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GPS在控制测量中的应用及精度分析.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及精度分析 GPS 在控制测量中的应用及精度分析【摘要】随着现代科学技术的发展,GPS 技术在工程测绘领域发挥着越来越重要的作用,是测绘工作的重要技术手段。作为前沿科技之一的 GPS 技术,它的出现给测绘领域带来了革命性的飞跃。本文介绍了 GPS 技术原理及在控制测量中的应用,并结合实例对其精度进行分析,为以后的测绘工作奠定基础。【关键词】GPS;定位精度;误差;控制测量;定位原理目录1.绪论 ....................................................................................................................................................................11.1 引言 ............................................................................11.2 GPS在常规测量中的技术特点 ......................................................12.GPS技术原理 .....................................................................................................................................................12.1 GPS系统的组成 ..................................................................12.2 定位原理 ........................................................................32.3 工作原理 ........................................................................53.GPS在控制测量中的应用实例 .........................................................................................................................63.1项目概况 ........................................................................63.2作业依据 ........................................................................63.3技术要求 ........................................................................63.4现场勘察选点、埋石及编号 ........................................................63.5 GPS控制网的布设和分析 ..........................................................73.6 GPS观测的实施 ..................................................................83.7 观测数据内业处理 ................................................................83.8水准测量数据的外业采集和内业处理 ...............................................133.9 GPS控制网平差与水准观测高程网平差的高程及有关数据比较 .........................153.10成果表 ........................................................................164 GPS控制测量精度分析 ...................................................................................................................................164.1 GPS测量误差来源 ...............................................................164.2消除或减弱常用手段 .............................................................165.