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GPS控制测量的分析探讨.doc

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GPS 控制 测量 分析 探讨
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: GPS 控制测量的分析探讨资源工程学院GPS 控制测量的分析探讨【摘要】随着 GPS 技术的发展和成熟,GPS 定位精度越来越高,而且具有实时、高效、操作简单等优点,因而受到很多测量者的青睐,被广泛应用于很多工程中。本文首先对 GPS 测量进行阐述,然后利用静态 GPS 控制测量的实例分析,叙述 GPS 作业的各项工作内容和数据处理方法。最后,对平差成果报告分析精度。通过对实践中发现的测量问题进行探讨,提出解决方案,对 GPS 网进行优化设计,从而提高 GPS 测量的成果质量,为今后 GPS 测量工作提供借鉴。【关键词】GPS;相对定位;实例分析;精度;优化设计目录1.绪论 ................................................................................................................................................11.1 研究背景 ................................................................11.2 GPS 测量应用现状 ........................................................11.3 课题研究目的及意义 ......................................................12.GPS 测量概述 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12.1 GPS 相对定位原理 .................................................................................................................12.2 GPS 测量的优势 .....................................................................................................................12.2.1 各测点间无需通视 ....................................................12.2.2 定位精度高 ..........................................................12.2.3 观测时间短 ..........................................................12.2.4 提供三维坐标 ........................................................12.2.5 操作简单 ............................................................12.2.6 全天候工作 ..........................................................23.静态 GPS 控制测量实例分析 ........................................................................................................23.1 外业实施 ................................................................23.1.1 选点 .................................................................................................................................23.1.2 布网 .................................................................................................................................23.1.3 外业观测 ............................................................33.2 数据处理 .................................................................................................................................43.3 精度分析 ................................................................64.GPS 测量存在问题探讨 ........................................................74.1 不同规范中精度分级不统一问题 ............................................74.2 RTK 作业形式的网形设计问题 ..............................................84.3 GPS 测量误差问题 ........................................................95.GPS 控制网的优化设计 ........................................................95.1 提高网的精度 ............................................................95.2 提高网的可靠性 .........................................................105.2.1 增加观测时段数 .....................................................105.2.2 足够的设站次数 .....................................................105.2.3 保障每个测点有不少于 3 条连接的独立基线 .............................115.2.4 保证组成最小异步环的基线数不超过六条 ...............................115.3 提高网的经济和效率性 ...................................................126.结语 .......................................................................12致谢语 .......................................................................13参考文献 .....................................................................14英文翻译 .....................................................................1511.绪论1.1 研究背景GPS 即全球定位系统,最初是美国为了壮大军事实力而开发的卫星导航系统,经过了 40 多年的发展,在定位与导航方面的技术变得越来越成熟。 [1]它以其能够跨越时空和恶劣环境的限制,提供高精度、实时、全天候的优点,在国防及国民经济建设中发挥巨大作用,尤其是在测绘领域,出现了很多GPS 测量仪器,提高了测量工作的效率和质量,因而受到大多数测量者的青睐,在各种工程上广泛应用。1.2 GPS 测量应用现状当前,GPS 测量技术大部分是用在各种控制网的建立、自动化的变形监测、隧道测量、公路测量等工程领域,它能够提供高精度的三维坐标,但是为了提高高程精度通常还需与水准点联测,计算高程异常 ζ 值,最终确定测站的正常高,同时在有些不能接收卫星信号的区域,常常还利用全站仪配合使用,检验和提高 GPS 测量的质量。1.3 课题研究目的及意义GPS 测量技术与时俱进的满足当今各种工程建设的新要求,解决了很多传统测量方式的不足,加快了国民经济建设的步伐。通过对课题“GPS 控制测量的分析探讨”的研究,使得更多的 GPS 操作者了解 GPS 测量原理,明确 GPS 作业内容、数据处理及精度分析,在实际操作中知道一些常见测量问题的解决方法和测量误差的规避,掌握 GPS 控制网的优化设计的方法,得到最优的 GPS 控制网布设方案。本课题的研究将对今后实际中的 GPS 作业有很大的帮助,尤其是对于提高 GPS 野外观测质量和效率具有一定的借鉴意义。2.GPS 测量概述2.1 GPS 相对定位原理GPS 相对定位,又称差分 GPS 定位,它分成动态和静态两种模式的定位方法,这两者模式里,静态模式较动态模式的精度更高 [2],它的工作原理是:利用地面测点上安置的 N 台 GPS 接收机同步追踪各卫星的信号,得到相应的载波相位观测值,然后将各载波相位观测值求差,求出各测站之间的所有基线向量,根据起算数据和所有合格的基线求解各 GPS 点的坐标值,精度可以达到厘米或亚毫米级。2.2 GPS 测量的优势2.2.1 各测点间无需通视GPS 测量不需要各测点间互相通视,只要测点四周视野开阔没信号干扰就可以,因而在点位的选择上更加方便,能保障布设良好的网形,并且提高了作业效率。2.2.2 定位精度高GPS 测量短距离(50km 以内)其定位精度达到 1×10-6 ~2×10 -6,中距离(100km~500km)达到10-6~10 -7,长距离(1000km 以上)定位精度达到 10-8。2.2.3 观测时间短随着 GPS 技术的发展,许多先进 GPS 测量仪器的出现,作业效率也不断提高,静态观测 30 分钟左右就可以获得很高的坐标精度,而动态 RTK 测量只要几秒时间就可以获得厘米或毫米级的坐标精度。2.2.4 提供三维坐标GPS 测量通过各测站间的基线向量和起算数据就能确定待测点的平面坐标和高程,获得待测点的三维坐标。22.2.5 操作简单GPS 测量的外业观测操作简便,在测站上将 GPS 接收机精确对中、整平、量取仪器高、设置好仪器各项参数,作业员按约定的时间同步开始采集和结束采集即可。2.2.6 全天候工作GPS 作业通常不受天气变化的影响,一般也没有时间和位置的限制,只要是能追踪到 GPS 卫星信号就可以全天候工作。3.静态 GPS 控制测量实例分析本次分析探讨是结合龙岩学院静态 GPS 控制测量的实例,阐述 GPS 测量的各项工作内容、注意事项及数据处理原理和精度分析。测量工作流程如图 3-1.图 3-1 GPS 作业流程图3.1 外业实施3.1.1 选点GPS 测量点位的选择虽然不一定要互相通视、选择也较便利,但是为了保证测量成果的可靠性,点位的选择仍必须遵守一定的原则。例如,点位应该选择设在四周视野开阔,没有高层建筑物,便于安置仪器的位置;点位应避开大功率的无线电发射站(广播站、电视台)的地方、高压线,避开大面积水域、山坡等,以此减少或消除多路径效应的影响;此外,还应考虑点位是否便于保存、便于观测、交通便利等。