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GPS在松罗乡公路工程控制测量中的应用.doc

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GPS 松罗乡 公路工程 控制 测量 中的 应用
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1龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: GPS 在松罗乡公路工程控制测量中的应用 资源工程学院GPS 在松罗乡公路工程控制测量中的应用【摘要】:GPS 是目前世界上应用最广泛的卫星导航系统,在公路工程测量中具有重大的作用。随着 GPS 理论的完善和丰富,GPS 在公路工程测量中的技术将会得到进一步发展。文章开始简要介绍了 GPS 技术的定义,技术优势,以及在国内发展现状,然后分析了 GPS 的工作原理和系统组成;论文最后详细介绍了 GPS 运用于松罗乡公路工程测量中的技术方案以及 GPS 技术运用于松罗乡公路工程测量中在的运用。 【关键字】:GPS;控制测量;定位原理2目录1 引言 ..............................................................................21.1GPS 全球定位系统的建立以及 GPS 的定义 .........................................21.2 GPS 在公路工程中的应用现状与前景 ............................................21.3 GPS 技术的优势 ..............................................................21.4 研究的主要内容和意义 ........................................................22 GPS 的概述 ........................................................................32.1 GPS 的组成 ..................................................................32.2GPS 的原理 ...................................................................32.2.1 GPS 定位原理 ..........................................................32.2.2 GPS 的工作原理 ........................................................43 项目技术方案 ......................................................................433.1 作业采用的技术依据 ..........................................................43.2 布网方案及点位选取 ..........................................................53.2.1 布网方案 ..............................................................53.2.2 点位选取的要求 ........................................................53.3 设计精度和坐标系统 ......................................................53.4 生产基本情况 ................................................................53.4.1 器材准备 ..............................................................53.4.2 人员组织 ..............................................................53.5 外业观测 ....................................................................53.6 GPS 观测数据的处理 ..........................................................53.7 GPS 控制网进行加密 ..........................................................53.8 导线点坐标及平差计算 ........................................................64 工程实例 ..........................................................................64.1 测区概况 ....................................................................64.2 已有资料 ....................................................................64.3 点位的选取和埋石及布网 ......................................................64.3.1 