高墩大跨桥梁三维施工测量理论及方法研究.doc

西安科技大学毕业设计(论文) 题 目 高墩大跨桥梁三维施工测量理论及方法研究院、系(部) 测绘科学与技术学院专业及班级 测绘0503班姓 名 王 斌指 导 教 师 龚 云日 期 2009年6月1日55论文题目: 高墩大跨桥梁三维施工测量理论及方法研究专 业: 测绘工程本 科 生: 王 斌 （签名） 指导教师: 龚 云 （签名） 摘 要随着新桥型新结构的出现，跨度记录的不断刷新，桥梁结构日趋复杂，大跨度桥梁施工控制成为竞相研究的课题。而随着测量仪器以及量测技术的快速发展，三维坐标法已经能够在桥梁施工控制中得到很好的运用。本文结合杭州湾大桥的工程实例，根据高墩大跨桥梁的施工控制特点，从GPS基本原理出发，建立了GPS测量控制网，对GPS应用于平面控制测量以及GPS应用于江河湖海水准测量进行了精度分析论证，并对GPS在特大型桥梁控制测量中的应用进行了分析，得到了GPS相对定位技术完全能够满足特大型桥梁平面控制精度要求的结论。同时还对全站仪平面控制以及三角高程精度进行了分析，推导了位于平、竖曲线上的桥梁结构物放样点的三维坐标计算公式。关键字：GPS，高墩大跨桥梁，测量控制网，GPS高程，三维坐标，放样 ABSTRACTAlthough the new structure of the new bridge, continuously break, the span of records the bridge structure is complicated, large-span bridge construction control become scrambling of research. But with the measurement instrument measurement technology and the method of fast development, the 3d coordinate in bridge construction control have been able to get good use.Based on the hangzhou bay bridge engineering examples, the large span bridge piers based on high from the construction control characteristics, basic principle and establishment of GPS control network, a GPS measuring of GPS control measures and application of surface water level measurement applied GPS were analyzed, and the accuracy of GPS in large bridge control measure are analyzed, and the application of GPS positioning technology obtained relatively large bridge can completely satisfy the requirement of accuracy control plane. Also on electronic tachometer plane and trigonometric elevation control are analyzed, which is a vertical curve, the bridge structure of lofting points 3d coordinate calculation formula.Key Words： GPS，High piers of large-span bridge，Measurement control network，GPS height， Three-dimensional coordinates，Three-dimensional layout 前 言 随着我国经济建设的快速的发展，公路铁路桥梁建设也得到了迅速的发展。在桥梁建设方面，特大型，大跨度桥梁建设项目也越来越多。特别是大型斜拉桥和悬索桥施工技术和管理水平的提高，建设大跨径的桥梁成为我国桥梁施工的主要目标。高墩大跨桥梁的建设过程是一个系统工程，体现了多学科紧密结合的特点，施工测量是大型桥梁建设中的一个重要的组成部分。由于桥梁施工控制网是桥梁施工的基准，施工测量工作是其他施工的先导。因此，施工控制网的质量直接影响到工程的整体质量。 桥梁施工控制测量主要是精确的放样桥梁墩台的位置及其跨越结构的各个部分,以保证实现桥梁的设计跨度和线形及其与两侧道路的正确连接并依据控制网随时监测桥梁在施工过程中的构造变形和检查已竣工构造物的施工质量,它是桥梁施工放样,变形监测和质量检查的基准. 