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GPS在控制测量中的应用与精度分析.doc

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GPS 控制 测量 中的 应用 精度 分析
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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与精度分析 资源工程学院GPS在控制测量中的应用与精度分析【摘要】:随着 GPS 定位技术的快速发展,测量行业迎来了重大变革。社会的快速发展也出现了越多越多的精密工程,在这些工程中,控制测量显得极其重要。因此很多专家学者也将研究的目光投向了 GPS 控制测量。为了加强对 GPS 控制网的深入了解,我们针对龙岩学院建立一个 GPS 控制网,通过数据获取、数据处理和数据分析,获得待测点的精确坐标,方便后续测量。本文结合龙岩学院 GPS 控制测量,简要的介绍了 GPS 的组成和原理、GPS 控制网的设计和施测、数据处理和精度分析等过程。【关键字】:GPS控制网;网形布设;基线向量解算;网平差;精度分析目录1.引言 ....................................................................................................................................................................11.1GPS 简介 .........................................................................11.2 GPS 控制网与常规控制网对比分析 ..................................................11.3 我国 GPS 定位网的布设概况 ........................................................32.GPS测量概述 .....................................................................................................................................................32.1 GPS 定位的基本原理 ..............................................................32.2 GPS 静态定位原理 ................................................................42.3 GPS 动态定位原理 ................................................................43.GPS控制网的设计与内外业工作 ......................................................................................................................43.1 GPS 控制网特点 ..................................................................43.2 GPS 控制网的网形设计 ............................................................43.3 测量的外业施测 ..................................................................63.4 测量的数据处理 ..................................................................64.GPS在龙岩学院控制测量中的应用实例 ..........................................................................................................74.1 任务概述 ........................................................................74.2 GPS 控制测量依据和技术要求 ......................................................74.3 GPS 控制点的选择与编号 ..........................................................84.4 