毕业设计（论文）-GPS在控制测量中的应用与精度分析.doc

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与精度分析 专 业： 测绘工程 班 级： 2011级测绘2班 学 号： 2011092625 姓 名： 林友桂 指导教师： 陈绍杰 职称： 教授 资源工程学院GPS在控制测量中的应用与精度分析资源工程学院 测绘工程2班2011092625 林友桂 指导老师：陈绍杰【摘要】：随着GPS定位技术的快速发展，测量行业迎来了重大变革。社会的快速发展也出现了越多越多的精密工程，在这些工程中，控制测量显得极其重要。因此很多专家学者也将研究的目光投向了GPS控制测量。为了加强对GPS控制网的深入了解，我们针对龙岩学院建立一个GPS控制网，通过数据获取、数据处理和数据分析，获得待测点的精确坐标，方便后续测量。本文结合龙岩学院GPS控制测量，简要的介绍了GPS的组成和原理、GPS控制网的设计和施测、数据处理和精度分析等过程。【关键字】：GPS控制网;网形布设;基线向量解算;网平差;精度分析目录1.引言11.1GPS简介11.2 GPS控制网与常规控制网对比分析11.3 我国GPS定位网的布设概况32.GPS测量概述32.1 GPS定位的基本原理32.2 GPS静态定位原理42.3 GPS动态定位原理43.GPS控制网的设计与内外业工作43.1 GPS控制网特点43.2 GPS控制网的网形设计43.3 测量的外业施测63.4 测量的数据处理64. GPS在龙岩学院控制测量中的应用实例74.1 任务概述74.2 GPS控制测量依据和技术要求74.3 GPS控制点的选择与编号84.4 GPS控制网的布设和分析84.5外业观测9 4.6内业数据处理9 4.7测量结果总结135.总结与展望136.致谢语15参考文献161. 引言 随着GPS技术的快速发展，GPS已经运用到我们生活的各个领域，其中最被大家所熟知的就是GPS导航和GPS定位技术了。在以往的测量中，大多是运用全站仪与经纬仪等进行测量。伴随着GPS的不断完善和发展，在测量的过程中逐渐的代替了传统的测量方式，逐步的成为了现代测量最常用的方式。现代施工控制测量中，GPS由于具有全天候、高精度、定位速度快、定位点间不需要通视的特点，已被广泛采用1。可以说GPS控制测量开启了控制测量一个崭新的时代，因此研究GPS技术在控制测量中的应用，对提高GPS定位技术的认识与发展具有重大意义。1.1GPS简介GPS，即美国根据自己国家的需要，开发了二十年，直到十九世纪九十年代初完成。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统2 。它的首要作用还是为美国的军事全球一体化提供定位、导航、地形收集以及信号通讯等军事目的所服务。GPS系统的构成主要包括地面的监控部分、空间的卫星部分以及用户的接受部分共同构建而成。结构如图1-1所示：图1-1 GPS系统的构成（1）空间星座部分 空间星座主要是由多颗卫星构建而成，这些卫星环绕在地球的周边，在用户需要其进行服务的时候，发射相应的信号给空间卫星，不少于四颗的卫星同时参与观测活动，获得最精准的数据，在GPS的系统构建中有空间卫星24颗。（2）GPS地面监控部分 这一部分是卫星信息接受和发出观测信号的中继站，它主要由信息控制中心、数据信息输入站点和空间卫星检测站点构成。（3）用户部分 用户是最直接使用GPS功能的群体，他们通过相应的信息传输装置，向地面监控部分申请观测数据，通过地面监控部分在接受空间卫星的返回的数据，反馈给用户，使用户达到定位的目的。1.2GPS控制网与常规控制网对比分析ME500的测距仪与T3经纬仪是现阶段我国最主要的精密控制网测量工具。为了研究GPS控制网在精密控制网的可行性，特意做了以下实验。布设了由5个点组成的精密控制网，如图1-2所示。每个点带有强制对中装置，首先采用ME500测边，再用T3测角，然后用GPS进行测量，观测2个小时。