临吉高速公路控制测量技术研究

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内容摘要：高速公路测量控制网在施工过程中越来越重要，在整个施工中起着至关重要的作用。总结和阐述了平面及高程控制网的建立方法及应用。

临吉高速公路S26合同段起止里程为K266+205～K269+260,主线全长约为3.055KM。本标段主要为黄河大桥，本桥为青岛至兰州公路山西境临汾至吉县高速公路跨越黄河而设。桥址位于山西省临汾市吉县与陕西省延安市宜川县之间的吉县苇子湾，东距吉县县城19KM；西距宜川县城49KM,沿黄河上溯11.6KM为壶口瀑布。地理坐标为北纬36度03分，东经110度28分。

根据本标段情况，D级GPS控制点共交9个，其中V289为相邻标段的控制点，为了检查与相邻标段进行平顺性检查。四等水准点9个（Km），保存完好，加密施工控制点12个，加密点选在不易受工程、自然因素影响的地方，埋石稳固，通视良好。

平面坐标系统采用北京54坐标系统，中央子午线为110°40′，投影高程面为900m，高程系统采用1985国家高程基准。

一、平面控制网技术

1、全球定位系统（GPS）概述

GPS又叫全球定位系统，根据其定位模式可以分为绝对定位和相对定位。绝对定位是以地球质心为参考点，确定接收机天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需一台接收机工作，因此又称为单点定位。由于单点定位结果受卫星星历误差、信号传播误差及卫星几何分布影响显著，所以定位精度较低。一般适用于低精度的测量领域，例如车辆、船只、飞机的导航、地质调查及林业调查等。

GPS绝对定位主要是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来确定接收机天线在协议地球坐标系中的位置。动态绝对定位是确定处于运动载体的接收机在运动的每一瞬间的位置，由于接收机天线处于运动状态，故天线点位的坐标是一个变化的量，因此，确定每一瞬间坐标的观测方程只有极少的多余观测。因此，其精度较低，一般仅有几十米的精度，在SA政策影响下，其精度甚至低于百米。通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地的导航。

由于在GPS绝对定位(或单点定位)中，定位精度将受到卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等因素的影响，虽然其中一些系统性误差可以通过模型加以削弱，但改正后的残差仍是不可忽略的。GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS测量中定位精定最高的定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究及精密导航中。

静态相对定位的主要任务是求解基线向量，它的计算程序是：利用三差求解出近似的基线长度，再利用浮动双差法求解出整周未知数和基线向量，而且对于短基线，通常还将整周未知数凑整后，再由双差求解出更精密的基线矢量。载波相位测量，特别是利用载波相位观测值求差进行的相对定位测量具有很高的精度。但是，这种高精度是以正确求定整周未知数和彻底消除周跳为前提的。因此，无论是整周未知数确定的不正确，还是周跳没有消除干净，一个整周数值的错误，就将产生0.2m的误差。

平面控制网采用全球定位系统（GPS）进行，GPS外业使用4台标称精度为3±0.1ppm・D（mm）的徕卡GX1230 GPS接收机采用静态相对定位的原理进行数据采集。对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以GPS网相邻点间弦长标准差来表示，即：

式中：―― 标准差（基线向量的弦长中误差，mm）；

a ―― GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）；

b ―― GPS接收机标称精度中的比例误差系数（1×10-6）

d ―― 相邻点间的距离（km）。

2、外业观测

观测前应该编制GPS卫星的可见性预报图：在高度角>15°的限制下，输入测区中心某一测站的概略坐标，输入日期和时间，应使用不超过20天的星历文件，即可编制GPS卫星的可见性预报图。观测时严格按《公路勘测规范》JTG C10－2007中四等网和本工程的技术设计的有关要求进行，GPS观测的主要技术指标如下：

---同步观测健康卫星数≥4；

---几何图形强度因子PDOP≤8；

---卫星截止高度角：15°；

---观测时段长度：≥60分钟；

---平均重复设站次数≥1.6；

---历元采样间隔：15秒；

---天线对中精度：脚架≤2mm；

采用边连式布网，边连式是指通过一条公共边将两个同步图形之间连接起来，边连式布网有较多的重复基线和独立环，有较好的几何强度, 能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，能有效地发现粗差，与点连式比较，在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。观测人员到达观测点后，应查看周围的观测环境，附近（方圆约200m）如有大功率无线电发射台、高压输电线、大面积的水域等，应将这些情况记录在记录手簿中的备注栏里，避免产生多路径效应，多路径效应是指接收机天线除直接接收卫星的信号之外，尚可能接收到天线周围物体或地面反射的卫星信号。两种信号的叠加将引起天线相位中心位置的迁移，从而使观测量产生误差。

接收机天线相位中心相对测站（标石）中心位置的误差，叫天线安置误差，包括天线的置平和对中误差、量取天线高误差。如：当天线高度为1.6m，置平误差为0.1°时，可能会产生对中误差3mm。因此观测前严格对取中整平，从3个方向量量取天线高取平均作为天线的斜高，对两个时段之间不需要搬站的测站均把基座转动180°后重新对中整平，防止了对中整平粗差的出现。在观测过程中要注意记下以下内容：测量员、点名、点号、观测日期、观测时间段、数据文件名、天线高、卫星状况等。

