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GPS在现代控制测量中的应用.doc

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GPS 现代 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,讲述静态观测外野数据采集、GPS 数据处理等要点、RTK 在图根控制测量中的应用以及使用的方法。最后讲述怎样正确的使用 GPS 和 GPS 使用时的方法和注意事项等。【关键词】GPS(RTK);控制测量;应用;数据处理2目录1.绪论············································································31.1 世界上的定位系统······························································3 1.2 我国的 GPS大地控制网···························································3 2. GPS的原理及测量分类·································································32.1 GPS卫星原理概述·······························································3 2.2 GPS测量方式的分类·····························································33. GPS静态观测数据采集与分析···························································43.1 GPS控制点的埋设以及网的布设···················································43.2 控制网观测环的布设····························································53.3 GPS静态观测数据的采集·························································533.4. E级 GPS控制点测量技术要求····················································64. GPS数据处理·········································································74.1 基线解算·······································································74.2 GPS数据处理过程 ··························································· 8 5. GPS(RTK)在控制测量中的应用························································105.1 RTK在控制测量中的应用·························································106. 使用 GPS仪器作业时的注意事项·······················································13参考文献··············································································1341. 绪论1.1 世界上的定位系统 目 前 全 球 共 有 四 大 定 位 系 统 包 括 : (1)美 国 的 GPS 定 位 系 统 (2)欧洲的 GNSS导航系统 (3)俄罗斯的 GLONASS系统 (4)我国的北斗号系统。这些全球定位系统的结构都由三 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 定 位 原 理 不 同 但 是 都 能 提供全天候、连续、实时、高精度的三维位臵、三维速度以及时间数据。目前美国 GPS定位系统在全球范围内用的最为广泛,是世界上第一个成熟、可供民用的全球卫星导航定位系统。1.2 我国的 GPS 大地控制网中国国家 A级由 30个点构成,B 级 GPS大地控制网由 800个点构成。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 650 km,B 级边长为平均为 150 km。这两个网采用后处理精密星历和 ITRF坐标框处理数据,这样我们国家的 A级控制网和 B级控制网就能在这个全球性的参考系中准确定位出来了。我国 A级 GPS大地控制网在 1996年建成,B 级 GPS大地控制网在 1997年建成,这两个控制网先后投入使用。在精度方面比原来的控制网提高了 2个量级并且其三维坐标也是建立在在国际公认的ITRF框架之内的。2. GPS 卫星原理级测量分类2.1 GPS 卫星原理概述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。这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设第一颗卫星在 14000英里高处,测量出卫星至接收机的距离,首先以此卫星为圆心,以 14000英里为半径画一圆,而我们位置正处于这个球面上。 再假设第二颗卫星距离我们接收机 15000英里,同上,我们也在另一颗球的球面上,而我们正处这二颗球所交集的圆周上。接下来我们再以第三颗卫星做精密定位,假设高度 16000 英里,我们就可以进一步把范围缩小到二点位置上,但是两个位置其中一点并不是我们所在的位置而极有可能是在太空中的某一点。所以我们将舍弃这一点参考点,选择另一点为位置参考点。 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。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 一 种 定 位 测 量 , 在 GPS 静 态 观 测 的 整 个 观 测 过 程 中 , 接 收 机 的 三 维 位 置 始 终是 保 持 静 止 的 , 它 利 用 测 量 型 GPS 接 收 机 进 行 坐 标 定 位 。 数 据 处 理 时 , 需 将 GPS 接 收 机 天 线 位置 作 为 一 个 不 因 时 间 的 变 化 而 变 化 的 量 , 通 过 接 收 机 接 收 到 的 相 关 卫 星 数 据 , 从 而 求 得 我 们 想 知道 的 待 定 点 的 坐 标 。 