最后经过平差计算，求出全网各边的长度和点位坐标。结果如表1-1和表1-2所示图1-2 控制点分布表1-1GPS网与边角网边长比较表边名Sgps/Sme500/S2和3466244.1466244.3-0.22和4652860.9652861.4-0.54和5642664.7642664.30.42和5748678.5748678.3-0.31和51313474.21313470.5-0.31和41178112.51178112.40.13和5359343.8359344-0.21和2582624582650.70.33和4359894.2359893.70.5 表1-2 GPS网与边角点点位坐标比较点号平面坐标GPS/m平面坐标ME500+T3/m差值/mm4x=1417.275 y=812.9388x=1417.2747 y=812.9388x=0.3y=03x=1092.8954 y=968.8289 x=1092.8957 y=968.8289x=-0.3y=02x=1189.8049 y=1424.8904x=1189.8044 y=1424.8908x=0.5 y=-0.41x=1337.9964 y=1988.3808x=1337.9967 y=1988.3807x=-0.3 y=0.15x=774.7064 y=801.8232x=774.7066 y=801.8229x=-0.2 y=0.3 （1-1-1） （1-1-2） 通过对上述所得数据的统计和计算得出，运用ME500所测量得出的数据和运用GPS测量所得出的同边数据误差紧紧为0.34，运用GPS所测量得出的点位坐标数据同运用ME500和T3测得数据紧有0.29误差，两个测量数据中其较差都是有正有负，系统性的差异在两次测量中也均未显现出来，综上所述，GPS适用于控制网的构建。1.3我国GPS定位网的布设概况 随着科技的发展，我国在70年代末布设全国人造卫星多普勒定位网，全网由37个测站组成，测站的平均距离为800，最大间距1300。从20世纪90年代以来，中国的空间大地测量工作取得了相当大的发展3。在3年内，测定了700多个定位点，定位精度达到了国际先进水平。目前我国已经完成了A级和B级GPS网的布测和数据处理工作。目前我国的第一代A级网点就是运用GPS在多个地点坐标上经过长时间的观测而得出的地心坐标构建而成的。2. GPS测量概述2.1GPS定位的基本原理 GPS定位的基本原理是把GPS卫星视为一种飞行的动态已知点，在其瞬间位置已知的情况下（星历提供），以GPS卫星和用户的GPS接收机天线相位中心之间的距离为观测量，进行空间距离的后方交会，从而确定用户所在的位置4。GPS定位的方式有很多种，按照接收机运动状态的不同，可分为静态定位、动态定位和准动态定位4。静态定位是指定位过程中，GPS接收机相对周围点位处于静止状态；动态定位是指定位过程中，接收机处于运动状态；准动态定位是指定位过程中接收机处于“走走停停”的间歇运动状态5。2.2GPS静态定位原理观测站同观测卫星之间的伪距是GPS静态定位运用的最基本原理，又由于在观测中量的不相同，可以将其分成为测码和测相两种不同的伪距静态定位方式。而这两种测量的方式中，测相的定位由于依靠的是载波相位的技术，所以运用这种测量方法所测量出的结果是最精确的，所以在运用GPS的测量之中普遍运用的测相伪伪距静态定位。2.3GPS动态定位原理 基于在定位过程中参考物的不同能够分为绝对和相对两种方式。在我们的日常生活中运用与汽车、轮船和飞机的导航系统依据的就是其中的动态绝对定位，这种定位方式是通过安装在运动物体的上的数据信息接收器来实现同卫星的瞬时绝对位置的定位。不过这种方法的缺点就是容易受到外界的各种影响从而致使整个测量的数据和定位不够精确。所以精密的定位和数据测量并不能够运用这种方法。 3. GPS控制网的设计与内外业工作3.1GPS控制网特点 采用GPS技术布设控制网和常规控制测量方法布设控制网区别很大。