长期以来，利用常规的测量方法布设高精度的测量控制网，主要依赖于高精度的测距仪和经纬仪。由于地形复杂、区域广以及其它一些原因，这给常规测量带来了一定的困难。常规的边、角控制网测量要求各控制点间必须通视，给网形的布设带来了很大的限制而且工作量大，受气候条件影响显著，作业时间较长。随着现代测量技术的快速发展，全站仪和GPS技术已广泛的应用于建立桥梁施工平面控制网，并可方便的用于桥梁施工平面控制网的复测、基础施工放样和对大桥进行监测。本论文主要根据大型桥梁的实际需要，结合杭州湾大桥的工程实例，对GPS、全站仪在大型桥梁三维施工控制测量中的应用进行了一些研究和探讨。目录第一章 绪 论11.1 概 述11.2 大跨桥梁施工工艺特点21.2.1 有支架施工法21.2.2 无支架施工法21.3 大跨桥梁三维施工控制发展现状31.4 施工控制测量的目的与意义51.5 本文主要研究工作5第二章 GPS控制网的布设与观测72.1 GPS控制网的布设72.1.1 首级GPS平面控制网基本要求72.1.2 已有平面控制点72.1.3 桥位GPS控制网布设82.1.4 GPS网基本精度要求92.2 GPS网的观测92.2.1 GPS网施测采用的仪器92.2.2 观测9第三章 GPS控制网数据处理123.1 GPS基线解算123.1.1 GPS基线解算原理概述123.1.2 基线解算的质量检核143.2 GPS网平差153.2.1 GPS网平差概述153.2.2 GPS三维无约束、弱约束平差153.2.3 二维约束平差173.2.4 两种不同地球坐标系之间的转换173.2.5 带约束条件的GPS平差183.3 杭州湾大桥GPS平面控制部分数据处理结果183.3.1 基线解算检核结果183.3.2 GPS网部分平差结果19本章小结21第四章 GPS/水准高程控制网测量224.1 概述224.2 高程控制网的布设224.2.1 桥位高程控制网布设224.3 水准测量的数据处理244.3.1 外业观测成果的概算244.3.2 水准平差计算264.4 GPS高程264.4.1 GPS高程拟合的原理274.4.2 GPS高程拟合注意事项294.4.3 GPS高程拟合30本章小结36第五章 基于三维坐标的桥梁施工375.1 三维施工控制综述与施工放样控制375.2 全站仪三角高程测量精度分析385.2.1 全站仪三角高程单向观测法385.2.2 全站仪三角高程对向观测法395.2.3 全站仪三角高程精度分析405.3 桥梁施工三维坐标定位法415.3.1 施工前测设三维坐标控制点415.3.2 施工期测定三维坐标415.4 放样点坐标计算425.4.1 局部坐标计算425.4.2 中线上放样点平面坐标计算445.4.3 坐标方位角计算465.4.4 任一点M的大地坐标计算475.4.5 高程计算49本章小结50结 论51参考文献52致 谢54第一章 绪论1.1概述桥梁（bridge）就是供车辆（汽车、列车）和行人等跨越障碍（河流、山谷、海湾或其他线路等）的工程建筑物。简而言之，桥梁就是跨越障碍的通道。“跨越”一词，突出表现出桥梁不同于其他土木建筑的结构特征。从线路（公路或铁路）的角度讲，桥梁就是线路在跨越上述障碍时的延伸部分或连接部分。为加快我国现代化建设，必然促进交通事业的发展。桥梁工程是公路、铁路建设中的重要项目，无论桥梁工程还是其它工程项目的建设与安全运营，都离不开现代测量技术作保障；目前，我国已建成的或在建桥梁遍布全国，它们的工程质量和安全运营状况急待查明，而利用现代测绘新技术是一种快速、高效的办法。实践表明：无论是在建工程还是已竣工运营工程项目，只有真正重视它们的安全监测，才能确保工程质量和它们的安全使用。随着我国国民经济的飞速发展和科学技术水平的迅速提高，在交通工程方面，各种新型的现代桥梁正在不断的建设，构成我国现代交通网络的新格局。现代新型桥梁如悬索桥、斜拉桥等，结构设计复杂，均建有很高的索塔，主桥面都为逐段焊接的钢箱梁组成，以高强度的缆索拉紧。这些桥梁的鞍座定位、索导管定位和施工线形控制等都要求极高的精度。因此，测量工作的精度对保证大桥施工与监测的高质量，确保大桥长久正常运营起着极为重要的作用。特大型桥梁跨越宽阔的水面，一些桥墩坐落在离岸边数百米甚至几公里的水中，测量的条件十分困难，而定位及安装精度又要求极高，因此必须研究现代测量技术在桥梁中的应用问题，以解决那些属于精密工程测量的关键技术难题。桥梁施工控制网建网的主要目的是：精确地放样桥梁墩台的位置及其跨越结构的各个部分，以保证实现桥梁的设计跨度和线形及其与两侧道路的正确连接，并依据控制网随时监测桥梁在施工过程中的构造变形和检查己竣工构筑物的施工质量。因此桥梁控制网是桥梁施工放样、结构变形监测和质量检查的基准。为实现桥梁控制网的上述功能，应对控制网建网过程中的坐标系统、起算数据、精度设计、点位与网型布设、施测方法、数据处理和网的质量评价等各环节进行逐项研究。