点位的选取 ............................................................64.3.2 埋石及布网 ............................................................64.4 GPS 观测 ....................................................................74.4.1 GPS 观测条件 ..........................................................74.4.2 观测过程 ..............................................................84.4.3 加密控制网观测 ........................................................84.5 内业数据处理 ................................................................84.5.1 基线向量的解算 ........................................................84.5.2 GPS 网平差 ............................................................94.6 GPS 用于高程测量的尝试 .....................................................105 结束语 ...........................................................................126 致谢语 ...........................................................................13参考文献 ...........................................................................141 引言1.1GPS 全球定位系统的建立以及 GPS 的定义GPS 是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的经过 20 余年的研究实验,耗资 300 亿美元,到 1994 年 3 月,全球覆盖率高达 98%的24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。 [1]GPS 的全称是 NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing AndRanging Global Positioning System)。它是美国国防部为陆、海、空三军研制的,利用卫星发射的无线电信号进行导航定位的系统,具有全球、全天候、实时的导航定位功能,能为用户提供高精度的七维信息(三维位置、三维速度、一维时间) 。 [2]21.2 GPS 在公路工程中的应用现状与前景我国自 80 年代末石油部、总参测绘局、国家测绘局等陆续进口了 GPS 接收机并展开了各方面的研究工作。进入 90 年代后,随着卫星的增多,GPS 接收机的价格下降等原因,我国的一些公路勘测设计单位购置了 GPS 接收机,例如交通部第一勘测设计院、江苏省交通规划设计院等购置了 GPS 接收机并应用于实际工作中。GPS 在公路工程中的应用主要包括三个方向:公路控制测量、公路测设和桥、隧形变监测。 [3]在公路工程测量领域中,由于 GPS 定位技术自身独特而强大的功能,充分显示了它在该领域实际测量工作中比常规测量具有更大的优越性和适应性。随着该技术的飞速发展和普及,以及相关技术的应用,GPS 定位技术将在公路工程建设的各个环节得到更加广泛的应用。在以后,GPS 定位技术将会获得进一步的发展,应用将更加广泛,效益会更为显著,将为世界各国的经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。GPS 在道路工程中的应用,目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,已知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。目前,国内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密。实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有 2 厘米左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS 测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益。1.3 GPS 技术的优势一般的测量如导线测量、三角测量都用经纬仪、全站仪进行观测,要求点间通视,作业效率低,劳动强度大,而且精度不均匀,外业中不知道测量成果的精度 [4]。而 GPS 静态、快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各种控制测量。GPS 技术进行控制测量既能实时知道定位结果,又能实时知道定位精度,这样可以大大提高作业效率[2]。同时 GPS 技术进行实时定位可以达到厘米级的精度。因此当前高精度的控制测量一般都采用 GPS 静态相对定位技术。