卫星定位系统在公路工程控制测量中的应用.doc

卫星定位系统在公路工程控制测量中的应用一、 GPS控制网的内业设计 1.GPS控制网设计 GPS控制网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的全球定位系统(GPS)测量规范及建设部颁发的全球定位系统城市测量技术规程。（一）GPS网技术设计的一般原则(1)、充分考虑GPS控制网的应用范围对于工程建设的GPS网，应当既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑到施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制网，既要考虑近期建设和规划的需要，又要考虑远期发展的需要，还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建成为廉有监测三维形变功能的控制网。这样监测GPS网既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网在城市建设中的作用。 (2)、采用分级布网的方案分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，由于GPS测量具有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设，但有计划地分级布设GPS网，有利于测区的近期需要和远期的发展。例如，大城市的GPS控制网可以分为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1km-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成为由独立的GPS基线向量边（简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，但网中不允许存在支线。（二）GPS测量的精度标准GPS测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为 = a + bd 式中 距离中误差，mma固定误差，mmb比例误差系数，10-6d 相邻点的距离，km国家测绘局1992年制订的我国第一部GPS测量规范，将GPS的测量精度分为 A-E5级（见下表）。其中A，B两级一般是国家GPS控制网，而C，D，E3级则是针对局部性GPS网规定的，在GPS网的技术设计中，应根据测区大小和GPS网的用途来设计网的等级和精度标准。表 GPS的测量精度ABCDE固定误差a/mm58101010比例误差系数b/10-60.1151020相邻点最小距离/km10015521相邻点最大距离/km200025040150相邻点平均距离/km3007015-1010-55-2（三）坐标系统和起算数据GPS采用的1984年世界大地坐标系（world geodetic system，WGS84坐标系）是一个协议坐标系，其空间直角坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向国际时间局（BIH1984.0）定义的地极方向。而实用上需要得到的是参心坐标系，在我国即1980年国家大地坐标系和1954年北京坐标系（或地方独立坐标系）的坐标，“参心”意指参考椭球的中心。为此，在GPS网的技术设计中，必须有GPS网的成果所采用的坐标系和起算数据，即GPS网所采用的基准，或称之为GPS网的设计基准。GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定；方位基准可以通过给定起算方位角决定，也可以GPS基线向量的方位为方位基准；尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。2. 影响GPS测量技术设计的因素GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑：（1）、同测站有关的因素网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计。（2）、同观测卫星有关的因素观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高度角；星历来源。（3）、同仪器有关的因素接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。（4）、后勤方面的因素动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。 3.GPS控制网的图形设计对于常规方法布设的三角网、三边网或导线网，图形设计是非常重要的一项工作。良好的图形设计可以减少野外选点的工作量，节省造标的经费，也为得到较高精度的成果打下基础。由于GPS的同步观测不要求通视，因此，GPS网的图形设计也具有很大的灵活性。（1）所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。 （2）GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。（3）GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。（4）考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为精确求定转换参数，(GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。 4.技术指标按照规范要求，其控制网的精度符合如下规定。相临点间的最小距离保持为平均距离的1213；相临点间的最大距离保持为平均距离的23倍。其主要技术要求见下表：表 GPS网的主要技术要求等级平均距离(km)边长中误差(m)最弱边相对中误二等9101120000三等510180000四等210145000一级110120000二级1151/100002、 GPS控制网的外业设计1. 选点要求由于GPS测量观测站之间不定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，点位的选择应符合下列要求。 （1）.点位周围应视野较开阔，如公园、运动场、地面停车场内或建筑物楼顶，以利于安置接收设备和扩展、联测。（2）. GPS网点视场内不应有大于仰角15的成片障碍物，以免阻挡来自卫星的信号接收。（3）. 选定能便于长期保存，稳定坚固的地方设点，国家和地方基准点应埋设固定的标石或仪器墩用于安置接收机天线、墩标设于楼顶时，要对大楼的稳定性和形变定期监测。（4）. GPS网点应避开高压输电线、变电站等设施，其最近处不得小于100m，同时距离省市级强辐射电台、电视台、微波中继站不得小于300m，需要在这些地点设站时，必须在停止播发的时间段上进行定位作业。 （5）. 交通便利点位离开附近可通轻便车的道路不应超过500m，且在点位30m内有足够的空间安置接收机和方便操作进行。（6）. GPS网点应避开对电磁波接收有强烈吸收和反射影响的金属和其他障碍物，侧面倾向测站的各种平面物体，大范围水面等等。2.埋石由于时间要求，埋石拟与选点同时进行。根据现场具体情况，采用埋预制标石和现浇混凝土两种形式，不管采用哪种形式标石及标志规格应符合规范要求。埋设时坑底填以沙石，捣固夯实，考虑到天气的因素，现浇混凝土应适当添加防冻剂并应做好防冻措施。3.外业观测外业观测采用四台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS卫星接受机，GPS接收机标称精度的固定误差a5 mm，比例误差系数b2*106。进行同步观测。观测前应对接受机进行各项相关检验，确认仪器性能良好。根据GPS网形设计编制作业调度表，作好人员和交通工具的配备。观测者应根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角150，时段长度45min，采样间隔10 s。在4个点上同时安置4台接收机天线(对中、整干、定向)，量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿和外业观测记录，并应随时监视仪器的状态，发现不良反应，及时报告或记录案。观测要求按照下表进行测量。表 GPS测量作业基本技术要求项目观测方法技术要求卫星高度角静态15度有效卫星数静态4颗平均重复测站数静态1.6时段长度静态45分钟历元间隔静态10秒图形强度因子静态6三、GPS控制网的外业实施1.仪器准备此次C级控制网的建立所采用的仪器是南方NGS9600型GPS接收机，该接收机是以四台套进行工作。所以作业以前准备四个三脚架，四台接收机，四个盒尺。1 GPS接收机的选用对于不同的GPS网的类级和控制等级，精度要求不一，此处提出选用接收机的基本要求，见下表表 接收机的选用级别ABCD、E单频/双频双频双频双频单频双频单频标称精度a5mm，b0.5a5mm，b1a10mm，b2a10mm，b3观测量载波相位或载波相位+P（Y）码伪距载波相位或载波相位+P（Y）码伪距载波相位或载波相位+P（Y）码伪距载波相位或载波相位+P（Y）码伪距同步观测接收机数4322南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图：是GPS网的总体设计实地定点、埋石GPS观测计划准备基线向量解算数据传输野外定位观测及记录GPS网平差成果输出打印质量合格否图 2. 接收机及附属设备的检验与维护（1）、接收机、天线及其他设备是否完整齐全，可随时出测。（2）、各设备及电缆外部有无损伤、锈蚀，能否确保安全连接。 （3）、充电后信号灯、按键、显示系统以及仪表工作是否正常，可用自测试命令进行测试。 （4）、用于A、B级的接收机，每年出测前至少检定一次，按规范要求应在不同长度的标准基线或规定的比较基线或GPS测量检验场上进行测试。 （5）、新出厂的A、B级GPS观测的接收设备应进行天线相位中心稳定性检验，经检验或更换插板的接收机，有关检验和试测项目需要重新进行。（6）、通风干湿表及空盒气压表，至少每三年送检一次，天线的圆水准气泡和光学对中器每年至少进行一次检校。