（大地测量学与测量工程专业论文）基于gps的公路沉降变形监测的方法与精度分析.pdf

l = i ；j ：s 艺f 支 ad i s s e r t a t i o ni ng e o d e t i cs u r v e y i n ga n ds u r v e y i n ge n g i n e e r i n g a n a l y s i so np r e c i s i o na n d m e t h o d so f s i n k i n gd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gf o r h i g h w a y w i t hg p s b yl iy o n g q u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm ah o n g b i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：6 二i 恩。 学位论文作者签名：夸象粟 e l期：j p p f z ，二客 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年刮一年口一年半口两年臼 学位论文作者签名：夸永巢导师签名：彬c 乞 签字日期：j p f 6 y签字日期：缸。歹御n1 歹饧 东北大学硕士学位论文摘要 基于g p s 的公路沉降变形监测的方法与精度分析 摘要 随着我国基础设施建设的高速发展，公路交通事业取得了巨大成就，然 而，公路在使用过程中，不同程度地出现了沉降变形，致使公路满足不了原 有设计要求，影响了公路的正常使用。为了预防沉降变形所带来的损失，必 须对其实施变形监测。针对g p s 技术在公路沉降变形监测中遇到的问题，本 文主要作了以下几方面的研究和探讨： 用理论与实践证明了采用g p s 静态定位技术对公路进行沉降变形监测， 其精度可以达到毫米级，能够监测到公路沉降的微小变化，完全能够满足公 路沉降变形监测的需要，因此，用g p s 对公路进行沉降变形监测是完全可行 的。 根据g p s 变形监测网的特点，分析了g p s 监测网的质量标准，详细论述 了g p s 沉降变形监测网优化设计的内容，研究和分析了基准点和变形监测点 的布设原则、变形监测网形的设计原则以及变形监测网形的种类，并通过工 程实例证明了采用边连式布设网形是最佳的工程设计方案，结合实际，归纳 出了提高g p s 网精度和可靠性的方法。 根据实际公路工程项目获得的数据，研究和分析了已知点分布密度不同 和分布位置不同时的质量控制方案，质量控制应该从节省资源和地区实际情 况考虑，另外，考虑到监测成果的精度，基准点应尽量在作业区内均匀分布。 结合铁岭至朝阳高速公路工程实例，从实际工程中挑选出具有代表性的 变形监测点，对点的沉降过程和精度进行了分析。并通过沉降量走势图与二 等水准进行了对比，从刚刚投入使用的公路来看，沉降比较明显，随着使用 时间的增大，公路沉降变形趋于平稳，在与二等水准进行对比过程中，随着 沉降量的增大，利用g p s 大地高测出的沉降量与利用二等水准测出的沉降量 的差值也增大，通过对工程监测数据的分析，利用g p s 进行公路沉降变形监 测的成果与利用精密水准测量的成果具有很好的一致性。 关键词：g p s 技术；沉降；优化设计；变形监测；精度分析 i i a n a l y s i s o np r e c i s i o na n dm e t h o d so fs i n k i n g d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gf o rh i g h w a y w i t hg ps a bs t r a c t w i t hr a p i d d e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e d i n f r a s t r u c t u r ei no u rc o u n t r y ， h i g h w a yt r a f f i ch a sa c h i e v e dg r e a ta c c o m p l i s h m e n t s h o w e v e r ，w i t hl a p s eo f t i m e t h e r eh a sb e e nm a s s i v es e t t l e m e n td e f o r m a t i o ns e t t l e m e n ti nr o a d ，w h i c h m a k er o a dd e v i a t et h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a f f e c t i n