相对于传统测量 GPS 技术的作业优势有[3]:①观测站之间无需通视;②定位精度高;③观测时间短;④提供三维坐标;⑤操作简便;⑥全天候作业1.4 研究的主要内容和意义论文第一章主要引入 GPS 技术的概念,技术优势,以及简要介绍国内发展现状;第二章介绍了GPS 的工作原理和系统组成;第三章介绍了 GPS 运用于公路工程测量中的技术方案;第四章介绍了 GPS技术运用于松罗乡公路工程测量中的应用。 意义:本文通过研究 GPS 在松罗乡公路工程控制测量中的应用,体现出了 GPS 技术在公路工程控制测量中的极大优势;与传统全站仪控制测量相比,测站之间无需通视,对测区的地形要求比较低,而且相对精度比较高、观测时间缩短,操作更加简便,况且可以全天候作业。在公路工程控制测量中 GPS技术的应用与传统的控制测量方法相比有着无可比拟的优势,获得了巨大的经济效益和社会效益。2 GPS 的概述2.1 GPS 的组成GPS 由空间部分、地面控制部分和用户部分组成 [5]。见图 2-1:3图 2-1 GPS 系统的组成①空间部分:由 24 颗卫星组成。卫星均匀分布在 6 个倾角为 55。的轨道面上,每个轨道有 4 颗卫星。②地面控制部分:由分布在全球的 5 个地面站组成,其中包括:地面监测站、主控站和注入站。③用户部分:用户部分主要包括各种类型的用户接收机设备和相应的数据处理软件。2.2GPS 的原理2.2.1 GPS 定位原理GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机,可以测定GPS 信号到达接收机的时间△t,再 加 上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式)。 [6]2.2.2 GPS 的工作原理GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置 P 点架设 GPS 接收机,在某一时刻 ti 同时接收了 3 颗(A、B、C)以上的 GPS 卫星所发出的导航电文,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻 GPS 接收机至 GPS 卫星的距离 SAP、SBP、SCP,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这4些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P 点的三维坐标(Xp,Yp,Zp),其数学式为:SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]式中(XA,YA,ZA),(XB,YB,ZB),(XC,YC,ZC)分别为卫星 A,B,C 在时刻 ti 的空间直角坐标。在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统,另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统,我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。 (如:WGS-84 世界大地坐标系和 1980 年西安大地坐标系。 )在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果,因此在测量中被得到了广泛的应用。 [7]3 项目技术方案3.1 作业采用的技术依据1) 《全球定位系统(GPS)测量规范》 (GB/T 18314-2001)(国标);2) 《城市测量规范》 (CJJ8-99) (简称《规范》 )(行标);3) 《1:500、1:1000、1:2000 地形图图式》 (GB/T7929-1995) ;(简称图式)(国标)4) 《1:500、1:1000、1:2000 地形图要素分类与代码》 (GB14804-93)(国标);5) 《国家三、四等水准测量规范》 (GB12898-91)简称《水准测量规范》(国标);6) 《福建省 1:500、1:1000、1:2000 基本比例尺数字化地形图测绘技术规定》 (FCB001-2005) ;(简称规定)7) 《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》 (GB/T18316-2001)(国标);8) 《测绘技术设计规定》 (CH1004-2005)(行标);9) 《测绘产品检查验收规定》 (CH1002-95)(行标);10) 《测绘产品质量评定标准》 (GH1003-95)(行标);11) 《工程测量规范》 (GB50026-2007)(国标)。 [8]3.2 布网方案及点位选取3.2.1 布网方案首级控制网采用 E 级 GPS 控制网,GPS 控制网的布设应根据公路等级、沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计。因为 GPS 控制网作为公路首级控制网时,需采用其他测量方法进行加密。故沿路线两侧每隔 5 -10km 布设一对相互通视的 GPS 点。理论上 GPS 点观测时只须在 3 个 GPS 点上架设 GPS 仪同时观测即可确定这 3 个点的坐标。考虑到公路测量本身的特点采用 6 台 GPS同时观测 4 个 GPS 点,这样可大大加快全线的测量速度。次级控制网采用全站仪或 RTK 附和导线。3.2.2 点位选取的要求1)点位应设在易于安装接收设备,视野开阔的点上2)点位要明显著,为减少 GPS 信号被遮挡或障碍物吸收,视场周围 15°以上不应有障碍物。 3)应远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)其距离不少于 200m;远离高压输电线,其距离不得少于 50m。4)GPS 点均应保证至少与一个邻近 GPS 点通视,而且有利于采用其它手段联测和扩展。5)点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路径效应的影响。