GPS控制网的网型设计优化方案的毕业设计

毕业设计说明书目 录第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用1第一章 绪论1第一节 GPS全球定位系统的概念1一、 概念1二、 GPS系统的特点1第二节 GPS定位技术的应用现状3一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下3二、 我国的GPS定位技术应用情况4三、 前景5第二章 GPS卫星全球定位系统6第一节 GPS卫星定位系统的组成6一、 空间部分6二、 GPS地面监控部分7三、 用户部分8第二节 GPS卫星的导航定位信号10一、 概述10二、 GPS信号接收机的组成及原理11第三节 GPS卫星定位原理14一、 概述14二、 GPS几种定位方式16第四节 GPS导航定位误差18一、 与GPS卫星有关的误差18二、 与卫星信号传播有关的误差19三、 接收设备有关的误差20第三章 GPS外业测量23第一节 影响GPS测量技术设计的因素23第二节 GPS网的布设23一、 步网23第三节 GPS的坐标系统和时间系统24一、 WGS-84大地坐标系24二、 1954年北京坐标系25三、 1980年国家大地坐标系25四、 新1954年北京坐标系26五、 GPS时间系统26第四章 工作流程27第一节 GPS控制网的内业设计27一、 GPS控制网设计27二、 影响GPS测量技术设计的因素29三、 GPS控制网的图形设计29四、 技术指标30第二节 GPS控制网的外业设计30一、 选点要求30二、 埋石31三、外业观测31第三节 GPS控制网的外业实施32一、 仪器准备32二、 接收机及附属设备的检验与维护34三、 人员组织34四、 仪器安装34五、 野外观测34第四节 数据传输与数据处理35一、 数据传输35二、 数据处理37第五章 GPS基线解算的基本原理40第一节 基线解算原理40一、 基线解算40二、 GPS基线解算的分类42三、 GPS基线解算的过程43第二节 GPS测量数据的预处理44第三节GPS基线解算的质量监控45第四节 影响GPS基线解算结果的因素48一、 影响GPS基线解算结果的因素的判别48二、 GPS基线解算精化处理技术49三、 利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素49第六章 实例51阳泉市307国道复线坡头至水峪项目51一， 项目概述：51二， 项目内业设计：51三 项目外业设计：52四、 数据处理及精度分析53五、 技术总结与成果资料提交53小 结55第二篇 视距测量程序56第一章视距测量原理与计算56第一节 视距测量原理56一、 原理56二、 视距测量的观测与计算56三、 视距测量特点56第二节程序界面及代码57外文资料64Theodolites (1)64Surveying Instruments68参考文献80致 谢81第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用第一章 绪论第一节 GPS全球定位系统的概念一、 概念GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统,是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。特别是在测量领域.我以山西省重点工程，2006年开工建设的阳泉市307国道复线坡头至水峪项目为例，概略叙述GPS在307国道建设及在公路工程控制测量中的应用。二、 GPS系统的特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M-工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟.3、测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。4、可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。5、操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。6、全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景第二节 GPS定位技术的应用现状如人们所说：GPS的应用，仅受人们的想象力制约。GPS问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉所吸引。一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下1、GPS应用于测量 GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK）,在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：测量精度高; 操作简便，仪器体积小，便于携带; 全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS-84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。 2、GPS应用于交通出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车货送请求，降低能源消耗，节省运行成本。 GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。 民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。3、GPS应用于救援 利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。 有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。4、GPS应用于农业当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的精准农业耕作。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。