结束语 ..............................................................................................................................................................17致谢语 ..................................................................................................................................................................18参考文献 ………………………………………………………………………………………………………1911.绪论1.1 引言GPS 是全球定位系统(global positioning system)的英文缩写,是跟随现代化科学技术发展而建立的新一代精密卫星导航定位系统,它是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率,并加载了一些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。 [1]全球卫星定位系统(GPS)是美国的国防部欲满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需要求,始建于 1973 年的新一代卫星导航系统。目前,正在运行的卫星定位系统除了全球卫星定位系统(GPS)外,还有欧洲的 Galileo 系统、俄罗斯的 GLONASS 系统和中国的北斗卫星系统等。 [2]1.2 GPS在常规测量中的技术特点随着科学技术的发展,GPS 技术在测绘中得到广泛的应用,它有便携性、价格低廉、操作简单等特点,深得广大测绘工作者的喜爱。与经典的测量技术相比较,GPS 定位技术有下面几个特点:(1)定位精度高目前,在小于 50km 的基线上相对精度可以达 1×10-6~2×10 -6,100~500km 的基线上精度可达10-6~10 -7,大于 1000km 的基线精度可达 10-8。随着 GPS 技术的不断完善,精度将进一步提高。(2)观测时间短根据精度的不同,测量一条基线所需的时间大约 1~3h,在短基线的观测时间会更短。(3)观测站之间无需通视由于 GPS 测量不要求建立觇标,所以测站之间不用相互通视,这就使点位的选择更加灵活,并且提高了经济效益。虽然观测站之间不需要通视,但为了接受的 GPS 卫星信号不收干扰,需要保持观测站的上空开阔。(4)操作简单现在的 GPS 测量自动化程度很高,在测量中观测员要做的也不多,只需安装并开关一起、量取仪器高程、监视仪器的工作状态、采集环境的气象数据和照看仪器不被外力侵扰。仪器的重量和体积都很小,便于携带和搬运,大大地减少了外业的劳动强度。(5)提供三维坐标在 GPS 测量中,不但精确测定测站的平面位置,还可以精确测定观测站的大地高程,这为测绘工程提供了三维数据。 [3](6)全天候作业GPS 测量工作可以在任何时间和地点连续的进行观测,受天气状况影响小。2.GPS技术原理2.1 GPS系统的组成GPS 定位系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成(图 2-1) 。2图 2-1 GPS 系统的组成(1)空间星座部分GPS 卫星定位系统的星座部分由 24 颗卫星组成(图 2-2) ,其中 3 颗是备用卫星,卫星分布在 6个轨道平面,每个轨道 4 颗卫星。 [4]图 2-2 GPS 系统的空间卫星星座(2)地面监控部分地面控制部分主要起跟踪卫星进行定轨和实现时间同步及中心控制系统的重要作用,其在全球分布如图 2-3 所示。3图 2-3 GPS 地面监控部分(3)用户设备部分GPS 系统的用户设备部分主要起到接收并观测卫星信号、记录和处理数据、提供导航定位信息等作用。2.2 定位原理 [5]GPS 定位就是把卫星看成是移动的控制点,根据测量卫星的星站距离进行空间后方交会,确定地面接收机的位置 [6]。(1) 基本定位原理方程如图 2-4,圆心 O 为地球质心,S 为 GPS 卫星,A 为观测站,r j 是卫星 S 在地球三维坐标 O-XYZ中的向量形式(由广播星历提供的轨道参数计算出) ,已知 rj=(xj yj zj),卫星到观测站的距离为 AS(这由观测数据信号得出) ,其向量形式是 ,e 是 ρ 方向单位向量,待求量是向量 Ri,其用三维坐标表示为 Ri=(Xi Yi Zi)。图 2-44根据以上条件,列出向量方程为: (2-1)由(2-1)式,因为 只有一个观测量,而 中有三个未知数,故至少在应有 3 颗不同卫星的才能解出式(2-1)的三个未知数。如图 2-5,圆心 O 为地球质心,观测站 A,S 1,S 2,S3为三颗卫星,即已知观测值卫星 S1,S 2,S 3在地球三维坐标系中的向量形式 r1,r 2,r 3。求待求量。图 2-5由式(2-1)可立方程(2-2)║·║表示求向量的模,即长度。