GPS在工程测量中的应用研究

武汉大学毕 业 设 计（论文）题目：GPS 在工程测量中的应用研究专 业： 地理信息与地图制图学 院 ： 武汉大学资源与环境学院学 号： 201253081039姓 名： 何子菇论文指导教师： 石玉婷 摘要GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS 定位技术以其速度快、精度高、全天候，不受通视条件限制、费用少、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说 GPS 定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫 GPS 网, GPS 网可以分为两大类：一类是全球或全国性的高精度 GPS 网，其主要任务是作为全球高精度坐标框架过全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动，或地壳变形规律问题。另一类是区域性的 GPS 网，包括城市霍矿区 GPS 网，GPS 工程网等，这类网的相邻点间的距离为几公里至几十公里，起主要任务是直接为国民建设服务。本文通过 GPS 建筑工程测量应用，总结 GPS 在工程测量中的特点及测量经验。关键字：GPS；GPS 网的布设；坐标系目录摘要 .II目录 .III第一章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状及应用 .21.3 研究目的及内容 .3第二章 GPS 测量原理 .52.1GPS 的应用及发展 .52.2GPS 的结成 .62.2.1 空间星座部分 .62.2.2 地面控制部分 .62.2.3 用户部分 .72.3GPS 定位原理及分类 .72.4 高程测量原理 .92.5 坐标系统及坐标系的转换 .102.5.1 坐标系统 .102.5.2 坐标系的转换 .12第三章 GPS RTK 测量基本原理 .133.1RTK 的基本介绍 .133.2RTK 的基本工作原理 .133.3RTK 作业流程 .143.4RTK 误差来源 .14第四章 GPS 控制网的布设方法 .154.1GPS 网的布设方法 .154.2GPS 网的多路径效应 .16第五章 GPS 在工程测量中的应用实例分析 .17第六章 结论 .20参考文献 .21致 谢 .22专 业： 地理信息与地图制图 .I学 院 ： 武汉大学资源与环境学院 .I学 号： 201253081039 .I姓 名： 何子菇 .I论文指导教师： 石玉婷 .I摘要 .II目录 .III第一章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状及应用 .21.3 研究目的及内容 .3第二章 GPS 测量原理 .52.1GPS 的应用及发展 .52.2GPS 的结成 .62.2.1 空间星座部分 .62.2.2 地面控制部分 .62.2.3 用户部分 .72.3GPS 定位原理及分类 .72.4 高程测量原理 .92.5 坐标系统及坐标系的转换 .102.5.1 坐标系统 .102.5.2 坐标系的转换 .12第三章 GPS RTK 测量基本原理 .133.1RTK 的基本介绍 .133.2RTK 的基本工作原理 .133.3RTK 作业流程 .143.4RTK 误差来源 .14第四章 GPS 控制网的布设方法 .154.1GPS 网的布设方法 .154.2GPS 网的多路径效应 .16第五章 GPS 在工程测量中的应用实例分析 .17第六章 结论 .20致 谢 .221第一章 绪论1.1 研究背景及意义全球定位系统(GPS)是英文 Global Positioning System 的字头缩写词的简称。它是利用卫星导航实时测距和测时构成全球定位系统。它是 1973 年 12 月，由美国国防部以及海、路、空三军联合研制的新一代卫星导航系统，主要用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。GPS 是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,GPS 技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用,并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。在测量领域最早应用于地形、高程、等级控制网点的测量，现在仍然应该于这些重要领域，在其它测绘领域也硬功频繁。比如：用于各类型的工程施工放样、测图、变形监测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中的数据采集工作。在国家各种类型、各种等级的控制网的布设中以基本取代了传统的测量方式，成为主要的技术手段。国家 GPS A 级控制网于 1992 年由国家测绘局、中国地震局等单位开始布测，全网 27 个点，平均边长约800km。1996 年国家测绘局进行了 A 级网的复测，经全网整体平差后，地心坐标精度优于0.1m，点间水平方向的相对精度优于 2，垂直分量相对精度 710-8。布设 A 级网的目的就是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数,作为高精度卫星大地网的骨架，并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础。作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家人级网的基础上，建立了国家 B 级网。新布设的 A、B 级 GPS 控制网成为现代化大地测量和基础测绘的基础框架。