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GPS数据处理软件在GPS控制网中的使用及对比.docx

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GPS 数据处理 软件 控制 中的 使用 对比
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龙岩学院毕业论文题 目: GPS 数据处理软件在 GPS 控制网中的使用及对比二 0 一六年六月三日GPS 数据处理软件于 GPS 控制网的使用及对比资源工程学院 测绘工程专业2012092534 王宽仁 指导教师:林新红摘要: 随着 GPS 等测量仪器的应用及推广,已成为各测绘单位、研究机构进行地形测量的主要仪器。在 GPS 测量中,为了提高数据处理精度需要选择合适的处理软件。针对于工程测量的数据处理软件选择为题,在对 GPS 数据处理过程分析的基础上,在现下较常用的处理软件中挑选两款数据处理软件对数据处理后分析这两种数据处理软件对控制网数据处理各方面的差异。明确了选择数据处理软件时要注意的事项,对指导工程实践操作具有参考意义。关键词: GPS ;控制网 ;数据处理 ;对比分析目录1 引言 ................................................................................................................................................11.1 研究区概况 ................................................................................................................................12 GPS 定位原理 .................................................................................................................................13 GPS 数据采集与分析 .....................................................................................................................13.1 GPS 控制点的埋设以及网的布设 .............................................................................................13.1.1 控制点的布设 .........................................................................................................................13.2 控制网观测环的布设 ................................................................................................................23.3 GPS 静态观测数据的采集 .........................................................................................................23.3.1 控制点的静态观测 .................................................................................................................24 GPS 数据处理软件简介 .................................................................................................................24.1 南方 GNSS 数据处理软件 ..........................................................................................................24.2 HGO GPS 数据处理软件 .............................................................................................................35 实例分析 ........................................................................................................................................35.1 