GPS 控制网的布设和分析 ..........................................................84.5 外业观测 ........................................................................94.6 内业数据处理 ....................................................................94.7 测量结果总结 ...................................................................135.总结与展望 ......................................................................................................................................................136.致谢语 ..............................................................................................................................................................15参考文献 ..............................................................................................................................................................1611. 引言随着 GPS 技术的快速发展,GPS 已经运用到我们生活的各个领域,其中最被大家所熟知的就是 GPS导航和 GPS 定位技术了。在以往的测量中,大多是运用全站仪与经纬仪等进行测量。伴随着 GPS 的不断完善和发展,在测量的过程中逐渐的代替了传统的测量方式,逐步的成为了现代测量最常用的方式。现代施工控制测量中,GPS 由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位点间不需要通视的特点,已被广泛采用 [1]。可以说 GPS 控制测量开启了控制测量一个崭新的时代,因此研究 GPS 技术在控制测量中的应用,对提高 GPS 定位技术的认识与发展具有重大意义。1.1GPS简介GPS,即美国根据自己国家的需要,开发了二十年,直到十九世纪九十年代初完成。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 [2] 。它的首要作用还是为美国的军事全球一体化提供定位、导航、地形收集以及信号通讯等军事目的所服务。GPS 系统的构成主要包括地面的监控部分、空间的卫星部分以及用户的接受部分共同构建而成。结构如图 1-1 所示:图 1-1 GPS 系统的构成(1)空间星座部分空间星座主要是由多颗卫星构建而成,这些卫星环绕在地球的周边,在用户需要其进行服务的时候,发射相应的信号给空间卫星,不少于四颗的卫星同时参与观测活动,获得最精准的数据,在 GPS 的系统构建中有空间卫星 24 颗。(2)GPS 地面监控部分这一部分是卫星信息接受和发出观测信号的中继站,它主要由信息控制中心、数据信息输入站点和空间卫星检测站点构成。(3)用户部分用户是最直接使用 GPS 功能的群体,他们通过相应的信息传输装置,向地面监控部分申请观测数据,通过地面监控部分在接受空间卫星的返回的数据,反馈给用户,使用户达到定位的目的。1.2GPS控制网与常规控制网对比分析ME500 的测距仪与 T3 经纬仪是现阶段我国最主要的精密控制网测量工具。为了研究 GPS 控制网在精密控制网的可行性,特意做了以下实验。布设了由 5 个点组成的精密控制网,如图 1-2 所示。每个点带2有强制对中装置,首先采用 ME500 测边,再用 T3 测角,然后用 GPS 进行测量,观测 2 个小时。最后经过平差计算,求出全网各边的长度和点位坐标。