1.2大跨桥梁施工工艺特点 桥梁施工是一项复杂和涉及面很广的工作，应有多种行业的技术人员和工人共同协力完成。随着科学技术的进步，施工机具、设备和建筑材料的发展，桥梁上部结构施工技术方法到今天已得到了迅速发展，发生了重大的变革，形成了多种多样的施工方法。总的来讲，根据施工时有无支架可分为：有支架施工与无支架施工两大类方法。1.2.1 有支架施工法 有支架施工方法分为落地支架，拱型支架和移动支架。落地支架和拱型支架，可以由常备式钢构件组成，配合就地灌注法，在支架上完成模板架立，钢筋绑扎，混凝土灌注，预应力张拉等作业。此施工方法对机具和起重能力要求不高，多用于中小型桥梁。1.2.2 无支架施工法无支架施工指在施工过程中不需要借助支架或者仅需要少量辅助性支架的施工方法。无支架施工法采用自架设体系借助于吊装设备施工，桥梁上部结构进行整体或分段（拼状或现浇）施工。对桥梁的分段施工，后续梁段依靠先期完成的梁段结构作为支撑，即施工中不靠支架而靠自身结构进行施工。它体现了“化整为零，集零为整”的特点。这种施工方法在高墩大跨度桥梁的施工中被广泛而又灵活的采用。无支架施工法主要有悬臂施工法，转体施工法，顶推法和整体吊装法（架桥机法）等。后三种方法又被称作“大件转移法”。（1）悬臂施工法悬臂施工法是指桥墩顶开始，两侧对称(或不对称)地分段形成梁体节段，直至全桥完成。按混凝土是现浇还是预制，此法可分为悬臂灌注法和悬臂拼装法。前者的梁段悬臂接长是采用挂篮，在桥位处就地灌注节段混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉力筋，前移挂篮，继续下一梁段的施工。后者的梁段接长则是采用吊机，吊装预制梁段就位，再张拉力筋，继续下一梁段的施工。悬臂灌注法广为应用，但对跨度不大于l00m，相同孔跨多的情况，为压缩施工周期，也可采用移动支架和平衡悬臂拼装法。悬臂施工法是大跨度桥梁（特别是梁式桥）建造的主要施工方法。它的优点是可以减少施工设备，简化施工工序，提高施工效率和施工质量，结构整体性好。悬臂施工主要应用与大跨预应力连续桥，连续刚构桥，斜拉桥。（2）转体施工法转体施工是20世纪40年代以后发展起来的一种架桥工艺。转体施工是在河流两岸适当位置，利用地形或使用简便支架将半桥预制完成，之后旋转桥梁构件，分别将两个半桥转体到桥位轴线位置合龙成桥。根据旋转的方式不同，又分为水平转体、竖直转体和平竖结合转体。目前该方法已应用到拱桥、梁桥、斜拉桥等不同桥型的施工中，大跨桥梁采用转体施工方法，可不搭设费用较高的支架，减少安装架设程序，把复杂的、技术性强的高空作业和水上作业变为岸边的陆上作业，不但施工安全、质量可靠，有利于施工控制，而且在通航河道或跨线桥的施工中可不干扰或少干扰交通，具有良好的技术经济效益和社会效益。（3）顶推法对预应力混凝土梁桥，顶推施工是在沿桥纵轴方向的后台设置预制场地，分节段预制，并用纵向预应力筋将预制节段与施工完成的梁体联成整体，然后通过千斤顶施力，将梁体向前推出预制场，之后再继续进行下一节段的预制顶推。顶推法施工，主要用于等高度梁桥(包括钢桁梁)的施工中。1990年建成的广州北站立交桥(主跨100m的预应力混凝土变高度箱梁)，为不影响铁路正常运营，成功采用顶推法架设就位。大跨度桥梁的主要施工技术方法如上所述，而对具体的某一座桥采取何种方式则要充分考虑桥位的地形、环境、安装方法的安全性、经济性等。对于无支架自架设体系施工，由于存在着体系转化、受几何非线性、材料非线性等因素的影响，施工期间结构的受力状态可能比成桥状态更为不利，于是提出了对施工阶段进行控制的要求。施工控制测量主要是为了控制大跨度桥梁的线性（几何）控制。目前，桥梁施工控制技术已得到广泛重视，逐渐发展成为一项辅助大跨度桥梁施工的重要技术。1.3大跨桥梁三维施工控制发展现状随着新桥型新结构的出现，跨度记录的不断刷新，桥梁结构日趋复杂，大跨度桥梁施工控制成为竞相研究的课题。随着我国国民经济的飞速发展和科学技术水平的迅速提高，在交通工程方面，各种新型的现代桥梁正在不断的建设，构成我国现代交通网络的新格局。例如在江苏，已经运行的南京长江第二大桥，是一座主跨628m的斜拉桥。刚建成通车的润扬长江公路大桥，其南汊位主跨1490m的悬索桥（国内最大）。已建成的苏通长江公路大桥，斜拉桥主跨1088m，全长24.8km，要跨越6 km以上的江面，将是我国跨越长江水面最大的特大型桥梁，也是目前世界上第一跨径桥梁。另外，杭州湾大桥、东海大桥、深圳湾大桥等，这些新型桥梁的修建，对沟通大江南北，形成现代交通网络起着极为重要的作用，对国民经济可持续发展有着至为关键的意义。现代桥梁是指那些主跨跨度超过200 m的特大型悬索桥、斜拉桥、连续刚构桥和拱桥等，这些桥梁的共同特点是：建设规模大、桥型新、结构新颖、施工工艺复杂、跨度大、桥面高和工期长，随着科学技术的发展，为这些桥梁施工控制服务的桥梁施工平面控制网，其建网方法也在不断地更新。