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        高速鐵路CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)常見(jiàn)問(wèn)題分析

        2018-02-27 07:47:40劉祖軍
        西部交通科技 2018年12期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        劉祖軍

        (廣西柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545007)

        0 引言

        目前我國(guó)的高速鐵路施工及運(yùn)營(yíng)平面控制網(wǎng)主要分為三級(jí),按照分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則,建立以框架控制網(wǎng)CP0為坐標(biāo)起算基準(zhǔn)的測(cè)量控制網(wǎng):第一級(jí)是基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ,主要為下級(jí)平面控制網(wǎng)提供起閉的基準(zhǔn);第二級(jí)是線(xiàn)路平面控制網(wǎng)CPⅡ,是勘測(cè)、施工階段的線(xiàn)路平面測(cè)量的基準(zhǔn);第三級(jí)是軌道控制網(wǎng)CPⅢ,一般在線(xiàn)下工程施工完成后進(jìn)行施測(cè),是軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基準(zhǔn),其起閉基準(zhǔn)主要為CPⅡ控制點(diǎn)及少量的CPⅠ控制點(diǎn)。其中CP0控制點(diǎn)間距為50km左右,CPⅠ控制點(diǎn)間距≥4km,CPⅡ控制點(diǎn)位間距≥800m。測(cè)量一般均采用衛(wèi)星相對(duì)靜態(tài)定位方法施測(cè)??梢?jiàn)在線(xiàn)下工程平面施工控制中,CPⅡ控制網(wǎng)點(diǎn)是最主要、最常用的點(diǎn)位,保證CPⅡ控制點(diǎn)的位置穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠,是高速鐵路線(xiàn)下工程施工控制測(cè)量的關(guān)鍵所在。

        1 復(fù)測(cè)常見(jiàn)問(wèn)題分析

        CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,確保其位置正確的最有效途徑。CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)的點(diǎn)位不僅僅局限于CPⅡ控制點(diǎn),還包括部分CPⅠ控制點(diǎn)及為方便施工測(cè)量而加密的與CPⅡ控制網(wǎng)整體平差的施工控制點(diǎn)。因CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)涉及到較多的內(nèi)容,也會(huì)遇到很多問(wèn)題,現(xiàn)就遇到的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行探討。

        1.1 復(fù)測(cè)儀器的選擇

        現(xiàn)行的高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范規(guī)定,CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)當(dāng)采用GNSS時(shí),必須采用雙頻GNSS接收機(jī)進(jìn)行。

        目前在工程測(cè)量中采用的GNSS(主要為GPS)接收機(jī)有單頻及雙頻之分,一般同品牌的雙頻接收機(jī)的價(jià)格要高出單頻接收機(jī)數(shù)倍。在一般工程測(cè)量中,雙頻接收機(jī)主要在RTK(Real Time Kinematic)中使用,而靜態(tài)相對(duì)測(cè)量中大量使用單頻接收機(jī)。那么,高速鐵路CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量為什么規(guī)定要采用雙頻接收機(jī)呢?主要原因是雙頻接收機(jī)可以很好地消除電離層延遲產(chǎn)生的測(cè)量誤差,而單頻接收機(jī)卻不能。

        事實(shí)上,對(duì)于兩個(gè)距離較近的接收機(jī),電離層的影響在各自所處的位置上幾乎是一樣的,這樣通過(guò)差分處理就可以消除電離層給測(cè)量帶來(lái)的誤差,在這種情況之下,使用單頻接收機(jī)或雙頻接收機(jī)都是一樣的。只有當(dāng)兩臺(tái)接收機(jī)的位置相對(duì)較遠(yuǎn)(10km以上)時(shí),各個(gè)接收機(jī)(測(cè)站)所在地的GPS信號(hào)所通過(guò)的大氣才有很大的不同,這時(shí),采用雙頻接收機(jī),同時(shí)接收L1、L2載波的信號(hào),利用兩頻率對(duì)電離層延遲的不一樣,通過(guò)結(jié)合兩個(gè)頻率的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)信息,可以建立模型,消除電離層對(duì)電磁波延遲的影響,從而消除由電離層帶來(lái)的測(cè)量誤差。因此,單頻機(jī)適宜短基線(xiàn)測(cè)量,對(duì)于一般工程測(cè)量具有良好的性能價(jià)格比;雙頻機(jī)能以L(fǎng)2觀(guān)測(cè)值修正電離層折射影響,適宜中、長(zhǎng)基線(xiàn)測(cè)量。在CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)中,由于在同步環(huán)中要聯(lián)測(cè)部份CPⅠ控制點(diǎn)甚至個(gè)別CP0控制點(diǎn),使得基線(xiàn)長(zhǎng)度可能超過(guò)20km或更長(zhǎng),為保證測(cè)量精度符合規(guī)范規(guī)定,必須使用雙頻接收機(jī)。