gt h en o r m a lu s eo f t h er o a d i no r d e rt op r e v e n ts e t t l e m e n to ft h el o s s e s ，w em u s tm o n i t o ri t s i m p l e m e n t a t i o no ft h ed e f o r m a t i o n a i mt o s o l v et h ep r o b l e m so ft h er o a df o r t h es e t t l e m e n ti nm o n i t o r i n gb yg p st e c h n o l o g i e s ，t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： u s i n gs t a t i c g p sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yt om o n i t o rt h es e t t l e m e n t o f h i g h w a y ，i ti sp r o v e dt h a tt h e m m l e v e la c c u r a c yc a nb ea c h i e v e da n ds m a l l c h a n g e so ft h er o a di n s e t t l e m e n tc a nb em o n i t o r e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y ，s o a st om e e tt h eh i g h w a yn e e d so ft h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g t h e r e f o r e ，t h eu s eo fg p sf o rd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g s e t t l e m e n t f o rh i g h w a yi se n t i r e l yf e a s i b l e i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fg p sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，t h e s t a n d a r d so ft h eg p sm o n i t o r i n gn e t w o r kq u a l i t y a r ea n a l y z e da n dt h e d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r kc o n t e n to fg p s s e t t l e m e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h er e f e r e n c ep o i n ta n dd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gp o i n t sl a y o u tp r i n c i p l ea n dt h e s h a p ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r kd e s i g np r i n c i p l e sa r es t u d i e d ，a sw e l la s t h et y p eo fs h a p ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r k i ti sp r o v e dt h a t t h ee d g e e v e nl a i d t y p en e t w o r ki st h eb e s ts h a p eo fp r o j e c td e s i g n c o m b i n e dw i t h p r a c t i c a l ，t h i sp a p e r c o n c l u d e sam e t h o dt oi m p r o v eg p sa c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c t u a lp r o j e c td a t a ，t h eq u a l i t yc o n t r o lp r o g r