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GPS 控制 测量 探讨
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龙岩学院毕业论文题 目: 对 C、D 级 GPS 控制网测量的探讨 资源工程学院二0一六年六月三日对 C、D 级 GPS 控制网测量的探讨摘要:GPS 控制网按照《全球定位系统测量规范》可以分为 A、B、C、D、E 五个等级,在工程中为了使用方便,《公路勘测规范》将 GPS 控制网分为一、二、三、四等,四等 GPS 控制网主要是直接作为道路施工的控制网,平均距离规定为 500m 为宜。三等 GPS 控制网作为道路的首级控制网,测设时还需要在此基础上加密低一级控制网,相邻点平均距离为 1KM 为宜。一、二等 GPS 控制网主要用于大型桥梁、隧道等控制网的建立,相邻点平均距离较长。所以一般的道路桥梁建设,布设三、四等 GPS 控制网即可。 本文着力于龙岩市控制网的建立,简要介绍了 GPS 系统的组成、原理。从测区概况到点位选埋、网形设计、野外观测、数据处理、误差分析、成果检验等过程,论述了 GPS 定位技术在区域性控制网中的应用。 关键字:GPS 定位技术;GPS 控制网目录1.绪论 ........................................................................11.1 研究背景和意义 ............................................................11.2 GPS 系统的构成 ............................................................11.3 GPS 的定位原理 ............................................................11.4 GPS 定位系统的特点 ........................................................32.C、D 级 GPS 控制网测量 .......................................................32.1 测区概况 ..................................................................32.2 作业依据 ..................................................................32.3 已有资料分析及利用 ........................................................42.4 GPS 控制网 ................................................................42.4.1 GPS 控制网的布设 ........................................................42.4.2 GPS 点位选埋 ............................................................42.4.3 C、D 级 GPS 观测 .........................................................52.5 观测数据处理及平差计算 ....................................................53.三、四等水准测量 ............................................................63.1 三等水准测量 ..............................................................63.2 四等水准测量 ..............................................................83.2.1 水准观测实施 ............................................................83.3 平差计算 ..................................................................83.4 大地水准面精化 ............................................................83.4.1 GPS 高程转换的现状 ......................................................93.4.2 本项目精化大地水准面的基本思路 ..........................................94.