5、GPS应用于娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者携带GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。二、 我国的GPS定位技术应用情况2002年2月，国家计委提出“卫星导航应用产业化专项”，其目标是在“十五”末期，形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过100万套，行业总产值超过100亿元（约占世界市场份额的4%）。其中导航运营服务产值将超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占60%以上。产品出口将占国产总量的10%，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用，产生明显的经济效益和社会效益。汽车导航产品将进入市场/成为GOS最大的消费市场，同时带动导航电子地图的生产和经销。近年来，日本、欧盟、美国采取谨慎而积极的进军姿态，争先恐后进入中国市场。它们对我国的汽车导航市场抱有厚望，无疑源于对我国卫星导航市场的看好。1.1 全球定位技术的概况全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。2 全球定位系统(Global Positioning System，缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。 按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 1.2 GPS的特点相对于经典的测量技术来说，GPS定位技术主要有一下特点：1观测站之间无需通视这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得更加灵活。2定位精度高试验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达110210，而在100500km的基线上可达1010。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10。3观测时间短随着GPS系统的不段完善，目前20以内相对静态定位，仅需1520分钟；快速静态相对定位中，在流动站与基准站相距在15以内时，流动站观测的时间只需12分钟；动态相对定位，出发时流动站观测12分钟，然后可随时定位，每站观测进需几秒。24提供三维坐标5操作简便6全天候作业因此，GPS定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。 1.3 GPS系统的应用前景最初设计GPS的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但后来得应用开发表明，GPS不仅可以达到上述目的，而且用GPS卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量何毫微秒级精度的时间测量。用GPS信号可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS定位定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；监测地球板块运动状态和地壳形变；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在精密工程的变形监测方面，它也发挥着及其重要的作用；同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，引起了地理信息系统及全球遥感监测的技术革命。在日常生活方面事一个难以用数字预测的广阔的领域，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。GPS将像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们的日常生活将离不开它。2 相对定位原理及GPS网优化设计简述2.1 相对定位原理由于在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测量中定位精度最高的定位方法，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。相对定位的概念:用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置这种定位模式称为相对定位(见图2-1)。出于在测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。22.2 GPS网优化设计GPS控制网的优化设计是实施GPS测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性方面,寻求GPS控制网设计的最佳方案。根据GPS测量特点分析可知，GPS网需要以一个点的坐标为定位基准，而此点的精度高低直接影响到网中各基线向量的精度和网的最终精度。同时由于GPS网的尺度含有系统误差以及同地面网的尺度匹配问题，所以有必要提供精度较高的外部尺度基准。 由于GPS网的精度与网的几何图形结构无关，且与观测权相关甚小，而影响精度的主要因素是网中各点发出基线的数目及基线的权阵。因此，提出了GPS网形结构强度优化设计的概念，讨论增加的基线数目、时段数、点数对GPS网的精度、可靠性、经济效益的影响。同时，经典控制网中的三类优化设计，即网的加密和改进问题，对于GPS网来说，也就意味着网中增加一些点和观测基线，故仍可将其归结为对图形结构强度的优化设计。综上所述，GPS网的优化设计主要归结为两类内容的设计： (1)GPS网基准化的优化设计。 (2)GPS网图形结构强度的优化设计，其中包括：网的精度设计能力的可靠性设计，网发现系统差能力的强度设计。2.2.1 GPS控制网基准的优化设计 经典控制网的基准优化设计是选择一个外部配置，使得达到一定的要求，而GPS网的基准优化设计主要是对坐标未知参数X进行的设计。