目前利用GPS 进行测试的新手段，在桥梁高层结构上进行实地测试，获得了成功，GPS以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,对经典大地测量学以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响。建立桥梁施工测量控制网是整个建桥工程工作的一个主要组成部分，桥梁控制网的作用是为施工测量提供一个统一的基准，确保桥梁的顺利合拢，因此测量控制网的精度直接关系到整个建桥工程的质量。特别由于现代大型桥梁存在较多的安装测量，精度相对较高。桥梁控制测量一般分为平面控制测量与高程控制测量。一般根据桥位区的地形以及桥梁的具体特点选定一些具有控制作用的点构成一定的网型，称为桥梁平面控制网与高程控制网。桥梁控制网与常规的工程控制网相比，具有以下一些特点:（1）控制范围小，点位密度大，精度要求高桥梁施工的区域一般在几平方公里到几十平方公里，桥梁平面控制网的布测范围一般纵向在0.210.0km，横向在0.12.0km。由于在这样一个小范围内，需要进行桥墩基础、承台、塔柱、梁等构筑物的建设，因此需要有较稠密的控制点，以满足施工期的放样工作需要。（2）控制点使用频繁从施工初期到竣工验收的施工全过程，桥梁施工控制点反复使用可达几十次之多，从轴线的放样，墩台基础的开挖及浇筑升高，到上部结构的安装，通常都直接依据控制点进行。这样一来，布设控制网时，就应考虑点位的稳定性，使用的方便性，以及施工期间保存的可能性等问题，并做好护桩工作及经常性检查工作。（3）受施工干扰大施工现场工种多，交叉作业，车来人往，妨碍了控制点间的相互通视。因此，测量工作要按计划进行，抓住有利时机迅速作业，注意人员和仪器设备的安全。控制点应分布恰当，适当加密，供放样时选择使用。（4）桥梁控制网的平面控制通常分两级布设第一级控制网主要控制桥的轴线;施工中，为了满足放样每个桥墩的需要，在第一级下需要加密一定数量的加密点，构成第二级控制。由于放样桥墩的精度要求较高，故加密控制网的精度也应满足施工放样的精度要求（5）桥梁高程控制网主要是提供施工时高程系统统一的控制点，使两端线路高程准确衔接，同时为满足高程放样高度的需要服务。1.4 施工控制测量的目的与意义随着我国经济建设的快速的发展，公路铁路桥梁建设也得到了迅速的发展。在桥梁建设方面，特大型，大跨度桥梁建设项目也越来越多。特别是大型斜拉桥和悬索桥施工技术和管理水平的提高，建设大跨径的桥梁成为我国桥梁施工的主要目标。高墩大跨桥梁的建设过程是一个系统工程，体现了多学科紧密结合的特点，施工测量是大型桥梁建设中的一个重要的组成部分。由于桥梁施工控制网是桥梁施工的基准，施工测量工作是其他施工的先导。因此，施工控制网的质量直接影响到工程的整体质量。 桥梁施工控制测量主要是精确的放样桥梁墩台的位置及其跨越结构的各个部分,以保证实现桥梁的设计跨度和线形及其与两侧道路的正确连接并依据控制网随时监测桥梁在施工过程中的构造变形和检查已竣工构造物的施工质量,它是桥梁施工放样,变形监测和质量检查的基准。1.5 本文主要研究工作查阅文献资料，总结高墩大跨度桥梁的分类以及发展现状，阐述高墩大跨径桥梁的施工工艺；结合大跨径桥梁的结构特点，运用控制测量理论，阐述高墩大跨度桥梁的三维施工控制测量的理论及方法；结合现代测量技术及仪器的快速发展，提出对于高墩大跨度桥梁的施工控制测量新的方法。1）查阅资料，了解现代大型桥梁施工建设发展方向。2）掌握桥梁三维施工控制测量的基本原理及特点。3）掌握高蹲大跨桥梁三维施工控制网的布设及施测方法、所需的精度要求、精度分析及数据处理。根据GPS基本原理及技术，建立大型桥梁GPS控制网，并对GPS在平面控制测量以及GPS在江河湖海水准测量进行精度分析与论证。4）分析全站仪平面控制以及三角高程精度；对桥梁进行线形控制，推导了位于平、竖曲线上的桥梁结构物放样点的三维坐标计算公式。5）结合杭州湾大桥工程实例，探讨高蹲大跨桥梁在施工建设中的关键问题。第二章GPS控制网的布设与观测 杭州湾大桥工程桥位地处杭州湾中游南北两岸。北岸位于杭嘉湖平原东部的海盐县郑家棣，南岸位于宁绍平原北边的慈溪市庵东镇。桥区地势平坦、海面开阔，水面宽近30千米，其作为桥梁的跨海宽度居亚洲之最、世界罕见。桥区地理位置见附图1杭州湾大桥位置示意图。大桥工程跨度大;主轴线弯曲、超长且无法通视。因此，首级平面控制网采用当今国际最先进的全球卫星定位系统(GPS)测量技术，布设GPS控制网。2.1 GPS控制网的布设2.1.1首级GPS平面控制网基本要求首级GPS平面控制网要求按公路全球定位系统（GPS）测量规范（JTJ/T066-98）中一级GPS控制网的技术指标进行布设，但考虑到本工程跨度大、难度高的特点，在控制网设计时，参照全球定位系统(GPS)测量规范（GB/T 18314-2001）中GPS B级网的精度指标要求，对外业施测和内业数据处理等技术环节均适当提高技术指标。