3、内业平差计算及精度分析

外业做完后，首先要进行数据传输，在传输数据时，先检查软件中的各项设置，查看GPS类型、天线类型、天线高的量测方式等是否设置一致，本次使用的GPS是徕卡GX1230，天线类型为AX1202，天线高度为斜高，基线解算及平差计算采用LGO软件进行。软件自动改化到相位中心高度，然后进行基线解算，基线处理完成后，应对其结果做一下分析和检核：

(1)观测值残差分析

平差处理时假定观测值仅存在偶然误差。理论上，载波相位观测精度为1％周，即对L1波段信号的观测误差只有2mm。因而当偶然误差达1cm时，应认为观测值质量存在系统误差或粗差。当残差分布图中出现突然的跳变时，表明周跳未处理成功。

(2)基线长度的精度

处理后基线长度中误差应在标称精度内。多数双频接收机的基线长度标称精度为5±1ppm・D（mm），单频接收机的基线长度标称精度为10±2 ppm・D（mm）。

(3)基线基线向量环闭合差的计算及检核

由同时段的若干基线向量组成的同步环和不同时段的若干基线向量组成的异步环，其闭合差应满足规范要求：

a：同步环各坐标分量闭合差W应小于下列数值：

WX≤/5WY ≤/5 WZ≤/5

W≤/5

b：若干条独立基线构成闭合环时，异步环各坐标分量闭合差应符合以下要求：

WX≤3WY ≤3 WZ≤3

W≤3

c：重复观测基线的成果互差，应满足：

ds≤2

对于不合规范要求的，查出超限原因，剔除有粗差的基线，若发现有问题的基线，还可以查看各点接收到的卫星状况及其他有关部因素，以查找原因，确定此基线是否重新解算还是重测。当由于点位不符合GPS测量要求而造成一个测站重复观测仍不能满足限差的要求时，则应按技术设计要求重新选择点位进行观测。

GPS定位成果属于WGS―84大地坐标系，而实用的测量成果是属于国家坐标系或地方坐标系，因此必须解决成果的坐标转换问题。如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般应该了解以下参数：

(1)所采用的参考椭球；

(2)坐标系的中央子午线经度；

(3)纵横坐标加常数；

(4)坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；

(5)起算点的坐标值。

基线解算合格后应先进行三维无约束平差，主要目的：考察GPS基线向量网本身的内符合精度以及考察基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，其平差应不引入外部基准，或者引入外部基准，但并不会由其误差使控制网产生变形和改正。

在进行约束平差时，约束点最好选择能覆盖测区范围的点。对于约束点的选择，要求约束点的精度符合规范要求，联合平差或约束平差成果的精度分析：主要考察各类观测值的改正数的分布是否有明显粗差，平差坐标、点位误差、转换参数、单位权中误差是否通过统计检验，边长相对精度是否满足设计的精度要求等等。

约束点的精度分析见下表：

约束点的精度分析（距离对照表）

点号 设计边长 实测边长 边长较差(mm) 相对中误差

从上表可以看出，本次控制测量所选取的约束点均具有相当高的精度，可以作为已知点进行约束。（约束点为下图中黑色点位，均匀分布在本网中）

GPS控制网图

根据本次平面控制网的测量及内业平差计算得出：平面控制网精度各项指标均达到规范要求，所有同步环、异步环均有较高的精度，基线边相对中误差均达到四等规范要求，环相对中误差最大为1:195746（环 7：V287, LJ09，V285），环相对中误差最小为1:25721265（环30 ：V280，LJ02，LJ01），本次复测结果与设计较差最大X=4.4mm，(V282); Y=-2.3mm，（V283）。点位误差最大的为4.4 mm，(V282)。

二、高程复测技术

高程控制网采用全站仪三角高程对向观测方法，减少竖盘指标差的影响，观测四个测回,观测时严格按《公路勘测规范》JTG C10－2007中四等网和本工程的技术总结的有关规范进行，并在平差时将加密的高程控制点纳入到测段中进行严密平差。平差采用武汉大学的科傻软件进行。

光电测距三角高程测量的主要技术要求

测量等级 测回内同向观测高差较差（mm） 同向测回间高差之差（mm） 对向观测高差之差（mm） 附和或环线闭合差（mm）

四等 8 10 40 20

五等 8 15 60 30

在架设好仪器后要精确量取仪器高跟觇标高，仪器高是指仪器水平轴到测站点中心标石上标志的高度；觇标高是指垂直角观测时，照准部位到照准点中心标石上标志的高度。仪器高和觇标高可以直接用钢尺量至毫米，量测3次，取平均数记入手簿中。

水准网图

根据高程控制网的测量及内业平差计算得出：本次高程网以V289为起点，以V280为终点，全线贯通形成附和网，高程网复测闭合差40.5421 (mm),允许闭合差为20 =47.8（mm），达到规范要求，高差较差最大-18.1mm，（V280至V281）,允许差值为40=25.5（mm），高程最大差值10.3mm，（V282）。

测量成果中导线点三维坐标全部达到规范要求，根据规范，在施工过程中使用设计提供的坐标，加密点使用本次复测坐标。

高速公路测量工作是施工中的关键环节，控制网建设的成功与否直接影像整个工程的进度、质量，本次控制网的实施解决了平面和高程控制网的布设、观测、平差、计算等关键问题，给工程的顺利进行打下了良好的基础。