结论 ........................................................................9参考文献 .....................................................................10致谢语 .......................................................................1211. 绪论1.1 研究背景和意义随着科学技术的不断发展, 全球定位系统(全球定位系统)和人们的生活、社会的发展是紧密相连的。GPS 技术已广泛应用于建立各种类型的控制网络。研究 GPS 数据支持块调整,取得了令人鼓舞的成就。通常 GPS 定位技术、它的表现是效率高、精度高、无距离限制,能够全天候运行方式和高度自动化观测和数据处理,而且许多其他的优点,使 GPS 技术已应用于公路,铁路建设。 随着科技的发展,GPS 技术的发展越来越为人们的生活提供方便,它是一种高精度的测量手段。GPS 由于能直接获得三维坐标、精度高、速度快、费用省、操作简便,GPS 技术已成为大地测量的重要手段。为满足龙岩市地籍测绘和规划建设发展的需要,建立统一的地籍测绘和规划建设高精度的控制基础,确保地籍测绘和规划建设的基础数据的准确性和统一性,方便现代化办公管理。 龙岩市决定在本市规划区内建立严格的 C、D 级 GPS 控制网及三、四等水准测量,本文着重于测区的概况以及一些技术要求对 GPS 控制网进行研究。1.2 GPS 系统的构成GPS 系统由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三大部分构成 [1]:空间部分:由散布在 6 个轨道面上的 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星构成,卫星离地面的平均高度 2.02 万千米,绕地球一圈为 11 小时 58 分。卫星的核心是精度高的时钟、导航电文存储器、接收机和微处理机。地面部分:由 1 个地面控制站(负责收集,处理和监测站接收所有数据,编码和计算每个卫星星历和 GPS 时间系统,预测的发送时钟误差、星历、卫星状态数据和对导航电文的入站的大气校正。必要时,启动备份卫星替换卫星),3 个注入站,5 个卫星监测站(供应卫星的观测数据)三部分构成。用户部分:接收机仪器。接收机接收卫星发射的信号,对信号进行交换,得到测量数据,把数据输入到软件中,经基线解算,平差得出地面点的坐标。1.3 GPS 的定位原理GPS 进行定位的基本原理,即将卫星当作“飞行”的控制点,运用观测数据和导航电文提供的卫星位置 等已知信息,进行空间距离交会,确定接收机的位)(ssSzyxX,,2置 。GPS 定位原理可分为绝对定位原理和相对定位原理。)(kkzyxX,,GPS 绝对定位原理是:以卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准,依据已知的卫星瞬时坐标,确定接受机所处的位置。绝对定位本质是空间后方交会,即在某一控制点上,只需 3 个独立间隔观测值。但为了提高精度,在一个测站上,最少同步观测 4 颗以上卫星,从而求解 4 个位置参数。GPS 相对定位原理是:将两台接收机安设在基线的两个端点上,静止不动,同时观测4 颗以上卫星,确定基线两个端点在协议地球坐标系中的相对位置。而在实际工作中,常常将机子扩展到 3 台以上,提高成果的可靠性。如下图所示:图 1-1相对定位原理由于对 GPS 绝对定位精度的影响,卫星轨道误差不可避免,时钟误差和信号传输误差和其他因素不可避免。虽然模型的修正能削弱,可是无法不考虑改正的残差。而 GPS 相对定位是目前 GPS 测量中定位精度较准确地方法,广泛的应用于测量工作中。静态相对定位,常常以测相伪距观测值为基本观测量,测相伪距静态相对定位是目前定位中精度最高的一种方法。本节以伪距测量为例介绍 GPS 定位原理。