a mo ft h ed i s t r i b u t i o n o fk n o w nd i f f e r e n t d e n s i t y a n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i f f e r e n tl o c a t i o na r e r e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h ea i mo fb u i l d i n gq u a l i t yc o n t r o ls h o u l db et os a v e r e s o u r c e sa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h er e g i o n b e s i d e s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e a c c u r a c yo fm o n i t o r i n gr e s u l t s ，t h eb e n c h m a r ks h o u l db eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e d i nt h eo p e r a t i n ga r e ac o m b i n e dw i t hp r a c t i c a l c o m b i n a t i o nw i t ht h ei n f o r m a t i o no ft i e l i n gt o c h a o y a n ge x p r e s s w a y p r o je c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es e t t l e m e n tp r o c e s sa n dt h ea c c u r a c yo ft h ep o i n t s w h i c ha r es e l e c t e df r o mt h ea c t u a lw o r k s ，a n dc o m p a r e st h es e t t l e m e n tc h a r t s w i t ht h es e c o n d c l a s sl e v e l i n g i ts h o w st h a t ：t h em o r eo b v i o u st h es e t t l e m e n ti s g a i n e di nt h eb e g i n n i n go ft h er o a dp u ti n t ou s e w i t hl a p s eo ft i m e ，t h e s e t t l e m e n to fr o a dt e n d st os m o o t h c o m p a r e dw i t ht h es e c o n d c l a s sl e v e l i n g ， t h es e t t l e m e n td i f f e r e n c e sg r o w sb e t w e e nu s i n gg p sg e o d e t i ch e i g h tm e a s u r e d a n ds e c o n d c l a s sl e v e l i n gm e a s u r e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fp r o j e c t m o n i t o r i n gd a t a ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h e r ei sag o o dc o n s i s t e n c yb yu s i n gb o t h g p sa n dp r e c i s i o nl e v e l i n gt om o n i t o rt h eh i g h w a y s k e yw o r d s ：g p st e c h n o l o g y ；s e t t l e m e n t ；o p t i m u md e s i g n ；d e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g ；p r e c i s i o na n a l y s i s i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 我国公路建设情况1 1 1 2 我国公路等级的划分2 