基准选取的不同将会对网的精度产生直接影响，其中包括GPS网基线向量解中的位置基准的选择，以及GPS网转换到地方坐标系所需的基准设计。另外，由于GPS尺度往往存在系统误差，因此应提出对GPS网尺度基准的优化设计。 1)位置基准设计 研究表明，GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，使用测量时获得的单点定位值作为起算坐标，由于其误差可达数十米以上，所以选用不同点的单点定位坐标值作为固定点时，引起的基线向量差可达数厘米。因此，必须对网的位置基准进行优化设计。 2)尺度基准设计尽管GPS观测量本身已含有尺度信息，但由于GPS网的尺度含有系统误差，所以，还需要提供外部尺度基准。GPS网的尺度系统误差有两个特点：一是随时间变化，由于美国政府的SA政策，使广播星历误差大大增加，从而对基线带来较大的尺度误差；另一个随区域变化，由区域重力场模型不准确引起的重力摄动造成。因此，如何有效地降低或消除这种尺度误差，提供可靠的尺度基准就是尺度基准优化问题。其优化有以下几种方案：(1)提供外部尺度基准。对于边长小于50km的GPS网，可用较高精度的测距仪(或更高)测量23条基线边，作为整网的尺度基准。对于大型长基线网，可采用SLR站的相对定位观测值和VLBI基线作为GPS网的尺度基准。(2)提供内部尺度基准。在无法提供外部尺度基准的情况下，仍可采用GPS观测值作为GPS网的尺度基准，只是对作为尺度基准观测量提出一些不同要求，其尺度基准设计如下。在GPS网中选一条长基线对该基线尽可能多地长时间、多次观测，最后取多次观测段所得的基线的平均值，以其边长作为网的尺度基准。由于它是不同时期的平均值，尺度误差可以抵消。因此，它的精度要比网中其他短基线高得多，可以作为尺度基准。以上讨论了GPS基线向量解其中位置基准以及GPS尺度基准的选择与优化问题。此外，GPS成果转换到地面实用坐标系中，还存在一个转换基准的选择问题，此处不再讨论。2.2.2 GPS网的精度设计精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。网的精度设计是根据偶然误差的传播规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差后预期能达到的精度，这常被称为网的统计强度设计与分析。一般常用坐标的方差协方差阵来分析，也可用误差椭圆(球)来描述坐标点的精度状况，或用点之间方位、距离和角度的标准差来定义。对于GPS网的精度要求，一般用网中点之间的距离误差来表示。其精度与网的点位坐标无关，与观测时间无明显的相关性(整周模糊度一旦被确定后)，GPS网平差的法方程只与点间的基线数目有关，且基线向量的三个坐标差分量之间又是相关的，因此，很难从数学的角度和实际应用出发，建立使未知数的协因数阵逼近理想的准则矩阵。所以，目前较为可行的方法是给出坐标的协出数阵的某种纯量精度标准函数。设GPS网有误差方程式中l、v分别为观测向量和改正向量;X为坐标未知参数向量阵；P为观测值权阵;为先验方差因子(在设计阶段取1)，m为观测基线数;n为待定点数。由最小二乘可得参数估值及其协因数阵：优化设计中常用的纯量精度标准，根据其由构成的函数形式的不同的可表示成不同的最优纯量精度标准函数。现在最常用的是求的轨迹，以次来表示纯量精度。3 大同矿区GPS控制网设计实例3.1 任务来源及工作量大同矿区为全国最大的煤炭企业大同矿物局所属,并且预测煤炭储量丰富,工业前景可观。但是该矿区原有测量控制网为90年代建立,历经十几年的采矿影响,认为破坏及地貌变化,使原有控制点大部分失去控制作用,使得服务于日常生产的多项测量工作难以正常进行,远远不能满足矿山生产和工程建设的需要。因此,该矿区急需建立新的测量控制网。该网不但要满足日常采矿生产需要,而且还要顾及远景规划及预测区,控制面积约600 KM2，测量范围（如图3-1）为：图3-1 已知点分布图东至：550km(大同矿区独立坐标系)南至：4415km西至：534km北至：4439km3.2 测区概况大同矿区位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州两市，地处东经112度53分113度12分，北纬39度55分40度零8分,距市区12。5公里，辖区与大同市南郊区交叉，总面积约90平方公里，号称百里矿区。区内为平缓的丘陵地貌，西南高，东北低。尖口山最高，标高1835.9米，口泉沟最低，标高1093.6米。境内主要山脉有七峰山、鸡爪山、大钟山、马武山等；主要河流有口泉河、十里河，均为季节性河流。该区厂矿企业主要分布在口泉黑流水(口泉沟)，马军营燕子山(云岗沟)两条狭长的山沟里。 通往矿区的铁路有大同王村、大同燕子山两条矿区专用线，各煤矿集运站都分散在两条专用线周围。以横穿矿区东西向的109国道、沿矿区东侧穿行的南北向大运公路为骨干线，配以矿区内专用公路，交通十分方便。矿区供水水源以第四系潜水为主，现有大同市的白马城水源地以及时庄水源地，供水量严重不足，需另找新的水源。矿区电源主要来自大同市第一热电厂和神头电厂。矿区现有生产煤矿55处，其中国有重点煤矿18处，设计能力3645万吨/年。截至1996年末，大同矿区保有探明储量386。43亿吨，其中生产矿井保有储量77。41亿吨。矿区原有国家二等三角网8个,经野外踏勘,发现有3个已明显被破坏或受采动影响;现只有代家沟、孙家沟、羊坊、怀仁、土台山5个点的标石保存完好（如图3-1）。设计采用的是比例尺为1：10000的大同矿区航摄地形图。1989年航摄，1992年成图，1994年缩编成图。地形图采用1985国家高程基准，等高距为5米。3.3 布网方案3.3.1 技术设计的依据与基准设计1）技术设计的依据2001年国家质量技术监督局发布的(CH2001-92)。2）基准设计GPS测量获得的是GPS基线向量,它属于WGS84坐标系的三维坐标差,而实际需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。因此需要结合测区概况和已有资料(图3-1),进行GPS网的基准设计。根据大同矿区近期发展与远景规划相结合的战略目标，按照现阶段矿区建设的需要，采用大同矿区独立坐标系,中央子午线经度为11230,投影面与54北京坐标系相同而建立的坐标系统。