伪距法定位是:根据已知的卫星位置,测量多余四颗 GPS 卫星的伪距,用距离后方交会求控制点的三维坐标。测距码伪距是由时间延迟,乘于光速所得的距离。因为卫星钟、接收机钟的误差和无线电信号的延迟,实践中测量的距离 和卫星到仪器的几何距离存在差值,一般称测出的距离为伪距。以下 k 为测站号,j 为卫星编号,i 为历元编号。伪距观测值 为:ijk,,(2-1 ),(),(,, jkjtctij ionitropijik  式中: 为接收机钟差, 为卫星钟差, 为对流层折射影响,采用对流层iktij kitr,改正模型进行计算改正, 表示电离层折射影响,也可以采用改正模型进行改)(kion,正。设 为正确的卫星至接收站的距离,则计算公式为:ijk,,= (2-2 ),, )()()( 222 kjkjkj zyx3卫星坐标 为已知的,考虑到式(2-3-2),在式(2-3-1)只有 4 个未知数:jjzyx,三个坐标未知数 及 。因此,在观测同一时期,4 颗卫星同时观察到,4 个kkikt观测方程,可求解。如果同时观测卫星超过 4,则存在冗余观测,这时,式( 2-3-1)线性化,然后通过最小二乘平差计算。因线性化后的方程只取了一次项,若起初偏差太大,为防止去掉的高次项对解算结果的影响,采取解出的坐标从新作00,kkzyx为近似值,循环求解 。 1.4 GPS 定位系统的特点首先是观察时间很短,与 GPS 系统的不断改进,提高水平的软件 ,前几个小时观察周期已经缩短到现在的几十分钟, 甚至几分钟, 目前的模式是静态相对定位,观测基线观测所需的时间在 20 公里双频接收机是只有 15 ~ 20 分钟,因此使用 GPS 技术建立控制网,可以大大提高操作效率。其次是测站间无需通视,测量技术是严格的要求,必须建立大量的监管标准,实现这个经典测量带来相当大的困难。GPS 测量只需要在车站开放, 保持 inter-satellite 通过,就可以, 不需要之间通过, 车站,消除测量需要建立。这个优势可以极大地减少财务和时间测量(通常由标准成本资金总额的 30%到 50%),而且网站工作的选择变得非常灵活,可以根据工作的需要确定点位置可以省略在经典测量通过计算点,测量的过渡点。第三是仪器操作简便,持续改进的 GPS 接收器、GPS 测量的自动化程度增加,和一些已经倾向于“傻瓜。”主要观察测量员几千就仪器连接到电缆时,天线和大量的气象数据,工作状态监测设备,和其他观察,如卫星采集、跟踪和记录观察由仪器自动完成。结束时测量,简单地关掉电源,收到了良好的接收器, 将完成现场数据采集任务。第四是全球定位的天气,GPS 卫星的数量更多,和分配,以确保全球表面不断,因此用户可以观察到地球上任何地方在任何时间至少四个 GPS 卫星,你总是可以全球观测天气,除了一般的观察应该打雷闪电,其他天气( 如下雨下雪,风的雾,等等)不受影响, 这是典型的测量不能。这个特性, 确保 GPS 测量的连续性和自动化。第五是可提供全球统一的三维地心坐标,经典的大地高程面和其他由不同的方法测量,和 GPS 测量可以准确地测量在同一时间观察地球的平面位置和高程。目前 GPS 精度达到第四层测量。此外,GPS 定位在全球协调的 wgs - 84 坐标系计算, 全球的结果测量在不同的位置是相互联系的。最后是广泛使用,随着 GPS 定位技术的发展,其应用领域的不断扩大 ,GPS 技术可用于国民经济的各个领域。目前,在导航方面, 它不仅广泛用于海上导航 ,空气和土地移动目标, 而且在移动对象的监测和管理,以及其他移动对象的警察和救援方面也已成功应用,应用 GPS 技术在工程测量一个前景广阔。2. C、D 级 GPS 控制网测量2.1测区概况龙岩市位于福建省西南部,地理位置:东经 116°54′~117°04 ′;北纬 25°00′ ~25°13′,控制面积约 200km2。地势由西北、东南高,东北、中部低。中部较为平坦多数为建成区,周围为山地及部分耕地,测区最高峰九峰岐海拔 1063m,多数为林地,4树林覆盖较密通行,通视困难。主要河流龙川(雁石溪)为九龙江北溪上源。交通方面,厦长高速龙长段、319 国道、203 省道穿过本市,赣龙、龙梅、漳龙铁路贯穿本市,以市区为中心通往各乡镇均有等级公路或水泥路相通,多数与国道、省道交织成网,交通尚属方便。居民基本为汉族,通行闽南方言龙岩话,一般能讲普通话,联系工作尚为方便。2.2作业依据2.1 国家标准《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001),简称《GPS 规范》;2.2 国家标准《国家三、四等水准测量规范》(GB 12898-91),简称《水准规范》;2.3 乙方编写甲方审批《龙岩市城区 C、D 级 GPS 控制网测量技术论文》。