GPS 技术作为现代化测量中最主要的测量手段，它具有不需要通视、不受天气影响、能够直接或得三维坐标等优点外，还可以节省大量的时间和人力，所以 GPS 技术成为大地测量最重要的测量手段。GPS（全球定位系统）在车辆导航、变形监测、航空航天等方面得到了广泛的应用。由于其的独特性，GPS 测量技术在水利水电测量中也有广阔的应用。由于 GPS 测量仪在水利水电工程中的应用，测量不再受到地形地势等条件的影响，通过控制测量的观测方法和布局类型，大大减少了传统测量中的传算点和过度点的测量工作，使控制选点变的较为灵活。并且控制测量也可以不受到时间、天气等自然条件的影响了。现在，GPS 定位技术除了广泛应用于飞机和水面船只的导航定位外，在陆地道路导航定位系统中也或得了越来越广的应用。随着我国道路建设和汽车工业的飞速发展，便携式的道路实时导航和监控越来越受到人们的普遍关注。如何使 GPS 定位导航系统变得更加轻2便、更加精确和可靠已成为人们越来越强烈的需求。GPS 定位技术离不开计算机系统，如果要实现更复杂的功能则需要更加强大的计算机系统。采用更高级的微计算机系统嵌入式系统，就可以很好的解决超便携和高性能的矛盾。目前，市场上几乎所有的便携式 GPS 定位系统、导航设备都采用嵌入式系统。1.2 国内外研究现状及应用今年来，随着国民经济的飞速发展，我国的汽车工业和城市化进程进入了一个高速前进的阶段，GPS 定位系统的市场迅速发展壮大。以 GPS 为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。在近十多年，随着全球定位系统的软件和硬件的不断发展和完善，该系统已广泛地应用于国民经济建设和科学技术的许多领域，并逐渐深入到人们的日常生活中，与此同时，人们对于 GPS 的需求也越来越强烈。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS 独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多应用领域，使 GPS 成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个 IT 经济新增长点。GPS 对人类活动的影响极大，应用价值极高。它可以从根本上解决人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。虽然最初 GPS 卫星定位系统是为军事目的而设计，单其精密的全球定位、简便的观测、优异的实时性、良好的抗干扰性能等优点得到了广泛的应用。GPS 应用主要分为两种类型，一种为单机应用，即采用独立的接收机做单点静态多动态定位或单点高精度定位策略。另一种则以 GPS 接收机配合中心控制站，辅以无线数据通信设备，实时进行数据交换，构成 GPS 应用系统。对舰船而言，它能在海上协同作战、石油勘探、海洋捕鱼、管道铺设、暗礁定位。为海港领域等方面作出贡献。对飞机而言，它可在飞机起飞，中途导航，着陆，空中回合、武器投掷、空中交通管制等方面进行服务。在陆地上可用于各种车辆、坦克、陆军部队等定位，还可用于大地测量、野外考察、勘探定位。GPS 已经深入到每个人的生活之中，GPS 车辆调度监控系统已广泛应用于银行、公安、交通管制、消防等部门。GPS 引发了测绘行业的一场技术革命，提供了一场崭新的观测手段，并能进行快速的大地定位和布设大地网。GPS 也为打造其研究和气象观测提供了重要手段，利用 GPS 所测定的电离层延迟和多普勒频移延迟，可用来研究电离层的电子积分浓度、折射系数、电子浓度随高度分布。国内 GPS 市场呈现出两个重点发展趋势。 (1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。在 GPS 应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初 GPS 车辆应用一般分为车辆跟踪和3车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后它就成了发展的方向。GPS 车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS 技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等 3 部分构成。系统的工作原理是安装在车辆上的 GPS 接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从 GPS 接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前者是指车主离开汽车、停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏和移动时、车辆通过自身的监控系统向 GPS 监控中心发出警报、并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录、甚至控制车辆断电和断油等。(2)面向个人消费者的 GPS 终端产品。 芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素使 GPS 产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。 移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分。有用于集装箱等货物、车辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品、也有多功能的综合车载平台。但随着产品成本的降低与体积的微型化，市场上已出现供儿童、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用的手表类、寻人仪和儿童玩具型GPS 产品。