3.3.2 方案设计的技术分析1）等级确定根据中华人民共和国测绘行业标准全球定位系统城市测量技术规程、煤矿测量规程和大同矿区的具体情况，确定该测区可建立D级GPS网10，有关技术要求见表3-1：表3-1 基本技术要求项目技术要求平均边长(km)510a(mm)10b(mm)10最弱边相对中误差1/450002）技术设计I时段设计根据规范对D级网的要求，采用快速静态相对定位，时段长度根据边长而定，具体时间见表3-6。GPS网的时段设计有点连式、边连式和网连式三种基本方法。点连式所构成的图形几何强度太弱；网连式布网冗赘，工作量太大；边连式布网有太多的非同步闭合条件，工作量适中。根据D级GPS网的要求我们采用边点结合的混合式布网方法。II观测方法GPS网的观测采用载波相位快速静态相对定位模式,作业仪器采用4台Timble5700双频GPS接受机,它的标称精度可达5 mm1ppm,满足精度要求。作业方法是:将GPS四套接收机设备分别安置在网中四边形的各个端点上,对基线边同步观测4颗卫星。这种模型的特点是:观测过的基线边构成一个闭合图形,便于观测成果的检验,从而提高观测成果的可靠性和GPS网平差后的精度。93.3.3 GPS网的设计及施测方法1） GPS网的设计I设计原则 GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形，如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性。GPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。GPS网点应尽量与原有地面控制点相结合。重合点一般不少于3个（不足时应联测），且在网中分布均匀，以可靠地确定GPS网与地面之间的转换参数。GPS网点应考虑与水准点重合，而非重合点，一般应根据要求以水准测量（或相当精度的测量方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点。为了便于GPS的测量观测和水准联测，减少多路径影响，GPS网点一般应设在视野开阔和交通便利的地方。为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点以建立联测方向，方向点与观测站距离一般应大于300米。GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附和线路。各级GPS网中每个闭合环或附和线路中的边数应符合表3-2的规定。表3-2 最简独立闭合环或附和线路边数的规定7级别ABCDE闭合环或附和线路的边数566810II 方案设计（图中1-20为同步环）图3-2 方案设计一图3-3 方案设计二3.3.4 方案比较A 基本特征值比较根据R. A sany 提出的公式计算GPS网的主要特征值:C= nm/N式中C为观测时段数,n为网的总点数, m为每点设站数,N为接受机数。在网中:总基线数: J总=C*N*(N-1)/2必要基线数:J必= n-1独立基线数:J独=C*(N-1)多余基线数:J多=C*(N-1)-(n-1)2总体可靠性指标=J多/J独计算的两个方案的主要特征值见表3-3:表3-3 两个方案的主要特征值方案一方案二总点数3838总基线数120114独立基线数6057必要观测基线数3737多余观测基线数2320复测基线数73观测时段数2019平均每点设站率2.112总体可靠性指数0.38330.3509最短边(km)1.82.01最长边(km)12.313.7平均边长(km)4.774.72最简独立闭合环边数45B 设计方案比较两个设计方案都以大同矿区为重点,布设GPS控制网，在重点发展区域网点密度稍大。方案一采用点连接和边连接的混合连接形式,构成异步环和复测边，异步环具有良好的自检能力,能有效地发现观测成果的粗差,确保网的可靠性,复测边连接时几何强度较高。方案二是在方案一的基础上,也采用边点混合连接方式,但较方案一的连接方式不同,方案设计的指导思想是在满足精度的基础上,尽量减少人力、物力、财力。C 成本比较成本取决于网点总数和重复设站率，设一台接收机观测一期的平均费用为C，则总费用为:f=C*S*m由于方案设站数多,数据处理平差费多,方案一比方案二多花费大约1万元。D 精度比较对于两种方案的精度,因为点位相差不大,边长也相差不大,所以两种方案的精度也相差不大。利用相邻点间弦长精度计算公式:2式中, -GPS基线向量的弦长中误差(mm),亦即等效距离误差;a-GPS接受机标称精度中的固定误差(mm);b-GPS接受机标称精度中的比例误差系数(ppm);d-GPS网中相邻点间的距离(km)。可计算出,方案一最弱边边长相对中误差为1/5.210,平均边长相对中误差为1/6.910;方案二最弱边边长相对中误差为1/5.210,平均边长相对中误差为1/6.8610,两者几乎无差别,且都符合四等城市测量规范的要求。E 效率比较一个GPS网中,在测量点数、GPS接收机数和平均重复设站次数确定后，完成该测量所需的理论最少观测期数就可以确定。但是，当按照某个具体的布网方式和观测作业方式进行作业时，要按要求完成整网的测量，所需的观测期数与理论上的最少观测期数会有所差异，理论最少观测期数与设计的观测期数的比值，称之为效率指标(e)。2设GPS网中点的个数为n,用m台接收机进行观测，则该网的最少观测期数为11如重复设站率以R表示，则理论观测期数为 R2网的效率指标定义如下:式中，是理论设计效率,是实际效率，e是总效率。根据以上公式,可计算出方案一的可靠性为:=0.6, =1,e=0.6方案二的可靠性为:=0.63, =1,e=0.63显然,方案二的可靠性比方案一略好。从以上分析可以看出,方案二比方案一花费少,技术指标相差不大,精度都能满足要求,所消耗的人力、物力、财力、时间都比方案一少,所以,方案二比方案一要优,故本设计选择方案二。3.3.5 所选方案的精度分析根据所选方案的独立基线边构成的GPS网成图(图3-4),统计出该网中有38个控制点,其中5个为已知;57条基线。第四节 GPS导航定位误差一、 与GPS卫星有关的误差 与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 1、卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。