【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 間載波信號(hào)傳播的相位稱(chēng)為載波相位觀測(cè)量，亦稱(chēng)為測(cè)相偽距觀測(cè)量。假設(shè)接收機(jī)內(nèi)振蕩器頻率初相與衛(wèi)星發(fā)射 載波初相完全相同，兩者振蕩頻率也完全一致并穩(wěn)定不變，又假設(shè)衛(wèi)星鐘和站鐘亦完全同步，則載波相位觀測(cè)量實(shí)際上是衛(wèi)星 tj時(shí)刻載波相位與用戶接收機(jī) ti 時(shí)刻復(fù)制的載波相位之間的相位差，參見(jiàn)下圖 若設(shè) : Φ j(tj)表示衛(wèi)星 Sj于歷元 tj發(fā)射的載波信號(hào)相位，Φ i(ti)表示接收機(jī) Ti于歷元 ti的復(fù)制信號(hào)相位。 則上述載波信號(hào)之相位差為 : 畢業(yè)論文報(bào)告紙 21 設(shè)載波信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，則有衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離 Rij為 : 如圖 ， GPS 觀測(cè)值是向量，可設(shè) GPS 觀測(cè)值有如下關(guān)系 : 式中， 表示衛(wèi)星 Sj在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的直角 坐標(biāo)向量，它由導(dǎo)航電文中提供星歷參數(shù)計(jì)算出的己知量，表示測(cè)站在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)向量，是待求量。 根據(jù)簡(jiǎn)諧波的物理特性，Φ ij(t)看成整周數(shù)與不足整周數(shù)之和，當(dāng)跟蹤到衛(wèi)星后，在初始觀測(cè)歷元 ti=t0即有 : 畢業(yè)論文報(bào)告紙 22 當(dāng)接收機(jī)跟蹤住衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行首次載波相位測(cè)量后，對(duì)氣候任一歷元 t 的總相位差可由下式表示 : 畢業(yè)論文報(bào)告紙 23 顧及衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差，電離層和對(duì)流層影響，同時(shí)取現(xiàn)測(cè)站坐標(biāo)初始向量為， 其改正數(shù)向量為 ，把 Rij（ t）在（ xi0， yi0，zi0）用泰勒公 式展開(kāi)，則可得到載波相位觀測(cè)方程線性化形式： 式中 C 為電磁波傳播速度， f 為信號(hào)頻率，ρ ij(t)為測(cè)相偽距，δρ 1和δρ 2為電離層和對(duì)流層的影響，δ ta和δ tb分別為接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差改正數(shù) 。 上式即為接收機(jī) j 對(duì)衛(wèi)星 Si載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程。 美國(guó)為控制非授權(quán)用戶獲得高精度實(shí)時(shí)定位，對(duì) GPS 采用了在衛(wèi)星信號(hào)上施加干擾信號(hào)的方法以限制用戶的使用，使用 SA技術(shù)和 AS技術(shù)，使得非特許用戶無(wú)法接收 L2載波上的 P 碼。更不能利用 P 碼實(shí)行定位，也不能用 P 碼和 C/A 碼的相位觀測(cè)量進(jìn)行聯(lián)合測(cè)算。以上兩種限制性技術(shù)使廣播星歷精度由原來(lái)的 15m 畢業(yè)論文報(bào)告紙 24 左右降到 75m 以上，影響最大時(shí)，單點(diǎn)定位精度可下降 100m 以上。為了提高實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度，常采用差分 GPS 技術(shù)。靜態(tài)差分 GPS 定位又稱(chēng)為靜態(tài)相對(duì)定位，目前普遍采用的不同衛(wèi)星之間、不同接收機(jī)之間和不同里元之間的獨(dú)立觀測(cè)量的 3 種差分形式 :單差，雙差和三次差。根據(jù)獨(dú)立觀測(cè)量里面很多待求參數(shù)相等或相似，采用相互求差法可以消除或者減弱弱諸如衛(wèi)星星鐘誤差，接收機(jī)星鐘誤差，電離層和對(duì)流層影響，整周模糊度以及軌道殘差，從而達(dá)到提高 GPS觀測(cè)精度 的目的 [36]。 GPS的特點(diǎn) 相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來(lái)講 , GPS 測(cè)量有以下特點(diǎn) : 1)測(cè)站之間無(wú)需通視。 