工程概况 ....................................................................................................................................35.2 数学基础 ....................................................................................................................................35.3 原有高等级控制资料的收集与分析 ........................................................................................35.4 控制资料兼容性分析 ................................................................................................................45.5 GPS 控制网的布设及观测 .........................................................................................................55.6 GPS 解算说明及精度分析 .........................................................................................................55.7 成果 ............................................................................................................................................86 总结 ..............................................................................................................................................10参考文献 ..........................................................................................................................................10致谢词 ..............................................................................................................................................1211 引言目 前 全 球 共 有 四 大 定 位 系 统 :(1)美 国 的 GPS 定 位 系 统 ;(2)欧洲的 Galileo 系统; (3)俄罗斯的 GLONASS 系统;(4)我国的北斗号系统 [1]。这些全球定位系统的结构都由以下三部分构成:(1)地面控制部分;(2)空间部分;(3)用户装置部分,虽然各定位系统主要特征不同但是都能提供全天候、连续、实时、高精度、三维坐标以及时间数据 [2]。现下,GPS 技术在测绘行业中已经得到了广泛的利用,从静态定位到快速定位,再到动态定位。在实际工程操作中,各单位、研究机构最关注的是各数据处理软件的功能特点、处理精度和处理最后结果的准确性,并依此选择合适的处理软件 [3-7]。本次研究案例数据处理软件应用的是南方 GNSS 数据处理软件和中海达 HGO GPS 数据处理软件。两种软件主要是对 GPS 星历数据进行基线向量解算处理,并将基线解算处理结果进行约束整网平差,得出控制网最后成果。1.1 研究区概况木兰溪,是福建省东部独流入海河流,发源于莆田仙游县西苑乡黄坑村桥头,横贯莆田市中、南部,自西北向东流经莆田市的仙游县、城厢区、荔城区、涵江区等地区,至三江口注入兴化湾入台湾海峡。干流全长 105 公里,流域面积达 1732 平方公里,为福建省八大河流之一,天然落差 784 米。流域内有著名的南北洋平原(兴化平原)和仙游东西乡平原,是莆田市内主要的人口聚居区。流域内木兰溪沿岸水利设施众多,为流域生产生产提供了充足的水源和电力支持。同时木兰溪及其支流、入海口湾是市内重要的水运航道。因此被称为莆田人民的母亲河。2 GPS 定位原理GPS 是以卫星基本三角定位为原理,GPS 接收装置测量卫星的距离是通过测量无线电信号的传输时间来完成的,从而判断出卫星的位置 [8]。GPS 利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会测算出地面点的三维位置,这就是 GPS 的定位原理 [9]。