结果如表 1-1 和表 1-2 所示图 1-2 控制点分布表 1-1GPS 网与边角网边长比较表边名 Sgps/㎜ Sme500/㎜ ⊿S2和3 466244.1 466244.3 -0.22和4 652860.9 652861.4 -0.54和5 642664.7 642664.3 0.42和5 748678.5 748678.3 -0.31和5 1313474.2 1313470.5 -0.31和4 1178112.5 1178112.4 0.13和5 359343.8 359344 -0.21和2 582624 582650.7 0.33和4 359894.2 359893.7 0.53表 1-2 GPS 网与边角点点位坐标比较点号 平面坐标 GPS/m 平面坐标 ME500+T3/m 差值⊿/mm4 x=1417.275 y=812.9388 x=1417.2747 y=812.9388 x=0.3y=03 x=1092.8954 y=968.8289 x=1092.8957 y=968.8289 x=-0.3y=02 x=1189.8049 y=1424.8904 x=1189.8044 y=1424.8908 x=0.5 y=-0.41 x=1337.9964 y=1988.3808 x=1337.9967 y=1988.3807 x=-0.3 y=0.15 x=774.7064 y=801.8232 x=774.7066 y=801.8229 x=-0.2 y=0.3mnS34.0σ(1-1-1)mn29.0][σ(1-1-2)通过对上述所得数据的统计和计算得出,运用 ME500 所测量得出的数据和运用 GPS 测量所得出的同边数据误差紧紧为±0.34㎜,运用 GPS 所测量得出的点位坐标数据同运用 ME500 和 T3 测得数据紧有±0.29㎜误差,两个测量数据中其较差⊿都是有正有负,系统性的差异在两次测量中也均未显现出来,综上所述,GPS 适用于控制网的构建。1.3我国 GPS定位网的布设概况随着科技的发展,我国在 70 年代末布设全国人造卫星多普勒定位网,全网由 37 个测站组成,测站的平均距离为 800㎞,最大间距 1300㎞。从 20 世纪 90 年代以来,中国的空间大地测量工作取得了相当大的发展 [3]。在 3 年内,测定了 700 多个定位点,定位精度达到了国际先进水平。目前我国已经完成了A 级和 B 级 GPS 网的布测和数据处理工作。目前我国的第一代 A 级网点就是运用 GPS 在多个地点坐标上经过长时间的观测而得出的地心坐标构建而成的。2. GPS测量概述42.1GPS定位的基本原理GPS 定位的基本原理是把 GPS 卫星视为一种飞行的动态已知点,在其瞬间位置已知的情况下(星历提供),以 GPS 卫星和用户的 GPS 接收机天线相位中心之间的距离为观测量,进行空间距离的后方交会,从而确定用户所在的位置 [4]。GPS 定位的方式有很多种,按照接收机运动状态的不同,可分为静态定位、动态定位和准动态定位[4]。静态定位是指定位过程中,GPS 接收机相对周围点位处于静止状态;动态定位是指定位过程中,接收机处于运动状态;准动态定位是指定位过程中接收机处于“走走停停”的间歇运动状态 [5]。2.2GPS静态定位原理观测站同观测卫星之间的伪距是 GPS 静态定位运用的最基本原理,又由于在观测中量的不相同,可以将其分成为测码和测相两种不同的伪距静态定位方式。而这两种测量的方式中,测相的定位由于依靠的是载波相位的技术,所以运用这种测量方法所测量出的结果是最精确的,所以在运用 GPS 的测量之中普遍运用的测相伪伪距静态定位。2.3GPS动态定位原理基于在定位过程中参考物的不同能够分为绝对和相对两种方式。在我们的日常生活中运用与汽车、轮船和飞机的导航系统依据的就是其中的动态绝对定位,这种定位方式是通过安装在运动物体的上的数据信息接收器来实现同卫星的瞬时绝对位置的定位。不过这种方法的缺点就是容易受到外界的各种影响从而致使整个测量的数据和定位不够精确。所以精密的定位和数据测量并不能够运用这种方法。3. GPS控制网的设计与内外业工作3.1GPS控制网特点采用 GPS 技术布设控制网和常规控制测量方法布设控制网区别很大。GPS 控制网无论是在布网方案,还是在平差模型方面,都与经典网有许多不同之处 [6]。GPS 控制网特点如下:(1)GPS 的定位网中各个 GPS 控制网之间的关系并未遵循依次递进的原则,使其之间的的联系不再那么紧密。GPS 网的分级更侧重针对于地域范围和规模大小,在同一个地区内,分级布网就没有必要了。(2)在 GPS 的控制网之中。所选取和测量的控制点都是与其他点没有相应联系的,所以,以前所运用的公式和算法对于 GPS 的控制网都不在适用。(3)GPS 控制网对控制点所处的位置和所布设图形结构没有严格的要求,这是因为 GPS 控制网中控制点的位置是直接测定的。(4)GPS 接收机采集的是卫星到接收机天线的距离和卫星星历数据,不是地面点相对观测量,因此GPS 定位网不强求点间相互通视。3.2GPS控制网的网形设计GPS 控制网的布设根据用途分一般分为为:点连式、边连式及边点混合连接式 [7]。GPS 控制网网形的选择主要和项目工程控制网所要求的精度,GPS 接收机的台数及外业的观测条件有关。(1)点连式这种连接的方式是将接近的两个不规则图形通过一个共同的点连接在一起,在连接的同时相应的闭合条件未达到,或者是很少达到。导致图形几何强度很很低,所以可靠性也低,所以在布网时一般都不被用来单独使用。如图 3-1 所示:5(2)边连式边连式是指同步图形之间由一条公共基线相连接 [8]。在仪器台数相同的情况下,因为点连式的观测时段数比边连式少,所以边连式的几何强度和可靠性均比点连式好。