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GPS在控制测量中的应用.doc

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GPS 控制 测量 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目:GPS 在控制测量中的应用资源工程学院1GPS 在控制测量中的应用【摘要】 GPS 全球卫星定位系统,目前已经在各个领域得到了越来越广泛的应用,GPS 是随着现代科学技术的迅速发展而发展的,它的出现给各种工程测量领域带来了革命性的飞跃,研究 GPS 在现代控制测量中的应用主要包括 GPS在大地控制测量中的运用主要涉及到 GPS 定位系统的定位原理、运用 GPS 建立测量控制网的原理、运用 GPS 建立测量控制网的方法技术,介绍静态观测、外业数据采集、GPS 数据处理、RTK 在图根控制测量中的应用以及使用的方法。最后讲述 GPS 使用方法和注意事项等。【关键词】GPS(RTK);控制测量;数据采集;数据处理2目录1. 绪论 ..................................................................................................................................................................31.1 定位系统 ..............................................................................................................................................31.2 我国的 GPS 大地控制网 ........................................................................................................................32. GPS 卫星原理及测量分类 ...............................................................................................................................32.1 GPS 卫星原理论述 .................................................................................................................................32.2 GPS 测量方式的分类 .............................................................................................................................33. GPS 静态数据采集与分析 ...............................................................................................................................33.1 GPS 控制点的埋设以及网的布设 .........................................................................................................33.1.1 控制点的布设 .............................................................................................................................33.2 控制网观测环的布设 ............................................................................................................................53.3 GPS 静态观测数据的采集 .....................................................................................................................63.3.1 控制点的静态观测 .....................................................................................................................63.3.2 观测步骤 ....................................................................................................................................73.4. E 级 GPS 控制点测量技术要求 ...........................................................................................................74. GPS 数据处理 ...................................................................................................................................................84.1 基线解算 .................................................................................................................................................84.1.1 观测值的处理 .............................................................................................................................84.1.2 基线解算 .....................................................................................................................................84.2 GPS 数据处理过程 .................................................................................................................................84.2.1 原始观测数据的读入 ................................................................................................................84.2.2 外业原始数据的检查与修改 ....................................................................................................94.2.3 解算基线的控制参数 .................................................................................................................94.2.4 基线解算 ....................................................................................................................................94.2.5 基线质量的检验 ........................................................................................................................94.2.6 平差 ............................................................................................................................................94.2.7 成果转化 ....................................................................................................................................94.2.8 成果 ............................................................................................................................................95. GPS 在控制测量中的应用 .............................................................................................................................105.1 RTK 在控制测量中的应用 ...................................................................................................................105.1.1 RTK 在控制测量中的应用 .....................................................................................................105.1.2 RTK 的基本工作原理 ...............................................................................................................105.1.3 工程应用及精度分析 ............................................................................................................115.1.4 RTK 在图根导线测量中的优缺点: .......................................................................................125.1.5 具体作业流程 ..........................................................................................................................125.2 RTK 图根控制测图相关数据 ...............................................................................................................125.2.1 图根控制点成果表 ..................................................................................................................126. 