3.人员组织每台接收机必须有一个人进行操作，为了全面加强控制测量工作的领导，测量队伍还成立了职员组和技术指导组。职员组的主要任务是在进行测量时负责操作仪器及看管仪器。技术指导组的任务是具体负责组织控制测量实施过程中的的重大技术性问题。4.仪器安装将准备好的三脚架架到已经选好的待测点上，将接收机安装到三脚架上对中、整平。量取天线高，开机进入工作阶段。注：本次观测采用的作业模式是静态定位模式：（1）作业方法：采用四台接收设备，分别安置在基线的两个端点同步观测颗以上卫星，每时段长45分钟。（2）精度：基线的定位精度可达5mm+lppm。D,D为基线长度(千米)。（3）注定事项：所有已观测基线组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性。并通过平差，助于进一步提高定位精度。5. 野外观测 野外观测应严格按照技术设计要求进行。 （1)、安置天线:天线安置是GPS精密测量的重要保证。要仔细对中、整平、量取仪器高。仪器高要用钢尺在互为120方向量三次，互差小于3 mm。取平均值后输入GPS接收机。 (2)、安置GPS接收机:GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。(3)、操作：按规定时间打开GPS接收机，输入测站名，卫星截止高度角，卫星信号采样间隔等。GPS接收机记录的数据有：GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻及伪距观测值和载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。 (4)、检查：一个时段测量结束后要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误再关机、关电源、迁站。四、 数据传输与数据处理1.数据传输观测完毕即可进行数据传输，数据传输是内业工作的基础工作，在数据传输过程中必须严格按软件的操作程序进行操作，要认真的对待这一过程。本次观测数据传输，是将NGS9600型GPS接收机与计算机连接，使用相应的软件进行数据传输和处理。（一）连接计算机和GPS接收机前的准备（1）、保证NGS9600型主机电源充足，打开电源（2）、用通讯电缆连接好电脑的串口1(COMl)或串口2(COM2)。（3）、要等待(约10秒钟)9600主机进入主界面后再进行连接和传输(初始界面不能传输)。（4）、设置要存放野外观测数据的文件夹，可以在数据通讯软件中设置。（二）进行通讯参数的设置（1）、选择“通讯”菜单中的“通讯接口”功能，系统弹出图4-3所示的通讯参数设置对话框。 （2）、在通讯参数设置对话框中选择通讯接口COM1或COM2，鼠标单击“确定”按钮。图 通讯参数设置对话框（三）连接计算机和GPS接收机图 连接计算机和GPS接收机后的程序菜单选择“通讯”菜单中的“开始连接”功能或直接在工具栏中选择“连接”。如果在第二步中设置的通讯参数正确系统将连接计算机和GPS接收机，在程序视窗的下半部分显示GPS接收机内的野外观测数据。见图4-3。如果通讯参数设置不正确，请重复第二步的操作。（四）数据传输（1）、选择“通讯”菜单中的“传输数据”功能，系统弹出图4-4所示的对话框。（2)、在GPS数据传输对话框中选择野外的观测数据文件，鼠标单击“开始”。（五）断开连接选择“通讯”菜单中的“断开连接”功能或直接在工具栏中选择“断开”，即可断开计算机和GPS接收机的连接。例如要将数据保存在E盘根目录下JT文件夹中，则可以进行如下操作：(1)、打开E盘根目录下JT文件夹；(2)、选定欲传输的数据（如2113点数据）如图。(3)、在图的对话框中可更改点名、仪器天线高、时段号。(4）、然后鼠标左键点击“开始”，该点上采集的数据“2113”将传输到你指定的E盘根目录下JT文件夹。（5)、断开连接。图 GPS数据传输对话框2. 数据处理GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用GPS数据处理软件。经济基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的三维坐标。（一）处理过程符合下列技术要求同一时段观测值基线处理中，二、三等数据采用率都不宜低于80%，同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表规定：表 同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定（ppm）等级限差类型二等三等四等一级二级相对闭和差2.03.06.09.09.0全长相对闭合差3.05.010.015.015.0（二）观测成果检验 1、每个时段同步环检验:同一时段多台仪器组成的闭合环，坐标增量闭合差应为零。由于仪器开机时间不完全一致，会有误差。在检核中应检查一切可能的环闭合差。其闭合差分量要求不超过限差。 2、同步边检验：一条基线在不同时段观测多次，有多个独立基线值，这些边称为重复边。任意两个时段所得基线差应小于相应等级