如图 3-2 所示:图 3-2 边连式网形(3)边点混合连接式边点混合连接式就是将点连式与边连式两者的优点集结在一块组成的布设方法 [9],如图 3-3 所示。混连式是实际作业中最为频繁使用的布设方法,这种方法不仅可以确保 GPS 网的几何强度,提升可靠指标,而且可以使外业的工作量,强度和测量成本得到大幅降低。图 3-3 边点混合连接网形设计 GPS 控制网时应该根据测区的具体情况,按照 GPS 测量规范,遵循从整体到局部、从高级到图 3-1 点连式网形图 3-3 边点混连式a) b6低级逐级控制的原则实施 [10]。通过这一原则所制定的设计不仅要科学合理,同时还要求具有相应的经济效益。可以依据以下规定。(1)自由基线不应该存在与所设计的网局中,它会在闭合图形的构建中产生粗差。(2)为了保证在测量上的精准度,在相同的测量站中应该对相同的测量事物进行最少两次的测量。(3)GPS 网中,某一闭合条件中基线类型不宜过多,以免各边的粗差相互抵消,不利于发现粗差。(4)在测量网的构建中,地面网同 GPS 网之间要有 2 个以上的重合点,这样才能有效的进行坐标间的置换。(5)GPS 测量地点的选取中,要选择不影响测量路径和测量准确度的开阔地带。此外 GPS 网的设计还应注意,GPS 网形中不能有自由式的网型结构。应构成封闭式闭合环和子环路,在基线解算时有利于提高精度 [11]。3.3测量的外业施测GPS 控制点的选择、标志的埋设、相应信息数据的收集、信息的传输以及信息的处理等组成了 GPS控制测量的外业施测。在 GPS 的测量布网中,要充分的利用其便捷灵活的特性,做好相应的测量准备工作,力求在测量中不出现不应有的影响因素致使测量的效率下降。具体包括:了解布网任务和相关资料,包括测区的大比例尺地形图,已有的控制点,卫星连续运行的基准站,测区的交通及地质特点等。同时还应遵循一下原则:(1)为了是信号和测量数据不受影响,要选择视眼开阔,障碍物上的场地作为点的选取。(2)在点位的选取上要远离高压线、和具有电磁场的地方,以免对接下来的测量造成影响。(3)点位应远离大水库等水面宽广的地方,消弱多路径效应可能带来的影响。(4)点位交通方便。(5)点位所选取的地面状况要稳定。(6)选点人员应按照技术设计进行勘探,在实地按照要求选点。(7)为了方便测量中点与点之间的联系,应当构建网状联系。(8)当利用旧点时,应对旧点是否安全进行检查,符合条件时才可利用。标志埋设GPS 网点一般应埋设具有中心标志的标石,以精确标志点位。且标石和标志必须稳定、坚固方便长久保存和利用。埋设结束后应填写点的记录并提交以下资料。(1)点的记录。(2)GPS 网的选点网图。(3)土地占用批准文件与测量标志委托保管书。(4)选点与埋石技术总结。数据预处理数据信息的预处理是为之后的数据精细处理做准备,预处理能够得出大致的评价,这一评价能够为接下的数据处理提升相应的精确度。其基本内容是:(1)数据传输:将 GPS 接收机观测数据传输到其他介质上。(2)数据分流:将有用的信息统计出来,进行相应的归纳和分类。(3)统一数据文件格式,以便统一处理。(4)卫星轨道的标准化,以减化计算机工作。(5)探测周跳,修复载波相位观测值。(6)在 GPS 观测值中加入对流层改正及电离层等必要改正。3.4测量的数据处理野外的观测资料统计收集之后,第一步就是对测量的数据进行相应的实际性和规范性检核。要分为4 个项目进行检核。7独立闭合环检核(1)相同的时间段中剔除的观测值个数与应获得观测值个数的比值要小于 10%。(2)B 级和之下的外业控制网要满足下列的公式:; ; (3-σ3≤Wxnσ3≤ynσ3Wzn3-1)s (3-3-2) 22zyx(3-3-3) N 代表闭合环中的边数;ó 代表相应级别规定的精度。2.重复观测边的检核在重复测量中,观测结果的三边同步环中的第三边处理结果和前两边的代数和之差应符合; ; ; (3-5/σ3≤Wx5σ3≤y5/σ3≤Wz3-4) ≤3σ/5 (3-3-22x5) 式中:σ 代表相应级别规定的精度。4.异步环观测环检测不管是单线还是多基线,各独立环的坐标分量闭合差应满足:σ2≤Wxn ; σ2≤yn ; σ2≤Wzn ; σ32≤sn (3-3-6) 4. GPS在龙岩学院控制测量中的应用实例4.1任务概述为加强对的 GPS 控制测量的深入了解,在老师的指导下进行此次实习,这次实习要求我们通过本次实践,了解和掌握布设 GPS 控制网的方法,熟悉 GPS 测量技术。能使用 GPS 进行静测量和对数据基线解算和网平差处理,最终获得待测点的坐标。本次实习的范围为龙岩学院,先布设 E 级 GPS 控制网,再进行 GPS 控制测量。龙岩学院地势起伏较小,视野开阔,但其中有的控制点位于省道 203,车流量相对较大,所以此次实习需要特别注意安全问题。4.2GPS控制测量依据和技术要求GPS 控制测量依据如下:1、《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314—2001);
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