2.3已有资料分析及利用测区范围内有福建省测绘院 2002 年 9 月施测的 A 级 GPS 网点 A047、F024 等点,成果为中央子午线 117°,6 °带高斯平面直角坐标坐标,属 1980 西安坐标系,点位保存良好、精度满足要求,可用于测区 C 级 GPS 控制网 1980 西安坐标系起算依据,福建省测绘院2002 年 9 月施测的 C 级 GPS 网点 482P~484P、499P ~501P 等 6 个点,并入新布设的 C 级GPS 网作为检核;测区周围有总参测绘局施测的国家二等三角网点Ⅱ九峰岐山、Ⅱ西岐山、Ⅱ人面山、Ⅱ石罗岐共 4 个点,成果为中央子午线 117°,6 °带高斯平面直角坐标,属1954 年北京坐标系,可用于测区 C、D 级 GPS 控制网 1954 年北京坐标系起算依据。龙岩市境内,319 国道沿线有 2003 年国测三队施测的朋牛线一等水准点Ⅰ朋牛24~ 29; 2003 年国测三队施测的龙茶线二等水准点Ⅱ龙茶 4-1~9-1 ;福建省测绘院 2002年 9 月以二等水准联测的 A、C 级 GPS 网点 A047、482P。成果属 1985 国家高程基准,作为测区三等水准联测依据。测区已有的 1:10000 或 1:50000 比例尺地形图可用于设计和作业计划安排使用。2.4.GPS控制网2.4.1 GPS 控制网的布设本测区 C 级 GPS 控制测量以 A 级 GPS 网点 A047、F024 为基础(1980 西安坐标系起算依据), 福建省测绘院 2002 年 9 月施测的 C 级 GPS 网点 482P~484P、499P~501P 等 6 个点,并入新布设的 C 级 GPS 网作为检核;以国家二等三角网点Ⅱ九峰岐山、Ⅱ西岐山、Ⅱ人面山、Ⅱ石罗岐为基础(1954 年北京坐标系起算依据),按边连式严密布网,边长一般应控制在 5km~10km 间,平均边长应小于 8km,共 28 点(含起算点)。D 级 GPS 网以本期布设的 C 级 GPS 网为基础,按边连式严密布网,边长一般应控制在 1km~3km 间,平均边长应小于 2km,共 71 点。2.4.2GPS 点位选埋(1)选点a.为结合区域连续运行卫星定位服务系统建设的需要,拟选择 4 个基础稳定,通讯、电力设施齐全的观测点,建立观测墩(位置由甲方确定),作为以后建设连续运行卫星定位服务系统的观测站,这样不但可以避免重复建设,而且可以建成后的连续运行卫星定位服务系统与区域大地基础控制保持系统的一致,保证基础控制的延续。b.各等级 GPS 待定点,原则根据 1∶1 万图上圈定的点位选定,为满足一级导线布设的要求至少保证有两点通视,点位均选在基础稳定,土质坚实的地面上或坚固的建筑物顶上,有利长期保存使用。c.点位环境适应于安置接收机设备和操作,视野开阔,视场内障碍物的高度角均小于515°。d.点位一般均远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等),其距离均大于200m;距离高压输电线均大于 50m。e.附近无强干扰卫星信号接收的物体,并避开大面积水域。f.GPS 点位选定后,均按要求绘制点之记。(2)埋石a. C、D 级 GPS 点的标石按《设计书》附图三要求制作,中心标志采用不锈钢标志。b.与旧点重合时,均利用旧点标石,并在点之记中加以说明;当选在坚固房顶上时,采取去掉隔热层后按要求埋设。C、D 级 GPS 点的点名一般以地名、村名、山名、单位名称命名,由于旧点被破坏新点与旧点同名时,则采取在旧点名后以括号加注新字如:后山头(新),少数不易取名的点位,则采取冠以英文字母“C”、“D”加流水编号如:C01,C02………Cn;D01,D02………Dn。GPS 点标石面均刻有“GPS”;年代“2008”;单位“市国土局”。2.4.3 C、D 级 GPS 观测采用经计量单位检定合格的三台套以上 Trimble R8(±5 mm + 0.5 ppm×D)双频接收机及五台套以上 Trimble 4600LS(10㎜+3ppm×D)单频接收机同步观测一组卫星,观测方法采用静态测量方法。(1)测区概略定位解的取值为东经 117°00′北纬 25°06′。作业前按要求选择最佳的观测卫星组以及观测时间段,本测区控制范围较大点位多数靠近交通线,作业过程中应采取分区逐块有序进行,以保证观测质量,主要技术指标见下表:表 2-1 GPS 观测主要技术指标(2)作业前应对光学时点器进行校正,作业中测站应严格对中和整平。