GPS控制网无论是在布网方案,还是在平差模型方面,都与经典网有许多不同之处6。GPS控制网特点如下：（1） GPS的定位网中各个GPS控制网之间的关系并未遵循依次递进的原则，使其之间的的联系不再那么紧密。GPS网的分级更侧重针对于地域范围和规模大小，在同一个地区内，分级布网就没有必要了。（2） 在GPS的控制网之中。所选取和测量的控制点都是与其他点没有相应联系的，所以，以前所运用的公式和算法对于GPS的控制网都不在适用。（3） GPS控制网对控制点所处的位置和所布设图形结构没有严格的要求，这是因为GPS控制网中控制点的位置是直接测定的。（4） GPS接收机采集的是卫星到接收机天线的距离和卫星星历数据，不是地面点相对观测量，因此GPS定位网不强求点间相互通视。3.2GPS控制网的网形设计GPS控制网的布设根据用途分一般分为为：点连式、边连式及边点混合连接式7。GPS控制网网形的选择主要和项目工程控制网所要求的精度，GPS接收机的台数及外业的观测条件有关。（1） 点连式这种连接的方式是将接近的两个不规则图形通过一个共同的点连接在一起，在连接的同时相应的闭合条件未达到，或者是很少达到。导致图形几何强度很很低，所以可靠性也低，所以在布网时一般都不被用来单独使用。如图3-1所示：图3-1点连式网形（2）边连式 边连式是指同步图形之间由一条公共基线相连接8。在仪器台数相同的情况下，因为点连式的观测时段数比边连式少，所以边连式的几何强度和可靠性均比点连式好。如图3-2所示： 图3-2边连式网形（3）边点混合连接式边点混合连接式就是将点连式与边连式两者的优点集结在一块组成的布设方法9，如图3-3所示。混连式是实际作业中最为频繁使用的布设方法，这种方法不仅可以确保GPS网的几何强度，提升可靠指标，而且可以使外业的工作量，强度和测量成本得到大幅降低。图3-3 边点混连式a）b 图3-3边点混合连接网形 设计GPS控制网时应该根据测区的具体情况，按照GPS测量规范，遵循从整体到局部、从高级到低级逐级控制的原则实施10。通过这一原则所制定的设计不仅要科学合理，同时还要求具有相应的经济效益。可以依据以下规定。（1) 自由基线不应该存在与所设计的网局中，它会在闭合图形的构建中产生粗差。（2) 为了保证在测量上的精准度，在相同的测量站中应该对相同的测量事物进行最少两次的测量。（3) GPS网中，某一闭合条件中基线类型不宜过多，以免各边的粗差相互抵消，不利于发现粗差。（4) 在测量网的构建中，地面网同GPS网之间要有2个以上的重合点，这样才能有效的进行坐标间的置换。（5） GPS测量地点的选取中，要选择不影响测量路径和测量准确度的开阔地带。此外GPS网的设计还应注意，GPS网形中不能有自由式的网型结构。应构成封闭式闭合环和子环路，在基线解算时有利于提高精度11。3.3测量的外业施测 GPS控制点的选择、标志的埋设、相应信息数据的收集、信息的传输以及信息的处理等组成了GPS控制测量的外业施测。 在GPS的测量布网中，要充分的利用其便捷灵活的特性，做好相应的测量准备工作，力求在测量中不出现不应有的影响因素致使测量的效率下降。具体包括：了解布网任务和相关资料，包括测区的大比例尺地形图，已有的控制点，卫星连续运行的基准站，测区的交通及地质特点等。同时还应遵循一下原则：（1） 为了是信号和测量数据不受影响，要选择视眼开阔，障碍物上的场地作为点的选取。（2） 在点位的选取上要远离高压线、和具有电磁场的地方，以免对接下来的测量造成影响。（3） 点位应远离大水库等水面宽广的地方，消弱多路径效应可能带来的影响。（4） 点位交通方便。（5） 点位所选取的地面状况要稳定。（6） 选点人员应按照技术设计进行勘探，在实地按照要求选点。（7） 为了方便测量中点与点之间的联系，应当构建网状联系。（8） 当利用旧点时，应对旧点是否安全进行检查，符合条件时才可利用。 标志埋设 GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位。