在外业数据采集时，采用高精度双频GPS接收机静态相对定位作业模式。并在GPS观测的同时，采用精密测距仪加测同岸可通视的较短基线边长，用以检核GPS基线尺度，并根据实际施测情况，考虑将精密测距边长值按一定的观测权重，参与GPS网的联合平差计算。2.1.2已有平面控制点桥区两岸国家平面控制资料情况如下:北岸平面控制点4个：GPS B级点陈山油校、陈山、瓦山、独山。该4点点位均完好,可以利用。GPS B级点陈山油校，属国家高精度GPS点，由国家测绘局1996年施测，1997年完成数据处理。该点位于平湖市乍浦镇陈山码头内，与陈山油校水准点重合。陈山，属1954年总参测绘局施测的青浦余姚二等基本锁。按菲列罗公式计算的精度为1.14、平差后为1.01。独山 ，属1955年1957年总参测绘局、江苏省水利厅施测的杭州区、太湖区二、三、四等补充网。按菲列罗公式计算的精度为2. 403. 20 ，平差后2. 23 。瓦山，与独山属同一个三等三角网。南岸平面点4座，小安村、胜山、北山、马家路南。该4点点位均完好，可以利用。小安村，属仙居区二等三角网（简称新二网）。由南京军区测绘大队于1973年8月至1978年8月施测。该网按菲列罗公式计算的精度为0. 71 ，平差后精度为1. 00。胜山，与小安村属同一个二等三角网。北山，与小安村属同一个二等三角网。马家路南，属1955年总参测绘局施测的杭州区二、三、四等补充网。在1973年8月至1978年8月新二网改造中未被利用。按菲列罗公式的精度为1. 78，平差后精度情况不详。从己有平面控制资料分析，南京军区测绘大队于1973年8月1978年8月施测的仙居区二等三角网成果精度为最高。总参测绘局于1954年施测的青浦一余姚二等锁为其次。其它三、四等三角点成果精度都较低。由于原二等锁中的锁小安村与现在实地的新二网三角点小安村不属同一点位。所以小安村与陈山也不属一个锁网系统。考虑到已有平面控制点精度情况，平面起算基准采用：小安村、北山。用陈山作为检核点。2.1.3桥位GPS控制网布设桥位两岸无法通视，因此大桥平面控制网采用全球卫星定位技术(GPS)布设，测量方式采用高精度静态相对定位模式。同时，利用常规测量手段相辅助。由于两岸跨度大，设立的桥位控制点既要满足布网要求，同时还须满足施工放样的要求，势必形成布网长短边相差较大的现象(跨杭州湾水面的GPS边长有30公里左右，同岸满足施工放样要求的GPS边长为2公里左右，边长相差较大),此比例达到1/15，构成的网不利于提高点位精度。利用常规测量方法作为辅助手段，用高精度测距仪加测部份边长，检核GPS基线，验证GPS基线尺度，可直观地反映测量的元素及精度。起算基准:II小安村、II北山。用II陈山作为检核点。GPS平面控制点也即首级GPS控制网基本点18座。另外,还将2个桥位轴线桩、1个国家GPS B级点和1个北岸水准基准点共4座控制点，也纳入首级GPS网内，总计全网有22个控制点。首级GPS控制网布设图见附图2。按控制点点号，具体平面控制点点位为;南岸首级控制点：HTS02、HTS03、HTS04、HTS05、HTS06、HTS07、HTSO1、HTS10、HTS08、HTS09及HTS22,总共11点。北岸首级控制点：HTS12、HTS13、HTS14、HTS15、HTS16、HTS18、HTS11、HTS17及HTS19、HTS23、HTS20等，总共为11点。其中，位于桥轴线附近的控制点南、北各4座，南岸为HTS03、HTS04、HTS05、HTS06，北岸为HTS13、HTS14、HTS15、HTS16。2.1.4 GPS网基本精度要求考虑到工程的精度需要及所采用仪器设备、技术条件等影响实际精度的多种因素，首级GPS平面网的精度指标按全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 18314-2001)中GPS B级网相邻点间弦长的标准差指标10要求确定： （2-1）式中：标准差，mm；固定误差，GPS B级网为8mm，现提高到6mm；比例误差，GPS B级网为1ppm，可取0. 81ppm；相邻点间距，km。即取相邻点间弦长的标准差允许值在实际施测过程中，通过对GPS网采取一系列的数据精化处理措施，可有效地提高整网的实际精度。GPS网相对于起算点的点位中误差应不超过20mm。2. 2 GPS网的观测2. 2. 1 GPS网施测采用的仪器GPS测量要求使用34台标称精度不低于为5mm+1ppmD的双频GPS接收机进行观测。实际使用4台标称精度为5mm+1ppmD的美国产Trimble5700双频GPS接收机进行观测。同岸可通视的短基线边测距，应使用测距标称精度不低于1mm+1ppmD的高精度光电测距仪(如徕卡DI2002型精密光电测距仪、ME-5000精密光电测距仪)或同等测距精度的电子全站仪。实际使用一台徕卡DI2002型精密光电测距仪进行短基线边测距。2.2.2观测在控制点标石埋设完毕后，应使其稳定一段时间，经过一个雨季，使之稳固后再进行观测。