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GPS技术在铁路工程测量中应用探讨

关于本文的内容介绍
 
1、GPS技术概述
       全球定位系统GPS(Global Positing System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统,具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位(差分定位)是应用的两个方面;单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。GPS已在测绘领域引起了革命性的变化,目前,范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网,精度上从百米至毫米级的定位,一般都将GPS作为首选手段,随着技术的日趋成熟,已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。
 
1.1 GPS测量的原理
 
       GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到。利用GPS 系统,用户不但可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;而且还可以进行高精度的时间传递和高精度的精密定位,它由三大部分组成:空间部分———GPS 卫星———地面控制部分———地面监控系统———用户设备部分———GPS 信号接收机;在GPS 定位中,空间部分的 GPS 卫星发射测距信号和导航电文(导航电文中含有卫星的位置信息),用户用GPS接收机在某一时刻同时接收 3 颗以上的GPS 卫星信号,测量出测站点(接收机天线中心)至 3 颗以上GPS 卫星的距离并解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标,据此利用距离交会法解算出测站的位置。
 
1.2 GPS 测量的优点
 
       GPS 技术在铁路测量中的应用,是铁路测量的一项革命性的技术革新,它将对传统的作业理念予以更新。相对于常规的测量方法来讲,GPS 测量有以下优点:
 
1.2.1 测站之间无需通视测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS 卫星信号不受干扰。GPS 静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成铁路平面控制测量。
 
1.2.2 定位精度高一般双频GPS 接收机基线解精度为 5mm+1ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,GPS 测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明,在小于50 公里的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100~500 公里的基线上可达 10-6~10-7。
 
1.2.3 观测时间短采用GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在 30~40min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。例如使用 Tim-ble4800GPS 接收机的 RTK 法可在 5s 以内求得测点坐标。
 
1.2.4 提供三维坐标GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。
 
1.2.5 操作简便GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS 接收机已趋小型化和操作傻瓜化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高打开电源即可进行自动观测,利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获,跟踪观测等均由仪器自动完成。
 
1.2.6全天候作业GPS观测可在任何地点,任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。

2 GPS系统在实际测量工作中的应用
 
2.1铁路定测的特点
        铁路线路定测多在野外,野外的主要测量障碍是庄稼地,我国北方又以玉米地居多。常规测量仪器需要视线通视,遇到类似玉米地这样的障碍,就涉及到占地赔偿等降低功效的事情。而 RTK 系统工作时对目标通视没有要求,而玉米地等庄稼地对卫星信号的遮挡也很小。
 
2.2国产GPS-RTK的精度
       目前我国自产的RTK产品已经达到厘米级的精度,如南方灵锐系列,其中南方灵锐S80RTK的标称精度为平面:2cm+1ppm高程:5cm+1ppm 而 S82 的标称精度已经达到平面:1cm+1ppm 高程:2cm+1ppm。中海达的HD5800G 也达到了与南方灵锐 S82 相同的精度。
 
2.3 铁路线路定测的内容与精度要求
       铁路定测包括中桩放样,线路纵断面测绘,线路横断面测绘及1:2000 线路条图测绘。在《新建铁路测量规范 TB10101-99》中对定测精度基本要求如下:中桩桩位限差为:纵向≤S/2000+0.1(S为转点至桩位的距离,以米计)横向≤10cm极坐标法曲线控制桩测量限差≤5cm中桩高程测量应起闭于水准点,其限差为5cm<! -[if ! vml]-><! -[endif]->。中桩高程宜观测两次,其不符值不应大于 10cm,取位至厘米。横断面测量限差为:高程0.1(L/100+h/10)+0.2(m)h-检查点到线路中桩的高差(m)。距离 L/100+0.1(m)L-检查点至线路中桩的水平距离(m)。2005 年 7 月,在太中铁路清徐段定测中,我院测量小组使用南方灵锐S80 RTK 与全站仪放样点进行了比较。根据点位中误差计算公式 <!-[if ! vml]-><! -[endif]-><! -[if ! vml]-><! -[endif]->,该路段放样点点位误差为0.024m,高程最大误差为-0.04m,由此可见平面和高程误差均小于规范规定限差,根据精度分析和测量实践我们认为:南方 S80RTK 系统完全满足铁路线路定测的技术要求,并可大幅度提高铁路定测的工作效率。
 
3 结语
           GPS 测量技术具有技术先进、外业进度快等优点,同时随着实践应用的摸索,在总结GPS 铁路测量的新思路及科学操作方法和工作流程的基础上,我们可对有效的工作方法和作业流程制定相应的规范和细则,使之在外业测量中可操作性强,数据处理更方便。通过以上对GPS测量的应用事例的探讨及其设想,可以看出GPS 在铁路工程的测量上具有很大的发展前景。
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