GPS 這一特點(diǎn) ,使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊 , 以使接收 GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。 2)定位精度高。一般雙頻 GPS接收機(jī)基線解精度為 5mm+1 10 6D, 而紅外儀標(biāo)稱(chēng)精度為 5mm+ 5 10 6D, GPS 測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng) , 但隨著距離的增長(zhǎng) , GPS 測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突 出。 3)觀測(cè)時(shí)間短。采用 GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè) 時(shí)間一般在 30~ 40min 左右 , 采用快速靜態(tài)定位方法 , 觀測(cè)時(shí)間更短。 4)提供三維坐標(biāo)。 GPS 測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí) , 可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。 畢業(yè)論文報(bào)告紙 25 5)操作簡(jiǎn)便。 GPS 測(cè)量的自動(dòng)化程度較高。目前 GPS 接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化 , 觀測(cè)人員只需將天線對(duì)中、整平 , 量取天線高打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè) , 利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲 , 跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。 6)全天候作業(yè)。 GPS 觀測(cè)可在任何地點(diǎn) , 任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行 , 一般不受天氣狀 況的影響。 在中國(guó) GPS 定位技術(shù)的應(yīng)用已深入各個(gè)領(lǐng)域 , 國(guó)家大地網(wǎng)、城市控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)的建立與改造已普遍地應(yīng)用 GPS技術(shù)。在石油勘探、高速公路、通信線路、地下鐵路、隧道貫通、建筑變形、大壩監(jiān)測(cè)、山體滑坡、地震的形變監(jiān)測(cè)、海島或海域測(cè)量等也已廣泛的使用 GPS技術(shù)。隨著 GPS差分定位技術(shù)和 RTK 實(shí)時(shí)差分定位系統(tǒng)的發(fā)展和美國(guó) AS 技術(shù)的解除 , 單點(diǎn)定位精度不斷提高 , GPS 技術(shù)在導(dǎo)航、運(yùn)載工具實(shí)時(shí)監(jiān)控、石油物探點(diǎn)定位、地質(zhì)勘查剖面測(cè)量、碎部點(diǎn)的測(cè)繪與放樣等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。 GPS在 高速鐵路控 制測(cè)量相關(guān)概念 基礎(chǔ)框架平面控制網(wǎng) CP0：為滿足線路平面控制測(cè)量起閉聯(lián)測(cè)的要求，沿線路每 50km 左右建立的衛(wèi)星定位測(cè)量控制網(wǎng)，作為全線勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的坐標(biāo)基準(zhǔn)。基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ：在基礎(chǔ)框架平面控制網(wǎng)（ CP0）或國(guó)家高等級(jí)平面控制網(wǎng) 畢業(yè)論文報(bào)告紙 26 的基礎(chǔ)上，沿線路走向布設(shè)，按 GPS靜態(tài)相對(duì)定位原理建立的線路平面控制網(wǎng)起閉的基準(zhǔn)。在勘測(cè)階段按靜態(tài) GPS 相對(duì)定位原理建立，點(diǎn)間距為 4km左右，測(cè)量精度為 GPS B 級(jí)網(wǎng)。平面控制網(wǎng)CPⅡ：在基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（ CPⅠ）上沿線路附近布設(shè)，為勘測(cè)、施工階段的線路平面控制和軌道控 制網(wǎng)起閉的基準(zhǔn)?？