简单的说,GPS 定位原理其实就是一种空间的距离交会原理。按照 GPS 接收集在工作时的运动状态,GPS 定位方式可分为静态定位和动态定位;静态定位是指将 GPS 天线固定在测点上静止数十分钟至书小时以上的静态观测;动态定位过程则有至少一台以上的 GPS 接收集处于运动的状态,以观测各历元在运动中测相应点位。在实际应用于工程控制网的观测中,我们通常错采用的方式都是静态相对观测 [10][11]。3 GPS 数据采集与分析3.1 GPS 控制点的埋设以及网的布设3.1.1 控制点的布设首先,在内业利用成图图对整个测区进行一个大致的选点。E 级 GPS 按《GPS 规范》的要求进行布设,每平方公里设计点数不小于 4 点,平均边长约 1000m,布网时侧重于中心镇区、工业园区的居民地部分及国道、省道两旁,并应控制整个测区。(1)实地勘踏选点人员应熟悉 GPS 点位的要求,选点之前应仔细阅读设计书的规范,2目的是为了找到最佳 GPS 点位。(2)内页人员选择 GPS 待定点时,应该预先在影像图上设计好,各级的 GPS 控制点之间,应该保证至少有一个能够通视的方向。(3)外业人员选点时点位尽可能选在水泥路面地上或者比较稳定的大岩石上,这样就能使控制点长期存在不易被人为损坏,选点的时候尽量选容易发现的地方,易于接下来的工作。同时应满足水准要求。(4)点位应选在易于架设仪器,视野开阔的较高地方,这样就能以减少 GPS 信号被高大的树木遮挡。(5)外业人员实地勘踏点位时应尽可能的避免高压线路、无线电发射塔和电信基站,这样就能尽量避免电磁场对 GPS 信号的干扰。(6)点位附近不要有一些很强烈反射卫星信号的高层建筑物,这样就能尽可能的减弱多路径效应对控制点精度的影响。(7)充分利用符合要求的已有控制点。(8)GPS 点位选定后,应绘制点之记。E 级 GPS 点只提供展点图,不作点之记。(9)控制点中心标志要求:E 级 GPS 点中心标志采用不锈钢标志,制有中文“E 级”字样。3.2 控制网观测环的布设GPS 观测环分为同步环和异步环,同步环的连接方式又分为点连式和边连式,由于在实地大面积控制网布设时同步环边连式会有异步环,虽然精度更高但是会加大静态观测的工作量,所以一般采用同步环的混连式以便提高工作效率,但是要尽量少出现异步环以提高观测精度。3.3 GPS 静态观测数据的采集3.3.1 控制点的静态观测外业操作步骤如下(单指某个测站的操作):(1)安装仪器,先把基座对中、整平、量仪器高,一般在三个方向要求分别量取三次,取平均作为测前接收机天线高,三次取值规范要求不超过 3mm,然后安装上接收天线;测量天线高。(2)听从组织者安排各组员同时间开机。(3)观测员需要仔细填写外业观测手簿。(4)外业作业人员应该在接收机开机后几分钟注意接收机各个指示灯的状态,时不时查看接收机电量情况,确定接收机是否处于正常工作状态。在静态观测的四十分钟过程中,要防止无关人员及动物在仪器附近走动以免发生仪器损坏和由于仪器被触碰导致重新观测等。观测过程中的仪器出现任何异常情况都要记录在手簿中并向负责人汇报。(5)关机,量取天线高,把关机时间及天线高记录到手簿。(6)收仪器,如果该站为不动站则不收仪器,等候其他组员转移下个站点,同时间开机。注意:(7)观测期间由于天气恶劣,外业作业人员应关闭接收机,防止损坏。(8)不能在旁边使用对讲机,以免影响仪器信号接收从而使数据出差错。34 GPS 数据处理软件简介4.1 南方 GNSS 数据处理软件南方 GNSS 数据处理软件是对 GPS 星历数据进行基线向量解算处理,并将基线解算处理结果进行约束网平差,得出控制网结果。该处理软件能够处理南方公司 GPS 仪器得到的静态 GPS 数据及各种进口 GPS 接收机转化的 RINEX 数据。该处理软件界面友好,采用全中文操作环境,软件采用流程化管理与操作,具有更出色的图形操作界面和良好的入刑服务功能,可进行包括基线网图、误差椭圆等各种图形的输出、打印等。4.2 HGO GPS 数据处理软件HGO GPS 数据处理软件全名为“HGO 数据处理软件包”,HGO GPS 数据处理软件是中海达在十多年以来,在用户体验改进的基础上继 GDS2003 软件后推出的二代静态数据处理软件。该软件可用于用户的基线解算处理、网平差、坐标转换、格式转换等。5 实例分析5.1 工程概况根据工程的需要,及相关测量规范的要求,本工程项目采用 GPS 静态测量技术利用已有的莆田市国土资源局提供的 C 级、D 级 GPS 控制点为起算数据,布设带状 E 级 GPS 控制网。本项目高程控制统一布设几何三等水准高程,联测所有控制点的三等水准高程。5.2 数学基础平面坐标系:1980 西安坐标系,中央子午线 119°,高斯-克吕格任意度带投影。高程基准:1985 国家高程基准。为了成果的完整性,及与国家标准 3°带莆田基础测绘成果资料的衔接,本项目控制点平面成果还提供了 1980 西安坐标系,中央子午线 120°,高斯-克吕格 3°带投影成果和CGCS2000 国家大地坐标系成果。