1 1 3 国内外g p s 变形监测研究现状3 1 1 4 问题的提出4 1 2g p s 在现代公路沉降变形中的应用现状4 1 2 1 应用的背景及现状4 1 2 2 目前存在的问题5 1 3 本文研究的丰要内容6 第2 章g p s 测量中的坐标系及其定位原理7 2 1g p s 定位系统简介7 2 1 1g p s 系统的结构组成7 2 1 2g p s 技术的发展8 2 2g p s 定位原理1 0 2 2 1g p s 基本定位原理10 v 东北大学硕士学位论文目录 2 2 2g p s 静态相对定位原理11 2 2 3g p s 实时动态差分定位( r t k ) 原理13 2 3g p s 测量中常用的坐标系统15 2 3 1w g s 8 4 坐标系1 6 2 3 219 5 4 北京坐标系17 2 3 31 9 8 0 西安大地坐标系1 8 2 3 42 0 0 0 国家大地坐标系1 8 2 3 5 地方独立坐标系1 8 2 4 同一坐标系统不同的表示方式之间的转换19 2 4 1 地心空间直角坐标系统和地心大地坐标系统之间的转换2 0 2 4 2 地心大地坐标系统与高斯平面直角坐标系统之间的转换2 0 第3 章g p s 变形监测的误差分析及处理2 3 3 1g p s 监测的误差分析2 3 3 1 1 卫星星历误差2 3 3 1 2 电离层折射误差2 4 3 1 3 对流层折射误差2 7 3 1 4 多路径效应2 8 3 1 5 与接收机有关的误差2 9 3 2 消除和减弱g p s 误差的方法2 9 3 2 1 卫星星历误差的减弱措施2 9 3 2 2 电离层折射误差的减弱措施3 0 3 2 3 对流层折射误差的减弱措施3 1 3 2 4 多路径效应误差的减弱措施31 v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 5 接收机误差的减弱措施3 2 第4 章公路沉降变形g p s 监测网的优化设计研究3 3 4 1g p s 变形监测网的质量3 3 4 1 1 精度指标3 3 4 1 2 可靠性指标3 4 4 1 3 灵敏度指标3 5 4 1 4 费用指标3 6 4 2g p s 变形监测网的优化设计3 9 4 2 1 变形监测网优化设计的提出3 9 4 2 2g p s 变形监测网的特点3 9 4 2 3g p s 控制网优化设计的分类4 0 4 2 4 基准点的布设原则4 l 4 2 5 变形监测点的布设原则4 2 4 2 6g p s 变形监测网的技术设计4 2 4 2 7 提高g p s 网精度和可靠性的方法4 5 第5 章公路沉降的g p s 变形监测应用研究4 7 5 1g p s 在公路沉降变形监测中的方法研究4 7 5 1 1 公路沉降g p s 监测的特点4 7 5 1 2 变形监测g p s 接收机的检验4 8 5 1 3g p s 变形监测方法及技术标准4 6 5 1 4 提高g p s 大地高观测精度的方法5 0 5 2 公路g p s 变形监测成果的质量控制5 0 5 2 1 已知点的分布密度不同时的质量控制51 v i i 目录 5 2 5 2 5 3 5 4 5 4 6 5 6 7 7 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 1 1 1 我国公路建设情况 第1 章绪论 连接城市、乡村和工矿基地之间，主要供汽车行驶并具备一定技术标准和 设施的道路称为公路。公路和道路的区别：道路是供各种车辆( 无轨) 和行人 通行的工程设施，按其使用特点分为城市道路、公路、厂矿道路、林区道路及 乡村道路等。公路运输在国民经济发展中起着重要的作用，最近2 0 年来，随 着我国国民经济的蓬勃发展，公路运输业也在迅速发展。 交通运输是国民经济的基础之一，它对促进社会经济发展、加强国防建设、 提高综合国力和人民生活水平具有重要的支撑作用，公路运输以其机动、快捷、 直达、方便等优点，成为交通运输的重要手段之一。从上世纪9 0 年代开始， 中国进入了公路建设快速发展时期，尤其是19 9 8 年中国实施积极的财政政策 以来，中国公路建设投资数量之大，开工项目之多举世瞩目，从l9 9 0 年到2 0 0 3 年的14 年间，中国公路建设投资近2 万亿元，其中仅2 0 0 3 年就达3 7 15 亿元， 创历史新高。2 0 0 4 年1 到9 月，中国公路建设完成投资比前一年同期又增长 了2 6 6 。到2 0 0 3 年底，中国公路通车总里程达l 81 万k m ，届世界第三位， 其中4 4 是最近1 4 年内修通的。到2 0 1o 年，我国将基本建成“五纵七横”国道 主干线系统，形成连接省会城市和重要沿海港口城市及对外开放口岸，横连东 西、纵惯南北的现代化高等级公路网。我国的公路交通事业正大踏步向前迈进， 公路交通的发展对经济的发展具有很大的促进作用，目前，我国的经济已经与 世界接轨，从长远来看，我们还有很多工作要做，立足现在，放眼未来，正确 对我国公路建设进行长期的规划。