6)地面基础稳定,易于点的保存利用。7)网形应有利于同步观测边、点联接。58)当所选点位需要进行水准联测时,选点人员应实地踏勘水准路线,提出有关建议。9)E 级 GPS 网相邻点间距离不得小于200 米,相邻点间距离最大不超过该网平均点间距的 2 倍。3.3 设计精度和坐标系统根据工程需要和测区情况。要求最弱边相对中误差 1/15000,最大距离相对中误差 1/30000,点位中误差最大为±2cm。本项目平面控制网采用“西安 80 坐标系” ,属于高斯正形投影,中央子午线为 120°。高程控制网采用 1985 年国家高程系。3.4 生产基本情况3.4.1 器材准备GPS 接收机: 3 台套中海达 8200G 和 3 台套 8200X 接收机;全站仪:拓普康系列共 3 台;水准仪: 数字水准仪 1 台;计算机:联想笔记本 6 台;绘图仪:HP 绘图仪1台;打印机:HP 打印机 1 台。3.4.2 人员组织投入生产技术管理人员:2 人;作业组:4 个,共计作业员:14 人;检查员:1 人;总计 15 人。3.5 外业观测6 台套 GPS 观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求。我们在外业的观测中规定观测时间不得少于 0.5h ,有效观测卫星数不少于 4 个。3.6 GPS 观测数据的处理外业观测结束后将 GPS 中的数据传入计算机中,采用中海达软件(包括采集器与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件) , 及时进行数据处理和质量分析。过程可分为基线解算与检核、GPS 控制网平差计算两个步骤。3.7 GPS 控制网进行加密利用全站仪测量附合导线的方法进行首级 GPS 控制网的加密作业。将路线按 GPS 的分布分成若干段,每一段单独进行附合导线的测量,保证每一段附合导线起始于 GPS 点,终止于 GPS 点。3.8 导线点坐标及平差计算将每段附合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果。4 工程实例为满足松罗乡的经济发展,修建一条公路。现已布设的控制网,对该控制网进行测量。4.1 测区概况测区位于福安市松罗乡辖区内,测区面积约 2.5km2,其中房屋约占一半,测区内包括松罗村、洋西村、岭头村三个自然村。测区内地形有林地、葡萄园、茶叶地及稻田等。其中,葡萄园由于葡萄架较矮,枝叶层厚,弯腰行走较为困难,地形难以看清,山上多为茶叶地,坎子多,测区内的山植被比较矮,用 RTK 信号会比较好,而靠近测区范围红线的山多为森林,较不好走,信号也会比较弱。福安海拔大概都在五十以下,而松罗海拔达到五百多,早上傍晚气温低。4.2 已有资料E 级 GPS 平面控制网利用 A 级点 A033、C 级6点 089P 作为起算数据,起算数据属 1980 西安坐标系,中央子午线为 120 度,3°带高斯平面直角坐标,1985 国家高程系统,导线网利用平差后的 E 级 GPS 点。E 级 GPS 控制网以水准点 089P、A033 作为高程起算数据,通过 HDS2003 数据处理软件包计算出其它控制点的 GPS 拟合高程。测区 1:10000 扫描 JPG 格式图片。4.3 点位的选取和埋石及布网4.3.1 点位的选取点位的选取跟选取 GPSRTK 控制点选取的条件基本一直,要保证接收机所需的信号强度,尽量减少点位周围事物对接收机的影响。特别当在有变压器以及其他发电设备的地方,布设时兼顾点位的距离都要保持远离 200m 以上。其他均按技术方案对点位要求进行选取。4.3.2 埋石及布网在土质地面埋设标石时,标石规格为(20cm×40cm×40cm)的混凝土标石;在岩石地面浇灌岩标时,标石规格为(20cm×30cm×15cm)的混凝土标石;同时在各点位附近明显固定的地物上,用红油漆书写点号及点位的指示方向线,以及到点位的距离,便于施测时寻找和后期使用。本次总共埋设 15E 级 GPS 点,所组成的控制网见图 4-1:图 4-1 E 级GPS 网略图4.4 GPS 观测1)采用 3 台套中海达 8200G 和 3 台套 8200X 接收机进行同步观测,观测时采用静态定位模式。仪器标称精度 5mm+1ppm,GPS 网相邻点间弦长精度 δ=√a2+(bd)2 δ-标准差,mm;b-比例误差系数,ppm;a-固定误差,mm;d-相邻点间的距离,km。2)GPS 观测主要技术要求如下:表 4-1 GPS 观测主要技术要求GPS 测量级别项目 D卫星截止高度角( °) 15同时观测有效卫星数 ≥4有效观测卫星总数 ≥4观测时段数 ≥1.67时段长度(min) 静态 ≥60采样间隔(s) 静态 5~15外业观测时段长度应根据同步观测点间距离、观测条件等情况适当调整,但每时段有效观测时间不得低于 60 分钟。4.4.1 GPS 观测条件a.外业数据采集使用 3 台套中海达 8200G 和 3 台套 8200X 接收机进行观测,每个同步环观测的时间均大于 45 分钟;b.在每个点上应选择强度因子 PDOP 必须小于或等于 8 良好的观测窗口观测作业,观测时应密切注视 PDOP 值,观测窗口必须具有同步的 4 颗以上的可见卫星数,卫星离地平高度角应大于 15;c.作业前,应检校光学对点器是否符合要求,确保系统的对中整平是达到良好测量的必要手段。因此,测站应严格对中和整平。必要时采用铅垂线对中;d.注意天线高的量取,读读取至 1mm。每测站观测前后应各量取天线高一次,两次量高之差不应大于 3mm,取平均值作为最后天线高;e.雷雨季节架设天线时要注意防雷击,雷雨过境时应暂时关机停止观测4.4.2 观测过程采用:3 台套中海达 8200G 和 3 台套 8200X 接收机,观测时按快速静态相对定位方法进行.GPS 基线预处理:采用中海达测绘仪器公司 HDS2003 数据处理软件包,平差时都采用双差固定解。