它们可佩带在身上、嵌入老人的拐棍中、甚至植入体内。与上述产品相比，各种个人消费类 GPS 电子产品则更加接近人们的生活。有集成了GPS 芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS 手持机、GPS 手表甚至 GPS 相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF 卡式 GPS 接收机)式、外接(GPS接收机) 式等集成产品。目前国内市场上多见的是高明公司、麦哲伦公司、Navman 等外国公司品牌的 GPS 手持机和汽车导航仪等。1.3 研究目的及内容GPS RTK 技术作为测绘领域内的高科技技术，已经为测绘提供了有力的测量定位手段，特别是 GPS RTK 测量技术的发展和推广，使得 GPS 测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段。扩大了 GPS 测量的应用领域。本题探讨了 GPS技术和 GPS RTK 技术的组成、应用及特点。载波相位差分技术即 RTK 技术，它是建立在全球定位系统（GPS）基础之上的实时动4态定位技术，常规的 GPS 测量方法，如静态、快速静态、动态测量、都需要事后进行结算才能获得厘米级的精度，而 RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，是GPS 应用的重大里程碑，它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。本题探讨了 GPS 在建筑工程规划到实地建设后的变形监测，运用常规的测量手段和GPS RTK 技术对其位置进行检验，然后对两次测量结果进行比较，从而得出运用 GPS RKT 技术测量得出的结果，比全站仪常规测量手段得出的结果较原建筑设计坐标接近；从而也可以看出 GPS 技术比常规的测量手段精度高、省时间。5第二章 GPS 测量原理2.1GPS 的应用及发展GPS 定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特征被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说 GPS 定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。我们一般将应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫 GPS 网。归纳起来大致可以将GPS 网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度 GPS 网，这类 GPS 网中相邻点的距离在数千公里至上万公里，其主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间学的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS 网，包括城市或地区性的板块运动或地壳形变规律点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。这一定位技术己普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、地籍测量、航空摄影和海洋测绘、运载工具导航和管制、地壳运动监测、监测、资源勘察、地球动力学等诸多测量领域。可以认为，GPS 定位技术已经使经典的测量枯术经历了一场意义深远的变革，从而进入一个崭新的时代。精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级为目的的工程测量工作。随着 GPS 系统的不断完善，其软件性能也随之不断改进。在大地测量方面，利用 GPS 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。1992 年全国 GPS 大会战。经过数据处理，GPS 网点地心坐标精度优于 0.2m，点间位置精度优于 10-8。在我国建成了平均边长约 100km 的 GPS A 级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用 GPS 实时动态定位技术（简称 RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用 GPS 技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、记载 GPS 航测等航测成图的各个阶段。在地球动力学方面，GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用 GPS 技术监测南极洲板块、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂远动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈 GPS 形变监测网等。GPS 技术还用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防只能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了 GPS 技术的研究和应用。62.2GPS 的结成GPS 系统包括三大部分：空间部分（GPS 卫星星座）；地面控制部分（地面监控系统）；用户设备部分（GPS 信号卫星接收机）。2.2.1 空间星座部分(1)GPS卫星星座全球定位系统的空间星座部分，由 24 颗卫星组成，其中包括 3 颗可随时启用的备用卫星。工作卫星分布在 6 个近圆形轨道面内，每个轨道面上有 4