我国公路发展情况见表1 1 、表1 2 。 表1 1 我国公路建设5 0 年发展情况 t a b l e1 1t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sr o a dc o n s t r u c t i o nf o r5 0y e a r s 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 2 我国公路网总体密度 t a b l e1 2t h eo v e r a l ld e n s i t yo fr o a dn e t w o r ki nc h i n a 中国高速公路始建于8 0 年代，中国大陆第一条高速公路是上海至嘉定高 速公路，它于l9 8 8 年建成通车，全长18 5 k m ，目前我国高速公路已经突破3 万k m ，高速公路总里程位居世界第二。 在过去的十多年里，高速公路在中国得到了较快的发展，建设规划和通车 里程都创造了世界记录。中国高速公路网目前已经完成规划，其总里程将超过 8 万k m 。2 0 0 4 年中国交通可持续发展规划后的高速公路网，将形成中心城市 向外放射以及横贯东西，纵贯南北的大通道，并且实现“东部加密、中部成网、 西部连通”的新局面。其中东部地区只需3 0 分钟就可到达高速公路，预计这些 公路将用2 0 年左右全部建设完成。 1 1 2 我国公路等级的划分 根据公路使用任务、功能和适应的交通量分为高速公路、一级公路、二级 公路、三级公路、四级公路五个等级。高速公路专供汽车分向、分车道行使并 全部控制出入的干线公路。四车道高速公路一般能适应按各种汽车折合成小客 车的远景设计年限年平均昼夜交通量为6 0 0 0 0 10 0 0 0 0 辆。其他公路为除高速 公路以外的干线公路、集散公路、地方公路、分四个等级。 级公路为供汽车分向、分车道行驶的公路，一般能适应按各种汽车折合 成小客车的远景设计年限年平均昼夜交通量为l5 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 辆。二级公路一 般能适应按各种车辆折合成中型载重汽车的远景设计年限平均昼夜交通量为 3 0 0 0 - - 一7 5 0 0 辆。三级公路一般能适应按各种车辆中型载重汽车的远景设计年 限年平均昼夜交通量为10 0 0 一4 0 0 0 辆。四级公路一般能适应按各种车辆折合 成中型载重汽车的远景设计年限年平均交通量为：双车道l5 0 0 辆以下；单车 道2 0 0 辆以下。公路等级的选用应根据公路网的规划，从全局出发，按照公路 的使用任务、功能和远景交通量综合确定。各级公路远景设计年限：高速公路 和一级公路为2 0 年；二级公路为l5 年；三级公路为1 0 年；四级公路一般为 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 10 年，也可根据实际情况适当调整。对于不符合本标准规定的已有公路，应 根据需要与可能的原则，按照公路网发展规划有计划地进行改建，提高通行能 力及使用质量，以达到相关等级公路标准的规定。采用分期修建的公路，必须 进行总体设计，使前期工程在后期仍能充分利用。 高等级公路是指按国家公路工程技术标准修建的高速公路、一级公路和二 级公路。 1 1 3 国内外g p s 变形监测研究现状 自8 0 年代以来，g p s 变形监测的研究都是围绕着变形监测的两个运行过 程展开的，这些研究都是丰要通过试验研究，应用领域扩展，引进新的使用方 法来提高变形监测分析的准确度，早期的g p s 变形监测主要集中在地壳变形 监测；大坝变形监测；城市变形监测等方面的g p s 技术使用，进入九十年代， g p s 变形监测开始逐渐向全自动化、实时动态监测方面发展，主要研究自动进 行变形监测数据采集、分析处理、预测等功能的相关模型的建立、系统的设计、 数据处理方法的探索。 在工程和局部性变形监测方面，g p s 发挥着重要作用。国外，g p s 广泛用 于大坝、桥梁、管道、高层建筑、石油钻井平台等工程建筑的变形监测及滑坡 崩塌等地质灾害的监测，例如，美国c a l i f o r n i a 州p a c o i m a 大坝的连续自动变 形监测；c a l i f o r n i a 州的地面沉降监测；意大利a n c o n a 地区的滑坡监测【lj ；新 加坡公共购物中心大楼的g p s 动态变形监测，等等。那么，在国内，由湖北 清江水电开发有限责任公司与武汉测绘科技大学共同研制开发的清江隔合岩 大坝，其外观变形g p s 自动化监测系统在l9 9 8 年特大洪水期间发挥了重要作 用，取得了巨大的经济效益，我国上海由于在世界上率先建立了包括g p s 卫 星定位系统在内的健全的地面沉降监测网络，在监测和控制地面沉降方便取得 了举世瞩目的成绩。