2、卫星轨道偏差估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。 应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下几种方法:2.1忽略轨道误差这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。2.2采用轨道改进法处理观测数据这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。2.3同步观测值求差这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。二、 与卫星信号传播有关的误差与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。1、电离层折射的影响GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。 为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施：1.1利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。在尤其是精密定位测量。 1.2利用电离层模型加以修正对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75。1.3利用同步观测值求差这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（20km)，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。2、对流层折射的影响对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线(50km)，湿分量的影响较小关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：2.1定位精度要求不高时，可不考虑其影响。2.2采用对流层模型进行改正；2.3采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远 (20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同 一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。3、多路径效应影响多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点)位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。目前减弱多路径效应影响的措施有：3.1 安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。3.2选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。3.3适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。3.4 改善GPS接收机的电路设计，为减弱多路径效应的影三、 接收设备有关的误差与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。1、观测误差观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。2、接收机的钟差 尽管GPS接收机中有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差之间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。3、载波相位观测的整周未知数 载波相位观测是当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。 此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。4、天线的相位中心位置偏差在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。需要提及的是，安置各观测站的天线时，均亦按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。第三章 GPS外业测量第一节 影响GPS测量技术设计的因素GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑： (1)同测站有关的因素：网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计； (2)同观测卫星有关的因素：观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高度角；星历来源。 (3)同仪器有关的因素：接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。 (4)后勤面的因素：动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。 精度分级固定误差a（mm）比例误差b（ppmm）ABCDE5810101055101020表3-1各级网水平分量的中误差第二节 GPS网的布设一、 步网（1）所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。（2）GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。（3）GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。 （4）考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为精确求定转换参数，GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。