为了提高GPS观测的精度与可靠性，GPS点间应构成一定数量的由GPS独立基线构成的非同步闭合环，使GPS网有足够的多余观测。考虑到杭州湾大桥工程桥位控制网的精度要求与用途，计划平均每点设站率N3，尽量增加多余观测基线，使得每条基线得到充分检核，提高整网的可靠性。(1)观测准备： a) 对所用观测仪器进行检验。b) 利用GPS有关软件，查阅测区卫星可见性预报表，合理选择最佳观测时段。c) 根据观测要求、卫星可见性预报表、各点的周围环境及交通状况制定详细的工作计划、工作日程、人员调度表、观测要求一览表等。(2) GPS观测：GPS作业方式采用静态相对定位模式。GPS观测须满足以下有关条件：(a)观测要求：表2-1 GPS测量作业基本技术指标表项目指标卫星截止高度角15数据采样间隔=15有效卫星观测个数6观测时段长度小于30公里基线 2 hour大于30公里基线 6 hour与IGS跟踪站联测基线 24 hour平均重复设站数 3GDOP值 6GPS测量作业基本技术要求见表2-1。(b)观测组严格按照调度表规定的时间作业，保证同步观测同一卫星组。(c)对设有观测墩的控制点进行强制对中，对联测的国家点用经检验的光学对中器对中。为消除天线相位中心偏差对测量结果的影响，安置天线须严格整平，使天线标志线指北，定向误差不大于5。(d)天线高测前、测后各量测一次。量测时，须使用厂家配套的天线高量测尺,将钢尺尽可能垂直拉紧，准确量取，估读到 0.1mm，并且其互差不得大于1mm。(e)在进行首级GPS网观测时，须在每时段的始、中、终各观测一次气象元素并进行准确记录。以备需要时，可用以修正气象条件(如电离层与对流层延时)对GPS基线观测值的影响。( f )在测量过程中，对每个测站进行认真记录（包括气象记录），记录手簿参考GPS测量规范。( g )当联测有电磁波干扰的点位时，须采取相应措施。如联测有雷达干扰的陈山点，应选择在其停机期间作业。实际观测时，通过建设单位与当地驻军部队联系，在GPS观测时雷达停机，以保证GPS观测数据质量。本章小结本章对杭州湾大桥工程首级GPS平面控制网的布设与观测的相关技术实施方案进行了详细的分析，细致的布网方案、观测方案和高质量的观测数据是控制网成功的关键。需要说明的是，在GPS网形设计和观测方案的制定时，顾及了GPS在大型桥梁工程控制网应用的特点，以确保观测的可靠性和高精度。第三章 GPS控制网数据处理3.1 GPS基线解算3.1.1 GPS基线解算原理概述GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系,即测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的,常规测量中的基线只有长度属性，而GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果，也是进行GPS网平差，获取最终点位的观测值。3.1.1.1观测值基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。双差观测值可以表示为下面的形式： (3-1)其中：为双差分算子(在测站，和卫星、求差)；为频率的双差载波相位观测值；为频率的双差载波相位观测值的残差(改正数)；为观测历元。时的站星距离;为电离层延迟；为对流层延迟；为频率f的载波相位的波长；为整周未知数。若在某一历元中，对k颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k-1个双差观测值；若在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为则整周未知数的数量为。在进行基线解算时，和一般并不作为未知参数，而是通过某些方法将它们消除。因此，基线解算时一般只有两类参数，一类是测站的坐标参数数量为3；另一类是整周未知数参数(为同步观测的卫星数)，数量为。3.1.1.2基线解算基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）;在第二阶段，将整周未知数固定成整数;在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解一整数解（固定解）。1）初始平差根据双差观测值的观测方程（需要进行线性化），然后按最小二乘法则组成法方程.求解待定的未知参数其精度信息，其结果为：待定参数：待定参数的协因数阵：单位权中误差：通过初始平差,所解算出的整周未知数参数本应为整数，但由于观测值误差、随即模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。2）整周未知数的确定确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以搜索法为基础的，包括以下三类： 1.