使用 GPS 仪器作业时的注意事项 ................................................................................................................137.总结 ..................................................................................................................................................................13致谢语 ..................................................................................................................................................................148.参考文献 ..........................................................................................................................................................1531. 绪论1.1 定位系统 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]。1.2 我国的 GPS 大地控制网中国国家 A 级由 27 个点构成,B 级 GPS 大地控制网由 818 个点构成(含 GPS A 级网),国家 GPS一、二级网共 553 个 GPS 站点。在中国大陆境内均匀地分布了 A 级和 B 级控制点,A 级边长平均为680km,B 级边长为平均为 164.8km。GPS 一、二级网,由总参测绘局与 1991-1997 年布测,均匀分布于全国,总体结构为全面连续网 [3]。其中一级网 44 个站点,于 1991-1992 年观测,均匀分布在全国;除南海诸岛外,其余各点均为国家天文大地网点,同时也是水准点与水准直接连测点。二级网在一级网的基础上布设,由 534 个点组成,均匀分布于我国,是一级网的加密。2. GPS 卫星原理及测量分类2.1 GPS 卫星原理论述1) 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 [4]。 2) 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 [5]。简单的说,GPS 定位原理其实就是一种空间的距离交会原理。2.2 GPS 测量方式的分类GPS 静态测量,是 GPS 接收机的位置在跟踪 GPS 卫星的过程中是保持不变的,接收机非常准确地利用已经知道的卫星在轨位置,然后测量 GPS 信号从卫星到接收机的传播时间,以此计算出接收机天线的位置。GPS 动态测量,是在测量过程中需要通过不断的移动,直到到达所要测量的位置,这样才能获得所需数据。GPS 测量能提供所需要的坐标,运动目标的三维速度信息和时间信息 [6]。3. GPS 静态数据采集与分析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,在内业利用遥感影像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,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4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,点之记样式参见附录一。E 级 GPS 点只提供展点图,不作点之记。附录一 埋石点的埋设规格见下图:(单位:cm)E 级普通标石 (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。(10)埋设实例如下图:凝凝凝凝 凝20 E凝凝 凝5图 3-1 泥地水泥桩图 3-2 水泥地埋设铁盘3.2 控制网观测环的布设6GPS 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(详细见表 3-2)。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。在数据观测完需要将每一次的观测数据做成观测手簿如下:表 3-2 GPS 外业观测手簿观测者姓名: 刘磊 日 期: 2015 年 2 月 10 日测 站 名: JE07 时段号: 3 天 气 状 况 : 多 云 近 似 坐 标 :经度:E 119 ° 28 ′纬度:N 25 ° 14 ′高程: 55.122 (m)本 GPS 点为■ E 级 GPS 待定点□ 等大地点□ 等水准点□ 记录时间:■北京时间 □UTC □区时开始时间: 10:20 结 束 时 间 : 13:20 接收机型号: HD-8200G 天 线 号 : 0717883 天线高: 1. 1.702 2. 1.701 平 均 值 : 1.702 7观测状况记录1.电池电压: 2 (块条)2.接收卫星号: 3.信噪比(SNR): 4.故障情况: 无 5.备 注: 观测该站时,晴天数据质量较好 3.3.2 观测步骤1)如下图:20、21、22、23 均为同步环这四个环以点连式和边连式围成一个异步环,我们按照图上(1)(2)(3)(4)为顺序先从 22 号环开始观测,6 名观测人员分别在JE95、JE96、JE97、JE98、JE88、JE89 上观测以最后开机的时间人员为准同步观测一个小时,时间到后,JE95、JE96 点不动其余搬往(2)号环,方法和第一环一样,到时 JE92、JE94 不动再观测 20 号环,观测(4)号环时 JE79 不动,按照这个规律一个个环观测。观测时应该选出一名小组长,各观测人员把开机时间和点号汇报到小组长处由小组长统一调度,让观测有条不紊的进行。图 3-3 混连式观测环3.4. E 级 GPS 控制点测量技术要求以 C、D 级 GPS 点为基础,采取边连式的形式布设 E 级 GPS 网(点)。E 级 GPS 测量采用静态方式观测,其最弱点(相对于起算点)的点位中误差不得超过±5cm。如下表 3-4:8表 3-4 测量技术要求级别 闭合环或复合路线边数 相邻点间平均距离E 级 ≤10 条 500m观测的基本技术要求项目等级卫星高度角有效卫星数(精态)强度因子PDOP平均重复设站数(次)时段长度(min)数据采样率(″)E 级 ≥15° ≥4 ≤6 ≥2 ≥60 15注:当基线较长或观测条件较差时应适当延长时段长度。4. GPS 数据处理4.1 基线解算4.1.1 观测值的处理GPS基线向量表示了各个GPS控制点的一种位置关系,即控制点与控制点的坐标增量。GPS基线向量与我们常规测量中的基线是不一样的,它们的区别在于GPS基线向量具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性,而常规测量中的基线只有长度上的属性 [7]。4.1.2 基线解算基线的解算过程实际上就是一个平差的过程,平差过程时所采用的观测值就是双差观测值 [8]。基线解算分三个阶段完成,第一阶段:对基线进行初始的平差,解算出GPS接收机静态观测时由于某种原因导致的浮动解;第二阶段:将整周未知数固定成整数;第三阶段:将已经确定了的整周未知数作为已知值,再次进行平差解算,解算出待定的测站坐标作为的未知参数,解求出基线向量的最终解-整数解(固定解) [8]。1)初始平差根据双差观测值的观测方程(需要进行线性化),组成误差方程,然后组成法方程,最后求解待定的未知参数,其结果为:待定参数: (式6-NCX1)待定参数的协因数阵:, (式6-NCNXXQ2)单位权中误差: [9]。0ˆ为了获得精度较高的解算结果,应该准确地确定出整周未知数的整数值。2)确定基线向量的固定解当整周未知数的整数值确定以后,与它相对应的基线向量就是我们想要的基线向量的整数解。94.2 GPS 数据处理过程4.2.1 原始观测数据的读入当天在进行基线数据解算时,首先应该把当天的数据传输到电脑上。一般说来,各 GPS 接收机厂商配备提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的 GPS 原始观测值数据,首先需要进行格式转换 [10]。4.2.2 外业原始数据的检查与修改在电脑上读入了 GPS 观测值原始数据之后,应该对观测数据进行仔细核查,为了避免外业操作时的误操作而导致计算错误。4.2.3 解算基线的控制参数基线解算的控制参数是用来确定数据处理软件是采用何种处理方法来进行基线解算的,基线解算的控制参数的设定是基线解算时的一个非常重要环节,通过设定控制参数,可以实现基线的精化处理[11]。4.2.4 基线解算基线解算的时候都是用软件计算,基本上都不用人工操作。4.2.5 基线质量的检验当我们把基线解算出后,应该先对基线的质量进行检查,此时的数据是不能用于后续的处理,如果数据不合格,则马上找出问题所在重新对基线进行解算,假如无论怎么算都不合格,那么就应该考虑进行重测,直到重测的数据进行基线结算合格。4.2.6 平差进行精度评定,解出各个测站平差后的坐标。4.2.7 成果转化根据实际生产需要,数据通过参数转化为当地坐标。4.2.8 成果经过精确解算最终得出如下(部分)坐标成果(表 4-1):表 4-1 坐标成果点号 Y(E)坐标 X(N)坐标 高程(H)JE100 446286.4524 2789531.586 11.152 JE101 446729.2689 2789462.937 6.444 JE102 447398.375 2789820.215 7.620 JE103 447335.8693 2789511.471 8.611 JE104 448018.1432 2789852.804 3.862 JE105 448439.1032 2789665.216 4.853 JE106 448952.0036 2789470.988 4.122 JE107 449859.7493 2789453.871 5.579 JE108 446760.7886 2789133.343 5.616 JE109 447266.2041 2789186.735 5.012 JE110 447917.7000 2789076.732 2.981 JE111 448523.8908 2788979.454 5.749 JE112 449545.2686 2789246.308 4.171 JE113 450061.1078 2789274.518 5.557 JE114 450342.4244 2789043.745 6.940
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