在测区中选择一个基准站(或参考站) ,并安置一台接收机,连续跟踪所有可见卫星;另四台接收机,依次到各点流动设站,并且在每个流动站上,静止观测数分钟,以便按快速介算整周未知数的方法解算整周未知数。该作业模式要求,在观测中必须至少跟踪 4 颗卫星,同时流动站与基准站相距,目前一般不超过 15km。定位精度:流动站相对基准站的基线中误差,可达(5~10)mm+1ppm×D。比例误差影响很小,定位误差的主要来源是与接收设备有关的常量误差,必须将天线严格置平和对中,并在各观测时段的前后分别精确量取天线高 2 次,取其平均值。4.4.3 加密控制网观测加密控制网观测是,采用了 RTK 方法进行。运用 RTK 技术实测时,基准站架设应注意周围无影响其正常工作隐患,位置尽量高,便于无线电的发射,流动站周围不得有高大建筑及繁茂树木遮挡。流动站采用了三脚架对中观测,基站离流动站距离原则上不超过 5km 。施测前检查了原有高等级控制点与原有成果一致,对同一控制点在不同基站上进行了两次观测,作为检核。4.5 内业数据处理GPS 接收机采集记录的是 GPS 接收天线至卫星伪距,载波相位和卫星星历等数据。数据处理的基本流程为:数据采集->数据传输->预处理->基线解算->GPS 网平差。 [9]4.5.1 基线向量的解算基线向量解算采用中海达测绘仪器公司 HDS2003 数据处理软件包软件进行处理,解算时按软件缺省设置(卫星截至高度角为 15 度,星历采用广播星历,解算类型为固定,基线最少观测时间为 120 秒等)进行。对于处理结果质量指标不合要求的基线,在分析原因后,适当进行取舍处理,因而有效地提高了基线观测效率,对处理结果质量指标符合要求的基线,按要求进行独立环闭合差检核,以最终确定基线的观测质量。 [104]其主要流程为:原始观测数据的读入—>外业输入数据的检查与修改—>设定基线解算的控制参数—>基线解算—>基线质量的检验—>结束。其中,基线解算的过程一般是自动进行的,无需过多的人工干预。基线解算总体结果如下表 4-2:表 4-2 基线解算总体结果8相对误差最大值环型 基线 Ratio 中误差 (m) X 增量 Y 增量 Z 增量 距离LE01LE09.2524 23.2 0.0126 839.1999 626.6984 -243.7112 1075.3616LE01LE02.2530 99.9 0.0063 235.3087 34.4182 185.2246 301.4348LE02LE09.2524 16.0 0.0137 603.8915 592.2677 -428.9288 948.3912同步环相对误差 = 6.12ppm Ws=0.0142 ∑=0.0002 ∑=-0.0124 ∑=0.0069 2325.1876环型 基线 Ratio 中误差 (m) X 增量 Y 增量 Z 增量 距离GD01→LE02.2530 81.6 0.0074 -7957.0680 -1872.8847 -3452.4868 8873.6854GD01GD02.2520 99.9 0.0083 -467.9637 574.8651 -1440.4742 1620.0080GD0LE02.2530 69.7 0.0078 -7489.1038 -2447.7615 -2012.0158 8131.8153异步环相对误差 = 0.65ppm Ws=0.0121 ∑=0.0005 ∑=-0.0117 ∑=-0.0032 18625.5087绝对误差最大值环型 基线 Ratio 中误差 (m) X 增量 Y 增量 Z 增量 距离76.4 0.0061 141.0727 263.2810 -314.1164 433.4599GD01→LE07.2524 94.6 0.0078 -7494.2512 -1543.8972 -3567.2861 8442.3308GD01→LE09.2524 23.8 0.0088 -7353.1754 -1280.6315 -3881.4058 8412.7591同步环相对误差 = 0.93ppm Ws=0.0160 ∑=0.0031 ∑=-0.0153 ∑=-0.0034 17288.5499环型 基线 Ratio 中误差 (m) X 增量 Y 增量 Z 增量 距离GD01LE02.2530 81.6 0.0074 -7957.0680 -1872.8847 -3452.4868 8873.6854GD01GD02.2520 99.9 0.0083 -467.9637 574.8651 -1440.4742 1620.0080GD02LE02.2530 69.7 0.0078 -7489.1038 -2447.7615 -2012.0158 8131.8153异步环相对误差 = 0.65ppm Ws=0.0121 ∑=0.0005 ∑=-0.0117 ∑=-0.0032 18625.50874.5.2 GPS 网平差基线向量解算结束后即可进行 GPS 网平差处理。首先进行自由网平差,基线向量网的自由网平差在 WGS-84 坐标系中进行。用中海达平差软件中的过滤器挑选出那些可以进行平差处理的观测值,然后进行平差处理。根据平差结果并未发现网中有含粗差的基线,网中基线质量均符合要求。 [11]基线向量网进行完自由网平差后,对该网进行二维约束平差。最终平差后的点位坐标及精度见表4-3:表 4-3 最终平差后的点位坐标及精度平面坐标x y 中误差 (m)点名 中误差 (m) 中误差 (m) E(m) 误差椭圆 F(m) ET(D:M:S)2977345.9960 463864.7270089P***** ***** ***** ***** *****2985475.3730 465334.2860A033***** ***** ***** ***** *****GD01 2987739.6462 472262.8538 0.0038 0.0032 0.0020 148°51′43″
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