1980 西安坐标系 2 个投影带坐标,投影长度变形(综合高程归化和投影改化)的分析:本项目布设的控制点呈带状分布,情况如下:经度范围是:119°00ˊ51“∽119°01ˊ12“,平均经度取 119°01ˊ01“;纬度范围是:25°14ˊ14“∽25°25ˊ25““,平均纬度取 25°20ˊ10“,该纬度处 IAG-75 椭球平均曲率半径取 6364556 米;本测区大部分控制点高程在 5 米∽10 米,平均高程取 8 米;本测区IAG-75 椭球的高程异常值取 12 米;按上述取值:1980 西安坐标系,中央子午线 119°坐标,投影长度变形值小于 0.5cm/km;1980 西安坐标系,中央子午线 120°坐标,投影长度变形值大于 2.5cm/km,最大达 12cm/km。综上,在本测区建筑物施工测量,宜采用中央子午线 119°坐标,地形图测绘应结合比例尺及精度要求酌情考虑采用适宜的投影坐标。5.3 原有高等级控制资料的收集与分析在工程踏勘、设计阶段,对测区内及周边的高等级平面控制点进行了收集。莆田市国土资源局提供了 2 个 GPS(D)级网点:D019 、IV30,均匀分布在测区及周边地区。该成果有联测国家高等级 GPS 点并有联测三等水准。以上 2 个网点都具有高精度的 CGCS2000 国家大地坐标系坐标和 1980 西安高斯投影平面直角坐标(中央子午线 119°、120°)。经技术人员实地踏勘以上 2 个点位,并结合多年在莆田地区测绘作业长期积累的测绘成果,可以确认以上 2 个 D 级控制点位均保存完好,点位标志正确,并点位精度符合原等4级要求,相互间兼容较好,并收集了本测区范围内 1 个 E 级 GPS 点 JE318。2 个 D 级控制点为本测区 E 级 GPS 平面控制网的起算数据,E 级 GPS 点 JE318 可做检核之用。该控制点成果如下见表 1、表 2。表 1: 已知 GPS(E)、(D)级网点平面直角坐标(1980 西安坐标系,中央子午线 120 度,1985 国家高程基准)点号 X(m) Y(m) H(m) 备注D019 2808855.750 402105.324 5.8340 三等水准IV30 2811522.326 395887.7899 29.745 三等水准JE318 2814364.078 400960.835 8.307 四等水准(1980 西安坐标系,中央子午线 119 度,1985 国家高程基准)D019 2808499.7852 502743.1454 5.8340IV30 2811119.4097 496506.6089 29.745三等水准JE318 2813998.7251 501557.5768 8.307 四等水准表 2: GPS(D )级网点 CGCS2000 国家大地坐标系(WGS-84 大地坐标 (CGCS2000 国家大地坐标系),参考框架:ITRF97 参考历元:2000.0)点号 大地纬度 大地经度 大地高 备注D019 25.225920676 119.014236268 17.544IV30 25.242433318 118.575924065 41.294GPS D 级5.4 控制资料兼容性分析在数据平差前,对起算数据进行了兼容性检测,本次控制网共联测了以上 3 个 GPS(D)、(E)级网点,采用 2 个点(D019 、IV30 )为约束条件,其余 1 个点(JE318)作为检查。该点是于 1980 西安坐标系,中央子午线 119 度测得结果坐标。平面检查比较结果如下表5。表 5:平面坐标检查比较表( 单位:米)点名 检测坐标 X 检测坐标 Y 原坐标 X 原坐标 Y 平面较差JE318 2813998.7338 501557.5537 2813998.7251 501557.5768 0.02785经现场踏勘、GPS 联测对起算数据进行了检测,以上坐标检查比较表结果说明:本次联测的 3 个点保存完好、无移动现象,成果精度高、兼容强,可作为本测区控制的起算点及检核点。5.5 GPS 控制网的布设及观测E 级 GPS 网的布设与观测:本次观测采用 4 台 ZHD8200G 和 2 台 ZHD8200X 大地测量型单频 GPS 接收机,该仪器标称精度为±5mm+1ppm(平面)、±10mm+1ppm(高程)。根据 HGO GPS 数据处理软件星历预报模块计算结果选择合理时段进行观测,由于业主在作业后期增设控制点,整个控制网分为一、二期两次观测。一期观测时间是 2016 年 3 月21 日,联测了 ML01 至 ML06 六个未知 E 级 GPS 点。二期观测时间是 2016 年 4 月 27 日至 2016 年 4 月 28 日,联测了 ML001 至 ML009 九个未知 E 级 GPS 点,其中 ML003 与ML03 点重合,统一取编号 ML003,在 GPS 平差计算中把二期点号“ML”简写为“L”。根据每个时段的情况不同,可以增加或缩短时长。最短时长为 1 小时 30 分钟。考虑到已有 D 级 GPS 控制点与测区的实际分布及本测区呈带状分布的实际情况,遵照《全球定位系统(GPS)测量规范》之相关技术要求及本测区的技术要求,采用先框架再加密的分级布设原则布设。先以莆田市国土局提供的 2 个 GPS(D)级网点 IV30、D019 和带状分布的头、中、尾部的控制点 JE318、ML01、ML003、ML06 共 6 个点形成一完整并控制整测区的框架,再在框架的基础上以点连接的形式从头至尾加密控制点。