在观测值域内的搜索技术，比如由Melbourne和Wuebbena提出的双频P码伪距法。2.在坐标域内的搜索技术：主要指由Counselman &Gourevitch（1981）和Remondi（1984）提出的模糊度函数法。3.在估计的模糊度域内的搜索技术:基于整数最小二乘理论，包括FARA（Frei & Beutler,1990）, Cholesky分解法（Landau&Euler， 1992）、最小二乘模糊度搜索技术（Hatch, 1990）、快速模糊度搜索滤波FASF法（Chen,1993）, LAMBDA方法(Teunissen, 1993,1994)等。当前的模糊度方法多采用第三类，最常用的方法是FARA, LAMBDA方法。3) 确定基线向量的固定解当确定了整周未知数的整数值后，将整周未知数的固定值回代到模型中重新平差，获得其他参数的高精度估值，称为固定解。3.1.2 基线解算的质量检核为了评价GPS测量精度及可靠性，在基线解算后，计算检验了同步环闭合差、异步环闭合差及重复边闭合差。3.1.2.1同步环检核当环中各边为多台接收机同步观测时，由于各边是不独立的，所以其闭合差应恒为零。但是由于模型误差和处理软件的内在缺陷，使得这种同步环的闭合差实际上仍可能不为零。此时进行同步环检核。3.1.2.2异步环检核无论采用单基线模式或多基线模式结算基线，都应在整个GPS网中选取一组完全独立基线构成独立环，进行异步观测环检核。各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式：3.1.2.3复测基线检核同一条基线边若观测了多个时段，则可得到多个边长结果。这种具有多个独立观测结果的边就是重复观测边。此时应进行重复观测边的检核。对于重复观测边的任意两个时段的成果互差，均应小于相应等级规定精度（按平均边长计算）的倍。3.2 GPS网平差3.2.1 GPS网平差概述经过基线解算可以获得具有同步观测数据的测站间的基线向量,为了确定GPS网中各个点在某一坐标系统下的绝对坐标，需要提供位置基准、方位基准和尺度基准，而GPS基线向量只含有在WGS-84下的方位基准和尺度基准，而布设GPS网的主要目的是确定网中各个点在某一特定局部坐标系下的坐标，这就需要通过在平差时引入该坐标系下的起算数据来实现。当然，GPS基线向量网的平差，还可以消除GPS基线向量观测值和地面观测中由于各种类型的误差而引起的矛盾。根据平差进行时的坐标空间性质，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差，根据平差时所采用的观测值和起算数据的类型，可将平差分为无约束平差、约束平差和联合平差等。3.2.2 GPS三维无约束、弱约束平差GPS网三维无约束平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行,平差时不引入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件。在平差时若引进一个己知的WGS84坐标点，则称为弱约束平差。弱约束平差同样不会产生由非观测量所引起的变形。3.2.2.1 GPS网的三维无约束和弱约束平差的主要作用1）评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差。2）得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标。 3）为将来进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据。3.2.2.2 GPS网的三维无约束和弱约束平差的基本原理GPS网三维无约束平差中所采用的观测值为基线向量，即GPS基线的起点到终点的坐标差，因此，对于每一条基线向量，都可以列出如下的一组观测方程： （3-2）与此相对应的方差一协方差阵、协因数阵和权阵分别为： （3-3） （3-4） （3-5）为先验的单位权中误差。平差所用的观测方程就是通过上面的方法列出的，但为了使平差进行下去，还必须引入位置基准。以GPS网中一个点的WGS-84坐标作为起算的位置基准，即可有一个基准方程： （3-6）根据上面的观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到平差结果。待定点坐标参数： （3-7）单位权中误差： （3-8）其中为组成GPS网的基线数，为基线数。协因数阵：平差后单位权方差的估值应与平差前先验的单位权方差一致，判断它们是否一致可以采用检验。原假设H0：=，备选假设H1：若：其中为显著性水平，则H0成立；反之，则H1成立。3.2.3二维约束平差二维约束平差一般在一个平面坐标系下进行。