,方位精度一般吻合较好.因此GPS
9、网平差时,必须对联测的大地点进行有效的检核,以保证基准点具有足够的精度,其常用的方法有以下几种.(1)附合路线闭合差检验法在两已知点之间选取联接它们的若干条GPS基线向量,计算此附合路线的坐标闭合差.若其值超过按GPS观测精度和地面点坐标应有精度计算的限差值,则应对有关的两个起算点作进一步的检查分析.如果某点至另外数个点之间的附合线路闭合差均较大,即可认为该点坐标精度较差或者点位发生了变化.(2)尺度比参数变化检验法根据空间坐标变换的布尔沙模型,导出尺度比参数计算式:1+K一=(xi十aYi+aZD/=(&+y0十z(1)式中,x,y,z分别为两地面点间在wGs一84坐标系和实用坐标系
10、中的坐标增量.若地面点含有较大的误差,必然会引起尺度比参数的变化.按全组合法将已知点分成几个组,若各组分别求得的尺度比参数呈现出一致性,说明地面点间相关精度可以,否则说明地面点间的相互位置发生了变化或有粗差.(3)应用验后方差检验法假定先验单位权中误差或GPS自由网平差验后方差为,加入巳知地面点作为基准点进行约束平差后,由GPS基线向量观测值残差计算的单位权中误差为,取x.检验量VrPV/o=/(2)TpT,若xa(r)<<Xt(r)0.则可认为地面点无粗差,否则认为该已知地面点有显着误差或点位发生了变化.这样依次检验所有已知地面点,剔除误差大的地面点(4)约束平差前后结果比较法约
11、束平差后基线向量改正数与约束平差前(即自由网平差)的同名基线改正数比较不得大于两倍的弦长中误差,即dV2干(3)式中.,b分别为按相应精度等级划分的固定误差和比例误差系数;d为相邻点间距离.否则认为参与约束平差的位置基准,方向基准或尺度基准误差太大,应删除误差较大的约束值后再进行约束平差,反复筛选直至符合(3)式为止.4GPS的高程转换GPS相对定位提供的三维空间信息中,已经获得了高精度的大地高差.但由于受高程异常的影响而未能充分利用GPS定位提供的三维空问信息,往往重新施测几何水准确定GPS正常高,导致了外业工作量的增加,施测周期加长.(1)高程异常GPS所测的高程是沿法线方向到wGs一84
12、椭球面的高度,即以较简单的数学曲面为基准面,它具有明确的几何意义而缺乏物理意义.而工程测量中要求的正常高是沿垂线到似大地水准面的高度,即以不规则的有起伏的重力等位面为基准面,具有严格的物理意义.这两种基准面通常是不一致或者是平行的,它们之间的差距称为高程异常.H=h.+(4)36铁路航涮1999年第4期式中,H为任一地面点的正常高;为GPS测得的大地高;.为高程异常.在进行GPS测量后,由GPS三维平差可得到各点的大地高,若网中有部分GPS点是水准联测点,则这些点(亦称之为重合点)的正常高H是已知的,即可求得这些点的高程异常在一定范围内高程异常虽不为常数,但可认为在此范围内变化平缓,可用一些数
13、学函数来拟合,求得能反映GPS网控6j范围中高程异常变化的函数,然后通过内插求得网中其它各点的高程异常,就可通过(4)式求得网中各点之正常高(2)几种常用的拟合方法曲线拟合:适合于带状地区.依据GPS点至起始重合点距离在首末两重台点连线上的投影值,用多项式曲线函数拟台测段似大地水准面剖面曲线,内插求得其它GPS点的高程异常值.应用条件:测区内至少有3个或4个重合点,且重合点应均匀分布在测区两端和中间平面拟台:适合于平原,丘陵地区的面积型测区.把测区内的似大地水准面视为一个平面,这个平面由重台点的高程异常值确定GPS点的高程异常值根据点的平面直角坐标,由确定的平面方程计算.应用条件:测区内至少有
14、3个重合点.对带状测区则要求其长度不超过20km,似大地水准面起伏的变化梯度不超过5cm/krrl曲面拟合:适用于似大地水准面起伏较复杂的山区,用平面模型误差往往较大,因此须用曲面来逼近似大地水准面.本法将测区内的l似大地水准面视为一个曲面,测区GPS点的高程异常值由重台点所确定的曲面方程和GPS点的平面坐标来确定.当测区范围内大地水准面形状仅存在单一的凸凹面时,可用二次曲面函数拟台,这时需要6个以上的重合点.除此之外,还有多面函数拟合双B样条函数拟合法等等,在此不一一赘述.下面以昌赣高速公路胡家坊至昌傅段和九景支线罗家滩至曲阿里段的实测数据为例,说明拟台效果.分别采用上述3种方法将GPS点的拟合高程与水准高程成果比较,不符值统计如表1.表1各种报台方法的实奠精度情况mmE胡束坊至昌傅段罗寨滩至曲阿里段合最大平均中误差鼍大平均中误差互差互差互差互差曲线担台47.228.630.750.3391平面拟台25.515.417.171.557464.6曲面担台45.9l3.819.248.4735.739.7需要指出的是:由于用于拟合的起算及对比水准高程属等外水准成果,精度偏低,因此表中的数值不能完全反映拟合精度.表中可看出,3种拟合方法各有优劣,并且那一种方法不可能在每