最终本测区控制网由 17 个点位组成,其中已知点 2 个已知点 IV30、 D019,14 个 GPS(E)级网待定点呈带状均匀布设(一期 ML01 至 ML06、二期 ML001 至 ML009),还以加密点的形式联测检核点 E 级 GPS 点 JE318。布设的控制网中已知点与待定点之间边长范围为 2450米~6764 米,待定点之间边长范围为 420 米~2362 米,满足 D 级网发展 E 级网的布设要求。构成一个整体、封闭的网形。最终 6 台仪器共观测了 5 个同步时段,设 30 个测站,重复设站 1.7 次以上。共观测有效 GPS 基线 73 条,11 条复测基线,形成 3 边同步环 93 个,3 边异步环 93 个。5.6 GPS 解算说明及精度分析本案例控制网数据利用挑选的数据处理软件中海达 HGO GPS 数据处理软件对基线进行解算,并对基线进行自由网平差、约束平差。于此同时使用中海达 HGO GPS 数据处理软件将观测数据交换成 RINEX 文件,使用南方 GNSS 数据处理软件对 RINEX 数据文件进行基线解算和平差比对,基线解算比对的结果显示,73 条基线的解算边长较差在-2.1mm~+1.6mm 之间,认定南方 GNSS 和 HGO GPS 数据处理软件基线解算结果有效、可靠,解算结果合格。5.6.1 南方 GNSS 和 HGO GPS 数据处理软件数据处理对比(1)网图6图 5.6.1 南方 GNSS 数据处理网图 图 5.6.2 HGO GPS 数据处理网图(2)基线结果对比表 4 南方 GNSS 数据处理基线结果表 5 HGO GPS 数据处理基线结果通过对两者的对比不难看出,两种数据处理软件数据处理的基线结果精度都较高。(3)平差后的基线及标准差对比表 6 南方 GNSS 平差后的基线及标准差L07_2561.zsd-L08_2561.zsdRMS(mm)DX(m) DY(m) DZ(m) 长度 (m)L1 三差解 5.3 137.4131 -11.1407 152.8126 205.8110L1 浮动解 5.4 137.4079 -11.2089 152.8130 205.8115L1 固定解 4.1 137.4122 -11.2054 152.8134 205.8145L07_2561.zsd-L08_2561.zsdRMS(mm)DX(m) DY(m) DZ(m) 长度 (m)L1 三差解 4.5 137.451 -11.087 152.8230 205.8410L1 浮动解 3.6 137.425 -11.176 152.8110 205.8200 L1 固定解 3.8 137.410 -11.202 152.8140 205.8130基线名 DX(m) DY(m) DZ(m) 长度(m) 中误差L07_2561.zsd-L08_2561.zsd 137.4097 -11.2023 152.8141 205.8127 10.3L07_2551.zsd-L09_2551.zsd 139.6507-111.3306339.1716383.3172 11.1L07_2561.zsd-ML031190.zsd-471.109 72.1432-624.642 785.7008 6.37表 7 HGO 平差后的基线及标准差经过对平差后的基线及标准差进行对比,南方 GNSS 的结果精度比较差,而 HGO GPS 的结果精度较高,二者都在误差范围之内。(4)网平差坐标表 8 南方 GNSS 平差后坐标表 9 HGO GPS 平差后坐标3 0L07_2551.zsd-ML062551.zsd239.4921-192.3789586.4171662.0004 11.2基线名 DX(m) DY(m) DZ(m) 长度(m) 中误差L07_2561.zsd-L08_2561.zsd137.4127-11.2029152.8136205.8148 5.2L07_2551.zsd-L09_2551.zsd139.6509-111.3347339.1800383.3286 7.3L07_2561.zsd-ML031190.zsd-471.109372.1458-624.6405785.7001 3.6L07_2551.zsd-ML062551.zsd239.4989-192.3875586.4190662.0121 5.4点 号 等 级 X(N)坐标 Y(E)坐标 高程(H ) 标石类 型 备 注ML01 GPS(E) 2811162.694 401278.585 5.393 砼 三等水准,第一 期ML02 GPS(E) 2811567.427 401164.908 5.625 砼 三等水准,第一 期ML04 GPS(E) 2812497.120 401015.501 10.722 砼 三等水准,第一 期ML05 GPS(E) 2812900.608 400706.884 7.192 砼 三等水准,第一 期ML06 GPS(E) 2813356.835 400697.601 5.991 砼 三等水准,第一 期点 号 等 级 X(N)坐标 Y(E)坐标 程(H) 标石类 型 备 注ML01 GPS(E) 2811160.3736 401395.4922 5.464 砼 三等水准,第一 期
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