第三节 GPS的坐标系统和时间系统一、 WGS-84大地坐标系WGS-84大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。对应于WGS-84大地坐标系有一WGS-84椭球。WGS-84椭球及有关常数采用国际大地测量（IAG）和地球物理联合会（IUGG）第17届大会大地测量常数的推荐值，四个基本参数为：长半轴a=63781372m;大地水准面高等于由定位测定的点的大地高减去该点的正高。WGS84于1985年开始使用，1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图、航测图和大地成果。由于GPS导航定位全面采用了WGS84，用户可以获得更高精度的地心坐标，也可以通过转换，获得较高精度的参心大地坐标系坐标。如图3-1图3-1 WGS84坐标系二、 1954年北京坐标系20世纪50年代，我国采用了克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。其中高程异常是以前苏联1955年大地水准面差距重新平差结果为依据，按我国的天文水准路线传算过来的。因此1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。三、 1980年国家大地坐标系1980年国家大地坐标系的建立原则是：（1） 全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面上进行。为此，首先建立一个新的大地坐标系；（2） 1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇；（3） 采用国际大地测量和地球物理联合会1975年推荐的四个地球椭球基本参数，并根据这四个参数求解椭球扁率和其它参数；（4） 1980年国家大地坐标系的椭球短轴平行于地球质心指向我国地极 JYD1968.0方向，大地起始子午面平行于格林尼治天文台的子午面；（5） 椭球定位参数以我国范围内高程异常值平方和等于最小为条件解。四、 新1954年北京坐标系尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性 ，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。40年来，数十万个国家控制点都是在这个系统内完成计算的，一切测量工程和测绘成果均无例外地采用着这个系统。为了既体现1980年国家大地坐标系的严密性，又照顾到1954年原北京坐标系的实用性，有的部门和单位想出一种两全其美的办法，于是就产生了1954年新北京坐标系。1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。所以说，新北京坐标系的成果实际上就是从1980年大地坐标系整体平差成果转换而来的。五、 GPS时间系统GPS系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本观测量。卫星的信号，卫星的运动，卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此，GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准，但同时起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时。启动后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差，在利用GPS直接进行时间校对时应注意到这一问题。第四章 工作流程第一节 GPS控制网的内业设计一、 GPS控制网设计 GPS控制网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的全球定位系统(GPS)测量规范及建设部颁发的全球定位系统城市测量技术规程。（一）GPS网技术设计的一般原则1、充分考虑GPS控制网的应用范围对于工程建设的GPS网，应当既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑到施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制网，既要考虑近期建设和规划的需要，又要考虑远期发展的需要，还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建成为廉有监测三维形变功能的控制网。这样监测GPS网既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网在城市建设中的作用。2、采用分级布网的方案分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，由于GPS测量具有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设，但有计划地分级布设GPS网，有利于测区的近期需要和远期的发展。例如，大城市的GPS控制网可以分为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1km-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成为由独立的GPS基线向量边（简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，但网中不允许存在支线。（二）GPS测量的精度标准GPS测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为 = a + bd （4.1）式中 距离中误差，mma固定误差，mmb比例误差系数，10-6d 相邻点的距离，km国家测绘局1992年制订的我国第一部GPS测量规范，将GPS的测量精度分为 A-E5级（见表4-1）。其中A，B两级一般是国家GPS控制网，而C，D，E3级则是针对局部性GPS网规定的，在GPS网的技术设计中，应根据测区大小和GPS网的用途来设计网的等级和精度标准。表4-1 GPS的测量精度ABCDE固定误差a/mm5