本次静态测量实验总共布设了 7 个 GPS 点,1 个 D 级已知起算数据点 D64,其余 6 个待测GPS 点位的布设都是遵照上述所列选点的原则,符合 GPS 测量规范的要求。GPS 点位平均边长 [10]要求见表 3-1.表 3-1 GPS 相邻点平均距离B C D E平 均 距 离 ( km) 70 10~15 5~10 0.2~53.1.2 布网GPS 网按照布设形式的不同,可以分为多种类型,有星形网(适用于精度较低的测量)、点连式(网形几何强度弱,很少单独使用)、边连式(可靠性好,在精度要求不是很高时较多人使用这种布网方式)、边点混合连接式(图形强度强,可靠性很好,精度很高)、网连式(精度较高,但是工作量和成本都很高,较少使用)等。对于不同的网形结构,网的几何强度、可靠性、精度、效率都不一样。因而,在实际工程应用中要根据测量规范、合同书的任务要求、需要达到的精度要求、外业观测等 级项目3条件及 GPS 接收机的数量等因素进行网形的选择。本次实验要求布设 E 级 GPS 控制网,选用边连式的网形。所谓边连式就是采用 3 台(含 3 台)以上的 GPS 接收机同步观测卫星信号,当观测了一些时段后,就获得一些同步多边形,这些多边形之间都存在一条公共基线相互连接(如图 3-2 中的 GPS 点 D64、E4 的连线)。如果有 N 台 GPS 接收机,那么当观测 1 个时段就能测出(N-2)个新 GPS 网点坐标,观测 C 个时段后就能测出(2+C*(N-2))个网点坐标,因而边连式布网方式,具有图形强度较高、可靠性较好、作业效率较高的优点。图 3-2 龙岩学院 E 级静态 GPS 控制网3.1.3 外业观测完成了选点和布网工作后,就可以根据作业调度安排到野外进行外业观测。本次实验使用的仪器是南方 S86-C 型号接收机,平面精度是±2.5mm,高程精度是±5mm,满足 E 级 GPS 测量规范的要求。首先设置仪器参数(见表 3-2),按照作业计划,将实验的 3 台 GPS 接收机安置在待测点上,对中、整平、量取天线高(测高片至地面测点标志面的高度),当接收的卫星信号数大于 4 个时就达到采集条件,作业员将不同测站上的 3 台 GPS 接收机按照约定的时间一起开机开始采集数据,记录员做好观测记录,每个时段的观测时间到,作业员同步结束 3 台 GPS 接收机的数据采集,本次作业观测分为 6 个时段期数,每个时段同步观测 60 分钟,全部时段期数观测完毕,即可关机收仪器,结束野外数据采集。表 3-2 GPS 测量技术要求43.2 数据处理运用南方测绘 Gnss 数据处理软件对外业采集数据进行处理。首先把重命名后的各观测时段数据文件导入数据处理软件中(如图 3-3),设置好各项指标;然后进行数据预处理,解算全部基线,检查所有基线的整数解是否符合(见表 3-3),再检查所有闭合环是否合格(见表 3-4);最后,各项指标都符合要求后,进行网平差(无约束平差、约束平差),得到平差报告,即可输出报告。具体数据处理流程如图 3-4.图 3-3 观测数据导入界面图表 3-3 基线解算简表等 级项 目 B C D E截 止 高 度 角 ( °) 15 15 15 15同 时 观 测 有 效 卫 星 数 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4有 效 观 测 卫 星 总 数 ≥ 9 ≥ 2 ≥ 4 ≥ 4观 测 时 段 数 ≥ 4 ≥ 2 ≥ 1.6 ≥ 1.6观 测 时 段 长 度 ( min) ≥ 240 ≥ 60 ≥ 45 ≥ 40采 样 间 隔 ( s) 30 10~30 10~30 10~305表 3-4 基线闭合环表6图 3-4 数据处理流程3.3 精度分析数据平差结束后,就可以得到平差报告,报告里包含了平差的内容和各项指标,以及最终各个GPS 网点的三维坐标(见表 3-5)。根据平差报告,还需要分析成果精度,对观测成果质量进行检查,判断成果是否满足项目规定的精度要求。如果发现不符合要求规定的数据精度指标,必须及时采取合理、有效的方式处理。若相差不是很多,则可先再次进行基线处理(修改或剔除基线,见图 3-5),使平差成果质量达到预期的要求。如果平差结果误差很大,那么就必须查找原因,准备返工。判断平差成果质量的一个重要指标是均方差 RMS(公式如 3-1),如果均方差值越小,那么平差成果质量就越好,相反地,若均方差值越大,则平差成果质量就越差。RMS 值不受观测条件的影响,因此能够很好得评价观测精度。这次校园静态 GPS 控制测量外业观测平差成果,均方差最大值为1.3079mm(见表 3-6),满足 E 级 GPS 网点位精度等级要求,这也说明了静态 GPS 测量精度高的特点。表 3-5 GPS 控制网平差坐标数据点名 坐标 X 坐标 Y 高 程-D64 2769918.7420 501673.6890 378.2800--E1 2769321.4920 502030.6256 407.54617--E2 2769663.5343 502052.1190 396.8325--E3 2769423.4015 501628.9725 391.1394--E4 2769662.8005 501467.7621 375.8747-X79 2769885.5927 501259.6483 367.6628-X81 2769507.7146 501133.0489 377.1424图 3-5 观测卫星数据图(3-1)nVTRMS表 3-6 GPS 网平差点位精度表点名 rms(mm) dx(mm) dy(mm) --E1 0.4062 0.3003 0.2736--E3 1.1755 0.8565 0.8051--E2 1.0203 0.7613 0.6794-D64 0.0000 0.0000 0.0000-X81 1.3079 0.9213 0.9283--E4 0.9610 0.7137 0.6436
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