且标石和标志必须稳定、坚固方便长久保存和利用。埋设结束后应填写点的记录并提交以下资料。（1） 点的记录。（2） GPS网的选点网图。（3） 土地占用批准文件与测量标志委托保管书。（4） 选点与埋石技术总结。 数据预处理 数据信息的预处理是为之后的数据精细处理做准备，预处理能够得出大致的评价，这一评价能够为接下的数据处理提升相应的精确度。其基本内容是：（1） 数据传输：将GPS接收机观测数据传输到其他介质上。（2） 数据分流：将有用的信息统计出来，进行相应的归纳和分类。（3） 统一数据文件格式，以便统一处理。（4） 卫星轨道的标准化，以减化计算机工作。（5） 探测周跳，修复载波相位观测值。（6） 在GPS观测值中加入对流层改正及电离层等必要改正。3.4测量的数据处理野外的观测资料统计收集之后，第一步就是对测量的数据进行相应的实际性和规范性检核。要分为4个项目进行检核。独立闭合环检核（1） 相同的时间段中剔除的观测值个数与应获得观测值个数的比值要小于10。（2） B级和之下的外业控制网要满足下列的公式： ； （3-3-1） （3-3-2） （3-3-3） N代表闭合环中的边数；代表相应级别规定的精度。2. 重复观测边的检核在重复测量中，观测结果的三边同步环中的第三边处理结果和前两边的代数和之差应符合 ； （3-3-4） 35 (3-3-5） 式中:代表相应级别规定的精度。4. 异步环观测环检测不管是单线还是多基线，各独立环的坐标分量闭合差应满足： ； ； ； （3-3-6） 4. GPS在龙岩学院控制测量中的应用实例4.1任务概述 为加强对的GPS控制测量的深入了解，在老师的指导下进行此次实习，这次实习要求我们通过本次实践，了解和掌握布设GPS控制网的方法，熟悉GPS测量技术。能使用GPS进行静测量和对数据基线解算和网平差处理，最终获得待测点的坐标。本次实习的范围为龙岩学院，先布设E级GPS控制网，再进行GPS控制测量。龙岩学院地势起伏较小，视野开阔，但其中有的控制点位于省道203，车流量相对较大，所以此次实习需要特别注意安全问题。4.2GPS控制测量依据和技术要求 GPS控制测量依据如下：1、 全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T183142001）；2、全球定位系统城市测量技术规程（CJJ7399）；3、公路全球定位系统（GPS）测量规范（JTJ/T06698）； 4、数字产品质量要求（GB17491.1）； 已有资料利用情况 此次测量任务利用分布在行政大楼附近D64和校门口省道203上的X79两个已知点，已有的西安80坐标如表4-1所示：表4-1已知点成果表(西安80坐标)点号X(m)Y(m)H(m)D642769918.742501673.689378.280X792769885.630501259.587367.675此次实习所用的仪器是南方公司提供的GPS，操作简单。但是在选点和进行数据采集的时候，需要遵循以下指标如表4-2所示： 表4-2 E级GPS的测量标准项目等级卫 星高度角有效卫星数（静态）观测时段数时段长度（min）E级1541.640 4.3 GPS控制点的选择与编号选点前收集了D64和X79的平面坐标、高程、坐标系统并根据技术要求，在合适的位置要求选出了另外5个点采用现场铁钉和红油漆标识，分别编号D9，E1，E2，E3和S1。4.4 GPS控制网的布设和分析经过我们测量小组的讨论最终决定设的控制网的网形，如图4-1所示图4-1控制网的网形GPS网相邻点间基线长度精度用如下 （4-4-1）其中：基线长度中误差(毫米)； 基线观测固定误差(毫米)，其与基线长度无关； 比例误差系数，为10-6； D基线长度，即相邻点间距离()，且bD与基线长度成比例。E级网最近两点间的距离要取0.5到0.67之间的的平均距离，最近两点间的最大距离应为2到3倍的平均距离。 