在国内，g p s 还应用于矿区变形监测、城市三维变形监测、 g p s 三峡库区滑坡监测、等都取得了令人满意的成果。公路变形监测的方法很 多，也可以利用常规方法，比如，利用精密水准仪，全站仪等，但是常规方法 监测的精度不如利用g p s 监测的精度高。 目前，我国公路受到各种不良因素的影响，包括自然因素和人为等因素的 影响，致使公路发生了严重的变形，甚至导致灾害的发生，干扰了人们的正常 生活，有些自然因素是难以控制的，比如地震，洪水，及泥石流的突然爆发等。 而一些人为的因素是可以预防和控制的，由于人们对公路缺乏保护意识，而盲 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目的开采地下水，开采地下石油等比较大的工程，导致公路发生了严重的沉降 变形，只要在工程开工之前对当地的地质情况进行科学的分析和预测，这种变 形是可以控制的，对于那些不稳定的地段是不能进行施工的，而稳定的路段也 要进行科学的施工，这样就涉及到如何监测当地的路面沉降问题，g p s 技术广 泛应用于沉降变形的监测，这一技术的出现和不断发展对于公路沉降变形监测 提出了较好的解决办法。 1 1 4 问题的提出 随着国民经济的飞速发展，我国公路建设异常迅猛，公路等级越来越高。 在修建高等级公路的同时，由于路面宽、平纵面标准高，荷载作用，地基等原 因，不可避免的出现了公路变形，尤其是以沉降变形为主，而路面平稳是保证 汽车安全行使的基本保证，一旦公路出现严重的沉降变形轻则中断交通，重则 造成生命财产的损失，2 0 0 8 年5 月2 3 日上午，安徽省黄山市休宁县境内发生 一起交通事故，1 0 时2 6 分，黄山市安驰旅游公司司机汪秋生驾驶车牌号为皖 j 0 0 4 8l 的大客车在休宁段境内行驶时，车辆自翻，落入一落差约9 米的路沟。 造成事故的主要原因是，路况较差，路面强度低，耐久性不好，路面稳定性差， 平整度不够，路面粗糙及病害等原因造成的。为了预防公路沉降变形带来的巨 大危害，确保人民生命财产的安全，必须及早对公路进行沉降变形监测。因此， 应用g p s 技术对公路沉降变形进行监测具有重要意义。 1 2g p s 在现代公路沉降变形中的应用 1 2 1 应用的背景及现状 随着公路等级的提高，对公路变形监测提出更高的要求。一般可以根据测 区范围的大小和测量仪器的精度高低，将公路变形监测分为传统公路变形监测 和现代公路变形监测。所谓传统公路变形监测，是指用普通测量仪器( 经纬仪、 测距仪、水准仪等) 所从事的公路变形监测。这种作业方式，其缺点是同一测 站重复工作多，施工精度不高，野外周期较长，劳动强度较大，生产成本居高 不下，因而一般用于测区范围较小、不考虑地球曲率影响且工程简单的低等级 公路的变形监测【2j 。现代公路变形监测，是指用精密测量仪器( g p s 、全站仪、 水准仪等) 所从事的公路变形监测。随着g p s 定位技术特别是实时g p s 动态 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 定位技术在公路变形监测中的应用，公路变形监测作业流程的改革已进入可行 阶段，一次性外业测量完成工作目标变成可能，从而大大减轻测量作业人员的 劳动强度。这种作业方式的显著特点是测量精度高，工作流程少，作业效率高。 一般用于测区范围较大、必须考虑地球曲率影响的公路变形监测。 在公路建设完毕并进入运营使用阶段，对其进行变形及安全等监测是十分 重要的，过去一二百年乃至更早，我们都是应用光学仪器，对公路进行简单的 变形监测，而且精度很低，这样的方法不但工作量大而且周期长。八十年代以 来，虽然公路变形监测已经大量采用电子全站仪等先进仪器设备，但由于监测 范围大，附近已知点少，受通视和作业条件的限制，因此，用常规的测量设备 ( 全站仪等) 作业强度大，影响监测周期，而且难以满足高精度的要求。在现 代公路变形监测中迫切需要引进新技术来克服上述缺陷，从而全面提高公路变 形监测速度和质量。 g p s 技术的出现给现代公路变形监测带来了技术突破。不需要过多考虑通 视、夹角、边长等问题。现在基本上所有的道路变形监测中都应用了g p s 技 术。近些年来，r t k 技术的出现更是将g p s 技术得到了更高一层次的飞跃， 可以说已经在技术上逐步取代了传统方法，基本实现了自动化，外业工作强度大 幅度降低。g p s 技术在公路变形监测的应用丰要体现在采用静态或快速静态作 业模式建立公路变形监测g p s 控制网【3 1 。 g p s 技术在公路沉降变形监测中应用具有巨大的优越性，但由于g p s 测 量与常规测量在原理和方法上毕竟有着较大的差别，再加上公路工程都属于带 状工程，纵向较长可达几百公里，而横向上一般只有几十米，布设的g p s 控 制网基本上呈狭长形，因此有许多问题需要我们在实践中加以研究解决，如特 长公路( 这里指l0 0 k m 以上) 的高斯投影变形超限问题，公路g p s 高程拟合 精度问题，g p s 作业的可靠性与质量控制问题等【4 】。