        1.2 連接點(diǎn)的選擇

        CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)同步環(huán)之間必須采用邊連式,即不同觀(guān)測(cè)子網(wǎng)之間的連接公共點(diǎn)必須是兩個(gè)或兩個(gè)以上。一般工程中,對(duì)于邊連式的連接點(diǎn),沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定,在高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范中,也沒(méi)有對(duì)CPⅡ控制網(wǎng)測(cè)量的連接邊進(jìn)行明確規(guī)定。高速鐵路平面控制網(wǎng)根據(jù)高速鐵路走向的特點(diǎn),即其是一種帶狀控制網(wǎng),其相鄰CPⅠ或CPⅡ控制點(diǎn)一般按里程方向沿線(xiàn)路中線(xiàn)一側(cè)或兩側(cè)布置,由此可知同步環(huán)間的連接點(diǎn)應(yīng)選在每個(gè)同步環(huán)中施測(cè)方向的最后兩個(gè)點(diǎn)。以6臺(tái)接收機(jī)同時(shí)測(cè)量為例,圖1為合理的連接形式,類(lèi)似于圖2的形式為不合理的連接邊布置。

        圖1 合理的連接點(diǎn)示意圖

        圖2 不合理的連接點(diǎn)示意圖

        這是因?yàn)?,CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)在進(jìn)行三維無(wú)約束平差及二維約束平差時(shí),都是按一個(gè)整網(wǎng)整體平差,類(lèi)似于圖2的連接邊布置在平差時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差突變,相鄰控制點(diǎn)間的點(diǎn)位中誤差不連貫,在進(jìn)行成果評(píng)定的時(shí)候,相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度往往會(huì)超限。

        1.3 平差約束點(diǎn)間的兼容性檢測(cè)

        CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測(cè)平差時(shí),先進(jìn)行WGS-84空間坐標(biāo)系下的三維無(wú)約束平差,其主要目的是為了檢驗(yàn)GPS同步環(huán)及獨(dú)立環(huán)本身的內(nèi)符合精度,當(dāng)基線(xiàn)向量邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差、基線(xiàn)向量坐標(biāo)方位角中誤差及點(diǎn)位坐標(biāo)平面中誤差均滿(mǎn)足規(guī)范要求后,再進(jìn)行二維約束平差,約束點(diǎn)應(yīng)選三個(gè)以上CPⅠ控制點(diǎn)坐標(biāo)作為約束條件,這些約束點(diǎn)應(yīng)均勻分布于整體控制網(wǎng)之中,在點(diǎn)位選擇時(shí),除現(xiàn)場(chǎng)勘察確定所選約束點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)固可靠外,還要進(jìn)行約束點(diǎn)間的兼容性檢測(cè)。兼容性檢測(cè)分兩種情況進(jìn)行:

        1.3.1 當(dāng)約束點(diǎn)位于同一個(gè)同步環(huán)

        采用各基線(xiàn)平距與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)反算得出的兩點(diǎn)間理論邊長(zhǎng)進(jìn)行點(diǎn)位間的兼容性檢測(cè)。需要注意的是,在檢測(cè)時(shí)要考慮投影變形的影響。這是因?yàn)榛€(xiàn)平距是指基線(xiàn)兩端點(diǎn)的GPS基線(xiàn)邊長(zhǎng)在WGS-84坐標(biāo)系橢球水平面上的距離DG,而坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)是指GPS控制網(wǎng)平面直角坐標(biāo)系下兩點(diǎn)之間的邊長(zhǎng)D,這是兩個(gè)不同的長(zhǎng)度值。要將DG換算成對(duì)應(yīng)的D,需要經(jīng)過(guò)下面兩個(gè)步驟:將基線(xiàn)平距歸算到參考橢球面;將橢球面的長(zhǎng)度歸算到GPS控制網(wǎng)平面(一般采用高斯平面直角坐標(biāo)系)。

        1.3.1.1 將基線(xiàn)平距歸算到參考橢球面

        將地面觀(guān)測(cè)的長(zhǎng)度元素歸算到參考橢球面上的投影變形系數(shù)D1按下式計(jì)算:

        式中,H——觀(guān)測(cè)邊兩端平均大地高,可近似取兩端點(diǎn)的高程平均值(m);

        R ——參考橢球半徑,取6 378 137m。

        1.3.1.2 將橢球面的長(zhǎng)度歸算到GPS控制網(wǎng)平面

        將橢球面的長(zhǎng)度歸算到GPS控制網(wǎng)平面的長(zhǎng)度變形系數(shù)D2按下式計(jì)算:

        式中,ym——觀(guān)測(cè)邊兩端點(diǎn)離中央子午線(xiàn)的平均距離,也就是將兩端點(diǎn)設(shè)計(jì)y坐標(biāo)平均值減500 000m;

        Δy——觀(guān)測(cè)邊兩端點(diǎn)y坐標(biāo)的差值(m);

        R ——參考橢球半徑,取6378137m。

        由以上分析可知,基線(xiàn)平距投影到高斯平面直角坐標(biāo)系會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度變形,其變形值的大小與兩端點(diǎn)的平均高程、兩端點(diǎn)距投影面中央子午線(xiàn)的距離及橫坐標(biāo)差值有關(guān)。將基線(xiàn)平距DG換算成投影改正后的長(zhǎng)度D′,計(jì)算公式如下:

        將每條基線(xiàn)平距進(jìn)行投影改正后的D′與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)反算的邊長(zhǎng)D進(jìn)行比較,其相對(duì)精度均滿(mǎn)足≤1/180 000時(shí),其兼容性滿(mǎn)足要求。

        1.3.2 當(dāng)約束點(diǎn)不在同一個(gè)同步環(huán)中

        約束點(diǎn)間不能構(gòu)成基線(xiàn),不能按上述進(jìn)行兼容性檢測(cè),這時(shí)候可將一個(gè)約束點(diǎn)作為起算點(diǎn),單點(diǎn)推算其余約束點(diǎn)的推算坐標(biāo),然后利用設(shè)計(jì)坐標(biāo)反算兩點(diǎn)間的理論邊長(zhǎng)和理論方位角,通過(guò)與推算邊長(zhǎng)及推算方位角進(jìn)行比較來(lái)判斷約束點(diǎn)的可靠性,當(dāng)方位角差值≤1.3″,邊長(zhǎng)相對(duì)精度≤1/180 000時(shí),兼容性滿(mǎn)足要求。

        1.4 復(fù)測(cè)成果的最終評(píng)定

        對(duì)于復(fù)測(cè)成果的評(píng)定,除需要滿(mǎn)足復(fù)測(cè)網(wǎng)內(nèi)符合精度及約束平差的各項(xiàng)精度指標(biāo)要求外,還要進(jìn)行同一點(diǎn)復(fù)測(cè)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較及相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差的相對(duì)誤差比較。

        CPⅡ控制點(diǎn)復(fù)測(cè)成果需進(jìn)行相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差的相對(duì)誤差對(duì)比,主要還是考慮點(diǎn)位間的誤差突變,因?yàn)檐壍揽刂凭W(wǎng)CPⅢ平面測(cè)量的點(diǎn)位中誤差為2mm,區(qū)段之間銜接的前后段獨(dú)立平差重疊點(diǎn)坐標(biāo)差值≤±3mm。如果對(duì)CPⅡ控制點(diǎn)僅作復(fù)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比,很可能會(huì)出現(xiàn)相鄰坐標(biāo)與原坐標(biāo)對(duì)比出現(xiàn)在誤差內(nèi)而正負(fù)相反的情形,這時(shí),復(fù)測(cè)成果作為CPⅢ控制網(wǎng)的起算依據(jù)時(shí),就很可能達(dá)不到精度要求。

        2 結(jié)語(yǔ)

        我國(guó)的高速鐵路經(jīng)過(guò)十多年的建設(shè),到2018年初,已建成運(yùn)營(yíng)的高速鐵路里程達(dá)到2.5萬(wàn)km,居世界第一。到目前,已形成一套非常完整的、成熟的高速鐵路測(cè)量體系。不過(guò),高速鐵路的測(cè)量工作,不會(huì)一成不變,也不是一勞永逸,在實(shí)際的工作中,隨時(shí)會(huì)遇到各種各樣的新問(wèn)題,只有經(jīng)過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和交流,才能更好地做好高速鐵路控制測(cè)量工作。

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