表4-3 E级控制网精度级别距离（平均值）误差值a（mm）误差的比列最弱边相对中误差闭合环边数E级0.2-5102012000010124.5外业观测本次GPS外业观测选择在晴天，少云的天气，减少信号受到的天气干扰，提高精度。仪器采用经过检验能够正常使用的南方静态GPS3台接收机进行观测。观测时采用静态定位模式，观测时同步卫星数均为4颗以上，PDOP均小于7，卫星高度角均大于15，每个同步环观测的时间均大约60分钟。在进行观测的时候，要恪守相应的观测手册，以严谨的态度和负责的心态对观测的数据进行准确的记录，倘若在观测的过程中发生了相应的状况，应按照相应的预案进行相应的记录和操作。在观测站中要保持卫星接收器周围不放置有电磁的物品，防止在运用其进行测量的时候导致相应的误差，在工作时间不能擅自离开观测位置。在观测过程中应保证接收机正常工作，数据记录正确13。数据采集完成后，在当天进行数据的基线处理，超限或不合格的基线按要求进行了返测。同时原始数据应备份保存，防数据丢失。4.6内业数据处理本次内业数据处理采用的是南方测绘 Gnss数据处理软件，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14。数据的处理是运用相应的计算方法和公式进行数据的测算。相应的步骤如下：第一步：先打开南方测绘 Gnss软件，导入需要处理文件，如图4-2所示。 点击全选将文件列表中的文件全部选中，结果如图4-3所示。 然后点击确定即可打开需要处理的文件。 图4-2导入文件 图4-3全部选中文件 第二步：输入已知点X79和D64的坐标，如图4-4所示，然后点击确定 图4-4输入坐标 第三步：点击基线解算进行基线解算，如图4-5所示，若基线合格将用红色表示出来，直到所有的基线全部解算出来为止，如图4-6所示，并获得基线简表，如图4-7所示. 图4-5点击基线解算图4-6基线解算结果 图4-7基线简表 第四步：点击平差处、自动处理、网平差计算，得到平差报告，部分数据如表4-4和表4-5表4-6所示表4-4 七参数结果Dx 平移(米):329.09Dy 平移(米): -602.79Dz 平移(米):-294.171Rx 旋转(秒):-3.173525Ry 旋转(秒):8.21671Rz 旋转(秒):7.795088SF尺度(ppm):111.328967 闭合环最大节点数3闭合环总数40同步环总数7异步环总数33超限闭合环数3闭合差最大值0.0413闭合差最小值0.0018相对闭合差最大值34.32ppm相对闭合差最小值 1.66ppm表4-5 环闭合差报告 表4-6各点坐标和精度ID X坐标 Y坐标rms(mm)dx(mm) dy(mm)点 名E22769663.463502052.1590.31740.22990.2189E2E12769321.422502030.6451.29950.93770.8996E1E32769423.354501628.91951.38891.0160.947E3S12769662.782501467.71841.11310.7960.7781S1D92769640.928501179.951.66761.17451.1839D9D642769918.742501673.689000D64X792769885.63501259.587000X79 表4-6各点的高程ID 正常高(高程)大地高 Rms(mm)点 名E2396.8302433.69710.534E2E1407.5457444.41252.7787E1E3391.3403428.20722.8212E3S1375.8907412.75762.4983S1D9374.7551411.62192.994D9 从以上的表格可知道： 在网图中构成的同步环，环闭合差最大0.0413，最小闭合差0.0018，均小于限差0.06点位精度rms最大为1.6676，最小为0.3174均小于限差2,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15。