所有这些都关系到公路运 营阶段变形监测控制网的可靠性、精确性和实用性。因而该项研究具有重要的 现实意义。 1 2 2 目前存在的问题 g p s 技术是一门新兴的定位技术，还在不断的改进发展中。其精度受卫星、 传播路径、接收机以及测站周边环境的影响。特别是为了利用过去的测量成果、 迁就传统的设计方案，我们现在还必须把三维坐标归化投影成二维平面牮标， 这样不但丧失了g p s 的一些优势，而且在归化投影过程中，降低了其点位精 一5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 度。这些问题已经抑制了g p s 技术在公路变形监测中的优势发挥，g p s 自身 也存在一些缺陷。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要对g p s 变形监测技术的方法进行了系统研究，对沉降变形监测成 果的精度进行了分析。在网形优化设计中，阐述了基准点和监测点的设计原则， 在对网形的具体布设时，通过对比，采用边连接形式布设网形是合理的。结合 工程实例，通过对工程数据的分析和对比，得出了利用g p s 进行公路沉降变 形监测是可行的，能够满足公路设计的要求。 ( 1 ) 阐述了g p s 技术在公路沉降变形监测应用中的原理、方法，测量中常用 的坐标系，以及不同坐标系统之间的转换。 ( 2 ) 从理论上说明了沉降变形的依据，对公路沉降变形监测的方法进行了研 究，同时给出了公路沉降变形监测的技术标准。研究和分析了提高g p s 大地 高观测精度的方法。 ( 3 ) 结合公路工程实例，用大量数据说明采用g p s 技术布设公路沉降变形 监测控制网的优势。如何通过合理的布设，才能使变形监测网具有高精度、可 靠性强、经济方便、灵敏度高的优势。 ( 4 ) 根据g p s 变形监测网的特点，分析了g p s 网的质量标准。根据工程实 例研究和分析了已知点分布密度和位置不同时的质量控制方案。 ( 5 ) 研究了控制网中基准点和变形监测点的布设原则，并归纳了提高g p s 变形监测网精度和可靠性的方法，对g p s 变形监测网的技术设计进行了研究。 ( 6 ) 结合铁朝高速公路沉降变形监测的工程实例，对监测点的沉降过程进行 了分析，把用g p s 监测的沉降量和精密水准监测的沉降量进行了对比和分析， 目的是检验g p s 的监测成果是否与精密水准的监测成果具有一致性，从而满 足公路沉降变形监测的要求。 东北大学硕士学位论文第2 章g p s 测量中的坐标系及其定位原理 第2 章g ps 测量中的坐标系及其定位原理 2 1g p s 定位系统简介 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 简称g p s ) 是美国国防部从上世纪 7 0 年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元， 于19 9 4 年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、 空进行全方位实时三维导航与定位能力。g p s 是继阿波罗登月计划、航天飞机 后的美国第三大航天工程，如今，它已成为当今世界上最实用，也是应用最广 泛的全球精密导航、指挥和调度系统5 1 。 2 1 1g p s 系统的结构组成 全球g p s 全球定位系统，包括下列三大部分： 空间部分一g p s 卫星星座： 地面控制部分一地面监控系统； 用户设备部分一g p s 信号接收机。 2 1 1 1 g p s 卫星星座的构成 ， g p s 全球定位系统的空间部分，由21 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组 成。卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道面上分布4 颗卫星。卫星轨道面相对 于地球赤道面的倾角为5 5 0 ，各轨道平面升交点的赤经相差6 0 0 。在相邻轨道 上，卫星的升交距角相差3 0 0 。轨道平均高度为2 0 2 0 0 公里，卫星运行周期为 1 1 小时5 8 分。因此，在同一观测站，每天出现的卫星分布图形相同。g p s 系 统卫星在空间的分布特点，保障了在地球上任何地点、任何时刻至少可以同时 观测到4 颗卫星，仅仪当g p s 卫星空间图形结构比较差时，系统定位精度有 所降低“。 在g p s 系统中，其空间部分主要担负以下任务： ( 1 ) 向g p s 用户连续不断地发送导航定位信号，并用导航电文的方式，报 告自己的现势位置以及其它在轨卫星的概略位置。 ( 2 ) 卫星在飞越地面注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段( 10 c m 波段) 7 东北大学硕士学位论文第2 章g p s 测量中的坐标系及其定位原理 发送的导航电文和其它有关信息，并以导航定位信号的方式发送给g p s 用户。 ( 3 ) 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度指令，适时地改正运行偏 差或启用备用时钟等。 2 1 1 2 地面监控系统 g p s 系统的地面监控部分，主要由分布在全球的5 个地面站组成，其中包 括卫星主控站、监测站和信息注入站。 ( 1 ) 丰控站 地面设主控站一个，主要协调和管理地面监控系统。g p s 定位系统工作属 于被动定位，定位的精度在于高稳定的频率标准，因此，各监测站和g p s 卫 星的时钟均与主控站的原子钟同步，如存在时差，则需把信息编入导航电文， 发送给用户；同时，主控站推算、编制g p s 卫星的星历和大气层的修正系数等 定位参数，并传送到注入站，再通过导航电文发送给g p s 用户。 ( 2 ) 监测站 地面设监测站五个，用于自动接收g p s 卫星发送的导航电文信息，采集 资料后，经过计算机初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的运行 轨道。 ( 3 ) 注入站 地面注入站现有三个，丰要任务是在主控站的控制下，将丰控站推算和编 制的卫星星历、时差、导航电文和其它控制指令等，在卫星飞越该站上空时发 送到g p s 卫星。 2 1 1 3g p s 信号接收机 g p s 定位系统的空间卫星和地面监控部分，是用户采用g p s 系统进行定 位的基础，用户还需要通过g p s 信号接收机和相关的处理软件和可编程的硬 件设备，才可以实现g p s 系统定位的功能。 2 1 2g p s 技术的发展 g p s 技术的发展经历了两个阶段，主要是在卫星的质量和卫星信号上更加 完善。 东北大学硕士学位论文第2 章g p s 测量中的坐标系及其定位原理 2 1 2 1g p s 系统发展建设并进入完全运作能力阶段( 19 7 3 , - - - 19 9 9 ) 8 0 年代的g p s 测量是建立在载波相位差分定位技术上的静态相对定位。 为了获得可靠的三维基线解向量，两台或若干台g p s 接收机安置在待定点上， 连续同步观测同一组卫星1 2 h ，或更长一些时一间，通过观测数据的后处理， 给出各待定点间的基线向量，在采用广播星历的条件下，静态定位不难取得 5 m m + l p p m ( 9 2 频) 或1 0 m m + 2 p p m ( 单频) 基线解精度。 8 0 年代末期，建立在f a r a ( 整周未知数快速逼近技术) 基础上的快速静态 定位为短基线测量作业闯出了一条新路，大大提高了g p s 测量的劳动生产率。 在1o k m 以内的短边上，采用双频g p s 测量系统，只需正常接收4 5 颗卫星5 m i n 左右，即可获取5 10 m m + l p p m 的基线精度，与1 2 h 甚至更长时间静态定位的 结果不相上下。 9 0 年代初期，基于载波相位观测值静态初始化的实时动态定位技术( r t k ) 已开始问世，特别是9 0 年代中期，随着a r o f ( a m b i g u i t yr e s u l a t i o no nt h ef l y ) 技术的成熟，动态求解初始整周未知数的理论成果转化成为实用技术，从而摆 脱了高精度g p s 载波相位测量中必须进行静态初始化问题以及动态测量中必 须始终保持4 颗以上卫星信号连续锁定的难题。真正实现了实时g p s 测量关 键技术的商品化。 2 1 2 2g p s 现代化计划更新阶段( 2 0 0 0 - - 2 0 15 ) 根据19 9 6 年美国总统的决定建立了国防部和交通部组成的联合管理g p s 事务局( i g e b ) ，在i g e b 的主持下于l9 9 7 、19 9 8 年期间讨论了增加g p s 民 用信号，从而改进民用和商用目的的g p s 状况，并与空军已经开始的计划相 结合，形成了更新g p s 运行要求的文献o r d ( o p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s d o c u m e n t ) ，其内容即为目前的g p s 现代化计划，其具体实施是以2 0 0 0 年5 月2 日取消s a 政策为标志。g p s 现代化的主要目的有三点：保护美国及其盟 军的军用服务，防止敌方使用，保持并增强民用服务。在未来的几年中，g p s 定位技术将得到进一步的发展，主要表现为五个方面： ( 1 ) 关闭s a ：2 0 0 0 年5 月1 日，美国政府取消了s a 政策，g p s 民用信 号定位精度在全球范围内得到了改善，使g p s 实时单点定位精度从l0 0 m 提高 到3 0 m 左右。