捎?GPS 靜態(tài)相對(duì)定位原理測(cè)量或常規(guī)導(dǎo)線網(wǎng)測(cè)量，在勘測(cè)階段建立。點(diǎn)間距為 400～ 800m 左右，測(cè)量精度為 GPSC 級(jí)網(wǎng)或三等導(dǎo)線?？刂凭W(wǎng) CPⅢ：沿線路布設(shè)的三維控制網(wǎng)，起閉于基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（ CPⅠ）或線路控制網(wǎng)（ CPⅡ），一般在線下工程施工完成后進(jìn)行施測(cè)，為軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基準(zhǔn)。 CPⅢ網(wǎng)按自由設(shè)站邊角交會(huì)的方法測(cè)量。點(diǎn)間距為縱向 60m左右、橫向?yàn)榫€路結(jié)構(gòu)物寬度，測(cè)量精度為相鄰點(diǎn)位的相對(duì)中誤差小于 1mm。在施工、檢測(cè)中直接應(yīng)用最多的就是 CPⅢ控制點(diǎn)。 CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)要求及施測(cè)方 法 1 布設(shè)要求 沿線路方向通常每公里有 16 對(duì)即 32 個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)通常設(shè)置在接觸網(wǎng)桿上（路基部分）、防撞墻上固定端（橋梁部分）和圍巖上（隧道部分）。 CPⅢ測(cè)量標(biāo)志通常由永久性的預(yù)埋件、平面測(cè)量桿、高程測(cè)量桿和精密棱鏡組成；每個(gè)控制點(diǎn)與相鄰 5個(gè)控制點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位中誤差均要求小于 1mm；平面網(wǎng)測(cè)量要求全站儀具有電子驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)自動(dòng)搜索和操作系 畢業(yè)論文報(bào)告紙 27 統(tǒng)功能的測(cè)量機(jī)器人（如 LeicaTCA2020 和 TCRA120 Trimble S6 和 S8 系列全站儀等）；高程測(cè)量一律采用電子水準(zhǔn)儀（如Trimble DiNi1 Leica DNA03 等）； 2 施測(cè)方法 CPⅢ平面測(cè)量 CPⅢ平面網(wǎng)是一個(gè)邊角控制網(wǎng)，但其測(cè)量方法較傳統(tǒng)邊角網(wǎng)測(cè)量有很大差異。傳統(tǒng)的邊角網(wǎng)測(cè)量?jī)x器都是架設(shè)在控制點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，距離必須進(jìn)行往返觀測(cè)，但 CPⅢ平面網(wǎng)卻采用自由設(shè)站進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量，而其距離只能進(jìn)行單程觀測(cè)。 （ 1）測(cè)站間距為 120m 時(shí)， CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)形示意圖如圖1 所示。 （ 2）測(cè)站間距為 60m 時(shí)， CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量網(wǎng)形示意圖如圖2 所示。 （ 3） CPⅢ平面網(wǎng)的水平方向觀測(cè)的技術(shù)要求應(yīng)滿足表 1 的規(guī)定。 畢業(yè)論文報(bào)告紙 28 （ 4） CPⅢ平面網(wǎng) 的距離測(cè)量應(yīng)滿足下列要求： Ⅲ控制點(diǎn)的距離測(cè)量應(yīng)與全圓方向觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行。 。方向觀測(cè)時(shí)，盤(pán)左和盤(pán)右分別對(duì)同一 CPⅢ 點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)量，盤(pán)左和盤(pán)右距離測(cè)量的平均值為一測(cè)回的距離測(cè)量值。 ，各測(cè)回間距離較差應(yīng)≤。 . CPⅢ高程測(cè)量 CPⅢ高程控制網(wǎng)測(cè)量采用矩形法進(jìn)行，矩形法水準(zhǔn)測(cè)量閉合環(huán)的情況如圖 3 所示。其中，箭頭方向?yàn)楦卟顐鬟f方向。由圖 3 可知，每相鄰兩對(duì) CPⅢ點(diǎn)均構(gòu)成獨(dú)立的矩形閉合環(huán)，方便形成閉合差檢核，可靠性高。 