以上分析可以看出,本次控制测量符合规范要求。4.7测量结果总结通过这次龙岩学院控制测量的控制网布设，数据采集和数据处理，我们获得了另外五点的精确坐标，通过上述测量数据的比较和计算，可以清楚的看出测量的数据并没有出现大的误差，数据的精准度是相当高的，在一系列数据的观测中也未出现相应的误差累积。5. 总结与展望 通过对本次龙岩学院控制测量的实地实践与精度分析，我们对GPS控制测量有了更深入的了解，我们不仅将课堂上学到的理论和实践结合了起来，还发现了许多控制测量中存在的问题。回顾我们用全站仪和水准仪对学校进行控制测量，我们不难看出GPS给控制测量带来了很大的方便，极大的提高了我们的工作效率。GPS技术功能众多，已经不仅局限于导航和收集情报，随着GPS定位技术的提高，我们的测绘界也迎来了腾飞的机遇，GPS静态相对定位让整个测量界的精度进一步提升，动态的相对定位为以前那些动态难测量的物体提供了便捷的方法，不仅极大的提高了我们的测量精度，最主要的是GPS测量不要求点间通视，极大提高了工作效率，而且定位速度快，能够全天候工作的特点也极大缩短了工期。随着我国gps控制测量技术的革新，高铁工程和甚至许多精密工程中，该技术将会得到越来越广泛的应用，为我国建设事业的发展带来全新的面貌16。但是在一些信号不是很好的地方如：室内、隧道、森林等，GPS可能无法接收到卫星信号，所以有时候在测量的时候还需要传统的测量方法配合着一起使用，以达到测量要求。不过我们有理由相信，随着GPS的继续发展，GPS将会克服一个个难题，引领未来的测绘领域。6.致谢语曾几何时，我才带着龙岩学院入取通知书来到学校报到，然而，时光飞逝，转眼间，我们马上就要和我们伟大的龙岩学院说再见了。唱着匆匆那年的回忆我也要阔别生活了四年的大学，在这四年中不仅仅是我个人身体心里的成长，更是我知识上的升华和思维上的补充。每一个大学老师都是我迈入社会前最有益的规范指导，在今后的工作和生活我将不回忘记他们对我的鼓励和教诲。在这里还要感谢我所有的老师，特别是论文指导老师陈绍杰老师，陈老师在我论文的编撰过程中耐心的、细心的对我进行指导。我还要感谢四年来我亲爱的同学们，感谢你们四年来的帮助与关心；这四年注定是令人难忘的四年。毕业在即，我已经准备好了，我会继续努力学习，朝着自己心中的梦想一步步迈进的，谢谢大家。参考文献1王劲松，陈正阳，吴堂林，等.GPS地面控制网对横向贯通误差影响的分析J.湘潭矿业学院学报，2003,18（3）：76-802宋紫春.全球定位系统,2003（1）3庄蕊.浅谈全球定位系统GPS技术在矿区测量中的应用.浅谈全球定位系统GPS技术在矿区测量中的应用,20114刘小慧.GPS系统概述及其定位原理.科技资讯,20065夏积德,郭江涛,王稳江.G PS测量原理及误差分析.杨凌职业技术学院学报,2008(7)6杨秀明,赵永刚,黄再志.GPS控制网的布设原则及优化设计探讨.中国水运:下半月,20127王健力.G PS控制网设计在水利工程控制测量中的应用分析.广东科技,2014(23)8沙尚典,乔建林.四川建筑.2008(28)9周建郑,任伟.GPS全球卫星定位系统及其在测量中的应用J.开封大学报,2003,17(3)：65 -67.10毛宁,何诚.甘肃冶金,200911丁明华,余存林,郭秉程.GPS工程控制网的布设J.西部资源, 2012，(4)：168 -17112GB/T18314-2001，全球定位系统（GPS）测量规范S13张石磊.GPS控制测量在城镇地籍更新调查中的应用.科技资讯,201114赵庆志,张书毕.G PS静态相对定位技术在城市区域控制测量中的应用.全球定位系统,201215时东玉,陈毅敏,张萍丽.GPS高程转换的应用研究J.安徽农学通报,2007，13(9)：161-16216曹亮.浅谈高铁精密工程GPS控制测量的问题分析.科技与企业,2014(15)GPS application in control survey and p