GPS 静 态 测 量 的 观 测 是 由 三 台 以 上 接 收 机 在 不 同 的 地 点 进 行 同 步 观 测 的 。5静态定位中,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,是利用测量型的 GPS定位接收机在定位测量的过程中处于运动状态,包含绝对定位和相对定位。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。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1)首先,在内业预先利用遥感影像图对整个测区进行一个大致的选点(由于控制点之间要求两两通视所以具体位置还需作业人员现场调整) 。2) 两点相互间隔需 200米以上(这里以 E级控制点为例) ,作业人员通过对现场的查看进行控制点的埋设,控制点尽量选在水泥路上(切割,埋十字铁盘)和较高处,应尽量避开较高建筑物和较高树木以防止接收机信号被干扰。3)埋石刻点时,字头朝北,字迹清晰,在水泥路选点时不能选在水泥路的收缩缝上,因为收缩缝埋石会导致控制点的脱落,埋设铁盘时应该或上水泥使控制点永久牢固。非水泥路上(土地)埋设时应该尽量埋深使控制点牢固可靠,控制点尽量不能埋在沙地上。埋设实例如下图:图 3-1泥地水泥桩6图 3-2水泥地埋设铁盘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导致没有异步环,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试以便提高工作效率,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;用数据线连接主机与天线(如果是主机天线一体化的接收机,此步骤免除,目前中海达等较知名的 GPS接收机基本上是一体的。 ) ,然后安装上接收天线;测量天线高,2)开机。3)观测员需填写外业观测手簿,包括日期、点名、开机时间、关机时间、天线高、时段号观测者、等等内容,以便后续处理数据时能有条不紊的进行。4)观察接收状态,在接收机工作期间,要不定时察看,检查接收机是否电量充足,确定接收是否正常工作,特别是在开机后几分钟,看指示灯是否正常(接收的卫星数以及采样间隔等) 。在静态观测的四十分钟过程中,要防止无关人员及牲畜在仪器附近走动以免发生仪器破坏和由于仪器被碰导致重7新观测等。观测过程中的任何异常情况都要记录在手簿中并向负责人汇报。5)关机,观测时间到了或是收到小组长的关机指示后,先直接关闭 GPS接收机电源,然后再次量取天线高。把关机时间及测后天线高记录在手簿上。6)收仪器,如果该站为不动站则不收仪器,等待下次开机。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 23号环,方法和第一环一样,时间到时 JE92、JE94 不动观测 20号环,观测 21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上述已有 C、D 级 GPS点为基础,沿道路、居民地以及测区外围采取边连式的形式布设 E级 GPS网(点) ,每平方公里约 4个点,平均边长约为 500m。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。E级 GPS控制网最简独立闭合环或复合路线边数及相邻点之间的平均距离如下表:表 3-1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相邻点最小距离可为平均距离的 1/3-1/2;最大距离可为平均距离的 2-3倍。8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: 黄贵梅 日 期: 2014 年 3 月 6 日测 站 名: JE07 时段号: 3 天 气 状 况 : 小 雨 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: 12:33 结 束 时 间 : 15:33 接收机型号: HD-8200G 天 线 号 : 0717884 天线高: 1. 1.435 2. 1.435 平 均 值 : 1.435 观测状况记录1.电池电压: (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,天气小雨可能会对观测精度造成一定的影响 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。GPS基线向量是GPS控制点同步观测的直接结果,也是进行GPS控制网平差,获取最终精确点位的观测值。9如果在某一历元中,对n颗卫星进行了同步观测,那么我们将可以得到n-1个双差观测值;如果在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为k则整周未知数的数量为k-1。在进行基线解算时,通过模型直接将电离层延迟和对流层延迟改正或差分处理等方法将它们消除,不作为未知的参数。所以,只有2种参数在解算基线时需要考虑,一是测站的坐标参数 ,数量为1,3CX3;另一种是整周未知数参数 (m为同步观测的卫星数) ,数量为 。1,NX1m4.1.2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。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) 。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4-NCX1)待定参数的协因数阵: , (式4-NCNXXQ2)单位权中误差: 。0ˆ通过初始平差以后,我们所解算出的整周未知数参数 本来应该是整数,但是因为观测值误差、N随机模型和函数模型目前还不完善等原因,使得其结果却是实数,所以,此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得精度较高的基线解算结果,我们必须准确地确定出整周未知数的整数值。2)整周未知数的确定第二节已提及,此处不再详述。3)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。4.2 GPS 数据处理过程每一个商家所生产的 GPS接收机都会配备相应的数据传输以及处理软件,所以它们的使用方法也会不同,但是无论是哪一款软件,它们在使用步骤和方法上都是大体相同的。GPS基线解算的过程大体如下:4.2.1 原始观测数据的读入在进行基线解算时,首先需要读取每天静态观测完后当天传输出来的原始 GPS观测值数据。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。目前,大部分的数据处理软件都能直接处理最常用的 RINEX格式数据。
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