亦即(2-3 )由式(2-3)看出,只需知道 3 颗卫星到测站的距离,就可以解出方程,实现三维坐标定位。卫星到测站的距离可由伪距观测量(卫星发射的测距码) 、载波相位观测量(加载测距码和导航信息的载波相位数测量)获得。(2)伪距观测值 特性在实际测量工作中,我们不能直接观测到卫星几何距离,而是观测到包含了卫星和接收机时钟误差和时间延迟误差的伪距离 ,称为伪距观测值,它可表达为:(2-4)其中:c 为光速;Ti 为接收机收到信号时的钟面读数;5Tj 为卫星在该信号发射时的钟面读数;TT 为卫星信号发射时刻的 GPS 系统正确时间;为信号在真空中运行时间=R/c,R 为真空结合距离;为由于空气中有电离层、对流层介质而产生的延迟时间;为用户接收机钟与 GPS 系统确定时间的偏差;为卫星钟与 GPS 系统正确时间的偏差;对式(2-4)加以整理可得到下式(2-5 )(2-6)由此可见,卫星钟差为已知的前提下,伪距为真空几何距离加电离层延迟和对流层延迟,再加未知的卫星接收机钟差延迟,即(2-7 )其中, 通过信号传播的电离层对流层的理论预先确定, 可以由广播星历的计算确定,可以改写成 。由式(2-7)可以看出,共有四个未知数, X,Y,Z 和△t u,观测 4 颗卫星的伪距可以唯一确定上述四个未知数。2.3 工作原理GSP 根据四颗卫星解算出接收机的三维坐标,其工作原理如图 2-4。图 2-4 GPS 工作原理63.GPS在控制测量中的应用实例3.1项目概况为满足厦门市集美区瓷窑路西段工程的需要,我院受厦门中平公路勘察设计有限公司的委托,在设计线位周边开展 E 级 GPS 点观测,并在设计线位周边开展四等水准观测。高程起算资料为三等 “T10S3006”、 “天马南点” ,高程成果为 1985 年国家高程基准成果。3.2作业依据(1) 《城市测量规范》 CJJ8-99(2) 《公路勘测规范》 JTG C10-2007(3) 《城市测量规范》 CJJ8-99(4) 《测绘产品检查验收规定》 CH1002-95(5) 《测绘产品质量评定标准》 CH1003-953.3技术要求根据实际测量的需要,本工程平面控制网利用 B 级 GPS 点 GB30、GB34 作为起算数据,成果属于 92 厦门坐标系,中央子午线 118°30′,1.5°带高斯平面直角坐标,城市高程投影面为 0 米,参考椭球体为克拉索夫斯基椭球体。数据外业采集是用 6 台套 Trimble 4600 LS 型接收机进行观测,每个同步环测量时间在 50 左右分钟。基线预处理及基线向量网平差采用 Spectra Precision Survey Office 软件进行平差。水准观测以 “T10S3006”、 “天马南点”为起算点,采用附和路线的形式布设,水准网的布设、测站限差设置及成果取位等按《规范》及有关规定执行。3.4现场勘察选点、埋石及编号(1)实地选点首先,要在业内利用现有资源对整个测区有个大致了解,比如谷歌地图结合所提供的资料,了解测区的范围。然后负责选点的人到达实地去进行勘察,并结合设计路线做到对测区心里有底。根据实地情况及本工程的 E 级网精度要求,进行选点。点位的选择需要考虑的情况。选择的地方易于安放仪器;视线开阔,点位明显;两点相互间隔需200 米以上;视场周围 15°以上不要有障碍物,防止 GPS 信号被消减或吸收;点位应远离大功率无线电发射源,以防磁场干扰;点位周围不要有大面积水域等对卫星信号接收有强烈干扰的物体。 [7] 点位周围能较长时间保存,远离施工地等动工的地方;地面基础要稳固,以便于保存使用等。(2)埋石①控制点中心的要求埋石控制中心的要求:中心标志均为 Ф10cm×0.5cm 的不锈钢顶盖,中间焊接着底部有螺丝帽Ф0.8cm 的 10cm 实心不锈钢螺丝。不锈钢顶盖中间有球面隆起,上面刻有“+”字架,不锈钢标志面上部刻有“福建省地质测绘院测绘中心”字样。其侧面图和俯视图如图 3-1。7图 3-1 控制点中心标志②常见的埋石点埋设规格如图 3-2。图 3-2 常见埋石点埋设规格(3)编号根据本工程的实际情况和公司需求,点位编号是采用路段名及序号组成。实际编号情况是:字头朝北标注;相对北方向;上行在水泥面标注埋设点的日期,下行标注编号。编号由两位字母和一个两位数组成,字母部分是汉子“瓷窑”拼音首字母的大写,数字部分是序号 01~05。本次项目埋设的点编号分别是 CY01、CY02、CY03、CY04、CY05。3.5 GPS控制网的布设和分析GPS 应坚持四原则:效率优先原则、高精度原则、可靠性原则、低经费性原则。按照 GPS 精度的不同,把 GPS 测量精度分为 AA、A 、B、C 、D、E 六个等级,各个等级的固定误差、比例误差系数、相邻点平均距离符合表 3-1 中的要求。相邻点间的最小距离可以是平均距离的 1/3~1/2,最大距离可以说平均距离的 2~3 倍。 [8]相邻点间基线长度可按下公式表示:(3-1)式中:δ 是 GPS 基线向量的弦长中误差(mm),也就是等效距离误差;a 是 GPS 接收机标称精度中的固定误差(mm) ;b 为 GPS 接收机标称精度中的比例误差;d 为 GPS 网中相邻点间的距离(km)。 [9]表 3-1 GPS 各种等级控制网精度要求
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