平差所采用的观测量除了GPS基线向量外，有可能还引入了常规的地面观测值，这些常规的地面观测值包括边长观测值、角度观测值、方向观测值等;平差所采用的起算数据一般为地面点的二维平面坐标，除此之外，有时还加入了己知边长和己知方位等作为起算数据。GPS网由基线向量构成,其结果是基于世界大地测量坐标系WGS-84的。各个国家 （或地方）采用各自的参心坐标系，因此GPS网成果存在网平差与坐标系转换两个问题。我国目前采用两个大地坐标系，一个称作1954年北京坐标系，另一个为1980西安坐标系，他们都是参心坐标系。1954年北京坐标系是解放初建立的,与原苏联1942年所建立的坐标系一致，沿用克拉索夫斯基椭球体，主要几何参数为：长半轴a=6378245m,短半轴b=6356863.0188m，扁率1/f=298. 3。我国原有的大地测量成果都是基于这一系统的。1980西安坐标系是进行全国天文大地网整体平差而建立的新坐标系。相应的参考椭球采用国际大地测量学与地球物理学会（IUGG）1975年大会推荐的几何参数： a=6378140m，b=6356755.2882m， 1/f=298. 257，大地原点在陕西径阳县永乐镇。椭球短轴（Z轴）平行于地球地轴（由地球地心指向1968.0地极原点（JYD1968.0）的方向构成）；大地起始子午面平行于格林尼治平均子午面;X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直并指向经度0方向；Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。3.2.4两种不同地球坐标系之间的转换GPS网无约束平差是基于WGS-84坐标系的，而实用的坐标系是国家(或地方)采用的参心坐标系。所以，将GPS网成果由WGS-84坐标系转换为参心坐标系这是常见的问题。转换的方法之一是已知两个坐标系之间转换参数情况下的转换。现以（），（），（）表示平移、尺度因子、旋转参数，如在WGS-84坐标系下的某点坐标为()；相应在参心坐标系下的坐标为()，他们存在如下的转换关系：、分别为关于Wz, Wy, Wx的旋转矩阵。这就是著名的Bursa-wolf模型。此模型的前提是必须提供两个坐标系之间的转换参数。求定转换参数的方法，一种是由国家建立高精度GPS大地控制网，由具有国家坐标的若干公共点求出两个坐标系的转换参数。另一种方法是在地方网点上同时测定WGS-84系下的坐标。3.2.5带约束条件的GPS平差实现GPS网坐标转换的另一种方法是在GPS观测的同时，联测一定数量的国家（地方）已知控制点,或者另外附加己知边长、方位角作为约束条件。按给定约束条件有下列情况：提供一个己知点，一个已知方向的必要约束。此方式是将GPS网尺度经参心椭球校准后，将其转换到国家(地方)坐标系。提供两个已知点（或一个已知点、一条已知边、一个已知方位角），这是按原国家(地方)坐标系下的点位、尺度、方向三个基准，将GPS网转换为国家(地方)坐标系成果。提供更多的联测点和更多的已知边长、己知方位角，增加约束条件。约束平差可以在三维空间直角坐标系统下进行，但通常是在高斯平面上进行。具体采用带约束条件的间接平差方法来实现。桥位首级GPS控制网平面坐标系统的确立与转换主要有如下三种坐标系：a)采用ITRF坐标框架坐标系；b)转换至1954年北京坐标系成果；c)转换至工程地方坐标系成果。坐标转换和GPS网二维约束平差均在PowerADJ软件中进行。这个方法通过坐标转换和网平差，可同时得到坐标结果和精度评定指标。3.3 杭州湾大桥GPS平面控制部分数据处理结果3.3.1基线解算检核结果基线结算结果如下表：表3-1 基线同步环闭合差量值分布表项目环闭合差分布情况环闭合差值的分布区间01/3允1/3允1/2允1/2允允 允环闭合差所在区间的数量84420环闭合差所在区间的百分比93.3%4.5%2.2%0表3-2 基线异步环闭合差量值分布表项目环闭合差分布情况环闭合差值的分布区间01/3允1/3允1/2允1/2允允 允环闭合差所在区间的数量19240180环闭合差所在区间的百分比76.8%16.0%7.2%0表3-3 复测基线较差量值分布表项目环闭合差分布情况DS值的分布区间01/3允1/3允2/3允2/3允允 允DS所在区间的数量28000DS所在区间的百分比100%000各种检核结果表示，外业施测结果均满足限差要求，观测成果质量可靠。3.3.2 GPS网部分平差结果以固定HTS01,HTS10(中央子午线为东经12000)平差为例。以小安村(HTS01)、北山(HTS10)为起算点，东经12000，为中央子午线，在1954年北京坐标系下进行二维约束平差。其中小安村(HTSO1)与北ELI (HTS 10)均有己知的1954年北京坐标系坐标值。表3-4 已知起算点坐标HTS01HTS10X坐标(m)*50.840*97.970Y坐标(m)*02.050*34.930平差结果和精度分析报告如表3-5：表3-5 二维约束平差统计结果点号X坐标中误差(cm)Y坐标中误差(cm)点位