CPⅢ高程網(wǎng)水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)站的主要技術(shù)要求，應(yīng)符合表 2 的規(guī)定。 畢業(yè)論文報(bào)告紙 29 第二章 GPS在工程上的實(shí)例 新建吉林至琿春鐵路站前工程 JHSⅢ標(biāo)段位于吉林省吉林市蛟河市及吉林省延邊朝鮮族自治州敦化市境內(nèi)，本標(biāo)段起于蛟河市，起點(diǎn)里程為 DK110+500，線路在 DK110+885～ DK114+225 處設(shè)威虎嶺隧道（ 3340m,三個(gè)斜井），于 DK116+500 設(shè)威虎嶺北站，線路在大川屯大橋（ GDK122+～ GDK122+）跨越既有鐵路長(zhǎng)圖線后，向東南方向至北官隧道止，終點(diǎn)里程 DK146+300。 橋梁 9座占標(biāo)段長(zhǎng)度的 %，主要橋梁有大川屯 1特大橋、大川屯 2特大橋、永強(qiáng)特大橋及 6 座大橋；隧道 8 座占標(biāo)段長(zhǎng)度的 %，主要隧道有威虎嶺隧道（ 3340m、 3 個(gè)斜井）、雙泉上 1隧道（ 999m）、明川隧道（ 1560m）、三道泉 2隧道（ 2740m、1 個(gè)斜井）高松樹(shù)隧道（ 1960m、 1 個(gè)斜井）等；涵洞及框架小橋49 座，路基工程 ，占標(biāo)段長(zhǎng)度的 %。平面經(jīng)過(guò) 5個(gè)曲線，最大曲線半徑為 7000m,最小曲線半徑為 5000m?？v斷面經(jīng)過(guò) 21個(gè)坡段，最大縱坡為 2%，最小縱坡為 %，豎曲線半徑均為 20200m。 本區(qū)屬北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。按照對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。夏季短促溫暖，冬季漫長(zhǎng)酷寒，春季干旱多風(fēng)，秋季涼爽，四季分明。 年平均氣溫 ～ ℃， 1 月平均氣溫 ～ ℃， 7 月平均氣溫 ～ ℃；極端最高氣溫 ～ ℃，極端最低氣溫 ～ ℃，年平均降水量 528～ 670mm，主要集中于 6～ 8 畢業(yè)論文報(bào)告紙 30 月；年平均蒸發(fā)量 ～ ；平均相對(duì)濕度 64～ 76％，全年平均風(fēng)速約 ～ ，最大風(fēng)速 18～ 20 m/s。 土壤最大凍結(jié)深度： 167cm～ 192cm。 主要工程見(jiàn)下表： 各工區(qū)橋隧工程表 工區(qū) 橋隧名稱(chēng) 中心里程 長(zhǎng)度（ m） 工作面 一工區(qū) 威虎嶺隧道 DK112+555 3340 威虎嶺隧道進(jìn)口 威虎嶺隧道 2號(hào)斜井 威虎嶺隧道出口 雙泉上 1 號(hào)隧道 DK131+040 999 雙泉上 1 號(hào)隧道進(jìn)口 三道泉 2 號(hào)隧道 DK128+804 1352 三道泉 2 號(hào)隧道出口 雙泉上 2 號(hào)隧道 DK132+127 354 雙泉上 2 號(hào)隧道進(jìn)口 明川隧道 DK133+800 1560 明川隧道進(jìn)口 明川隧道出口 高松樹(shù)隧道 DK143+900 980 隧道出口 北關(guān)隧道 DK145+805 790 北關(guān)隧道進(jìn)口 畢業(yè)論文報(bào)告紙 31 二工區(qū) 大橋屯大橋 DK119+ 大川屯 1特大橋 DK120+ 大川屯大橋 DK122+ 大川屯 2特大橋 DK123+ 三工區(qū) 三道泉 1隧道 DK126+ 605 三道泉 1隧道出口 西溝大橋 DK127+ 三道泉 2隧道 DK128+804 1352 三道泉 2隧道進(jìn)口 五人班前大橋 DK130+ 雙泉上大橋 DK131+ 永強(qiáng)特大橋 DK135+ 四工區(qū) 高松樹(shù)大橋 DK142+ 高松樹(shù)隧道 DK143+900 980 隧道進(jìn)口 各工區(qū)路涵工程表 工區(qū) 路基起止里程 長(zhǎng)度（ m） 備注 一工區(qū) DK110+500DK110+885 385 包含小橋涵 1 處 DK110+500DK110+885 716 包含小橋涵 3 處 畢業(yè)論文報(bào)告紙 32 DK146+200DK146+300 100 二工區(qū) DK114+225DK115+700 1475 其中包括框架涵、 框架小橋共 23處 DK115+700DK117+200 1500 DK117+200DK119+8 DK119++20 DK121++12 其中包括框架涵 1處 DK122++86 DK123++400 其中包括框架涵 1處 三工區(qū) DK126++44 90 GDK127++ DK130++540 DK131++55 畢業(yè)論文報(bào)告紙