天线定向标志线应指向正北,天线高度观测前后应各量取一次,当两次量高之差≤3mm 时,取平均值作为最后天线高度。(3)观测前后应按要求填写 GPS 观测手簿,手簿中各项内容记录一律采用铅笔填写,数据必须真实清晰,天线高等不得伪造和涂改。2.5观测数据处理及平差计算(1)基于 IGS 精密星历,采用 Gamit/Globk 或者相关软件对 GPS 测量结果进行基线解算及平差。为提高控制网的总体精度,对于 C、D 级 GPS 控制网分别采用广播星历和精密星历进行基线向量处理及基线向量网无约束平差。在基线向量网基础上采用相关软件进行GPS 网的约束平差。(2)基线解算结果的检核,应符合以下规定:a.计算同一时段观测值的数据剔除率,其值应小于 10%;项 目等 级卫星高度角 有效卫星数 (静态) 强度因子PDOP平均重复设站数(次)时段长度(min)数据采样率(″)C 级 ≥15° ≥6 ≤6 ≥2 ≥90 15D 级 ≥15° ≥4 ≤8 ≥2 ≥60 156b.若干个独立观测边组成闭合环时,各坐标分量闭合差应符合下式规定: Wx≤2σ nWy≤2σWz≤2σW≤ 2σ n3式中:n——闭合环中的边数差,σ——相应级别相邻点间弦长的精度(按平均边长计 算) c.同一条边任意两个时段的成果互差,应小于接收机标称精度的 2 倍。d. 相应级别相邻点间弦长的精度计算公式:σ=± 22*dba式中:σ——标准差(mm),a——固定误差≤10mm,b——比例误差系数≤10ppm,d——相邻点间距离(km)(3)基线解算方法可采用双差固定解,但同一时段劣质基线的剔除率不宜大于 10%。(4)坐标平差计算,可采用武汉大学测绘科学技术学院的平差软件包《CosaGPS》进行,平差方法应以 C 级点为依据,采用约束平差,并根据合同要求,同时提供 1954 年北京坐标系坐标和 1980 西安坐标系坐标。各项精度指标以及成果取位按应满足《GPS 规范》相关规定要求。(5)为确认 GPS 观测成果精度,在平差过程中,应采用测距仪进行至少两条边的检验,其记录和结果应作为成果一并上缴。(6)GPS 观测成果及最后平差成果汇总,应复制成相应光盘,并打印装订成册,以保证数据安全。成果内容应包括:1980 西安坐标系坐标、1954 年北京坐标系坐标、 坐标84WGS系坐标及大地高、 格式基线向量数据(光盘数据)。linux(7)GPS 计算工作结束后,作业组应提供单独一份 GPS 控制网图,图上的相互通视的边应醒目表示,同时提供相应的 CAD 电子文档。3. 三、四等水准测量3.1 三等水准测量3.1.1 三等水准布网本测区三等水准网,采取以国家一、二等水准点为基础,以附合水准路线或结点水准网联测平坦区域的 C 级 GPS 点,联测数量应不低于 60%。少数位于山头或高层建筑物上的点,则在其附近布设联测临时水准点,以三角高程推求高程。水准附合路、线环线长度和每公里水准测量偶然中误差 、全中误差 按下表规定执行:MW表 3-1 三等水准主要技术指标 项 目 附合路线长 环线周长 同级结点距 支线长度 偶然中误差 全中误差 备 注7等 级 度(km) (km) 离(km) (km) (㎜)M(㎜)W三等水准 150 200 70 70 3.0 6.03.1.2 水准观测(1) 仪器选择,本测区可选用 DS1 型水准仪和线条式因瓦水准标尺或 DS3 型水准仪和 3m 区格式木质水准标尺。(2) 水准观测作业前必须对水准仪和水准标尺按《规范》规定项目进行检验。主要项目见下表:表 3-2 水准仪和水准标尺检验技术指标 (3) 水准观测的主要技术要求及技术指标见下表:表 3-3 水准观测技术指标表 内 容等 级仪 器 前后视距 差(m)视距累积 差(m)基、辅分划读数 差基、辅分划高差差左右路线转点差(㎜)间歇点高差之差(㎜)内容顺序 检 验 项 目限 差(㎜)1.标尺检视;2.尺圆水准器的检校;3.标尺分划面弯曲差的测定; 8.04.一对标尺零点不等出差及基辅分划读数差的测定; 零点差 1.0/基辅 0.55.一对标尺名义长度的测定; 0.5水准标尺6.标尺分米分划的测定。 1.01.水准仪的检视;1. 水准仪上概略水准器的检校;2. 十字丝的检校;3. 视距常数的测定;4. 调焦透镜运行误差的测定; 1.05. 水准仪交差误差的检校;6. 角的检校。i 20″水准仪8.测站高差观测中误差和竖轴误差测定。 1.0/竖轴误差 0.3
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