黑龙江工程学院毕业设计方案(论文)开题报告(测绘)111.doc

毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: GPS测量误差分析及优化设计的研究 院 系 名 称: 测绘工程学院 专 业 班 级: 测绘08-2班 学 生 姓 名: 崔 建 华 导 师 姓 名: 郭 英 起 开 题 时 间: 2012年3月27日 指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日一、 课题研究的目的和意义在利用GPS测量定位技术施测控制网时存在有许多误差的影响，本课题即是在对各种误差产生的原因及其性质进行分析的基础上，总结出各种误差对GPS测量定位精度影响的规律性。以便在GPS测量定位中采取一定的方法和措施，消除或削弱各种误差对测量定位的影响,达到提高GPS测量定位精度的目的。并研究提出在利用GPS测量定位技术施测控制网时,对观测方案进行优化设计的基本方法二、课题研究现状及分析在利用GPS测量定位技术施测控制网时存在有许多误差的影响，本课题即是在对各种误差产生的原因及其性质进行分析的基础上，总结出各种误差对GPS测量定位精度影响的规律性。以便在GPS测量定位中采取一定的方法和措施，消除或削弱各种误差对测量定位的影响,达到提高GPS测量定位精度的目的。并研究提出在利用GPS测量定位技术施测控制网时,对观测方案进行优化设计的基本方法。现有条件：GPS测量定位技术的基本理论和基本原理；GPS接收机一套（三台）及其数据处理软件；与课题相关的参考资料若干篇。三、课题基本内容、拟解决的主要问题 一、GPS测量误差卫星的位置、电离层和大气对信号电波的影响，以及接收机和天线的有关偏差都是GPS测量误差的主要来源，它可分为以下三类: 1.与GPS卫星有关的误差 与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 (1)卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均以精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测还是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟(铷钟和铯钟)，但是它们与理想的GPS时之间，仍存在难以避免的偏差和漂移，这种偏差的总量大约在1ms以内。 (2)卫星轨道偏差 估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站难以充分可靠地测定这种作用力，并掌握它们的作用规律。目前，卫星轨道信息是通过导航电文得到的。 应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。2.与卫星信号传播有关的误差 与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。 (1)电离层折射的影响 GPS卫星信号与其他电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小；而当卫星接近地平线时，其影响最大。 (2)对流层折射的影响 对流层折射造成的观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线(50km)，湿分量的影响较小。 (3)多路径效应影响 多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点(相位中心点)位置的变化，从而使观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁，并载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。3.与接收设备有关的误差 与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。 (1)观测误差 观测误差包括观测的分辨力及接收机天线相对于测站点的安置误差等。 根据经验，观测的分辨力约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨力比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，这样可以明显减弱其影响。 接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的安置与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真、仔细操作，尽量减小这种误差的影响。 (2)接收机的钟差 尽管GPS接收机有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10-11，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。 处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，从而也得到接收机的钟差改正。 (3)载波相位观测的整周未知数 载波相位观测当前普遍采用的是最精密的观测方法，但由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，而无法直接测定载波相位整周数，因而存在整周不定性问题。 此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似。在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。 (4)天线的相位中心位置偏差在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(俗称视相位中心)与理论上的本单位中心位置将有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。二、GPS控制网的优化设计（1）网形与卫星空间分布的几何图形相关.GPS 控制网的精度与网中的点所构成的几何图形没有关系，与观测权相关程度不大，与边和边所构成的角度无关，主要取决于网中个点发基线的数目及基线的权阵.（2）具有非层次结构性 根据采用仪器类型和作业模式不同，得到不同精度的观测值，这与经典控制网的 逐级控制 分级施测没有关系，GPS 网可用相同精度一次扩展达到所需的密度设计要求.（3）没有误差积累且分布均匀 误差积累是经典控制网存在特性之一，而GPS 网则没有误差的积累，而且误差分布比较均匀，各边的方位和边长的相对精度基本是相同的（4）简单易行的必要基准条件.GPS 网的观测数据基线向量中包含了尺度和方位信息，理论上只需要一个已知点的坐标即可确定GPS 网的平移.2 GPS控制网布设应坚持的原则2.1效率优先原则在进行GPS 网的设计时，应采用效率指标来衡量设计方案的效率，以及在采用布网方案作业中所需要的时间消耗等问题.2.2高精度性原则GPS控制网的高精度性是工程测量的基石，也是其最明显的优势之一 在布设时，要做到高精度性原则：先确定GPS 网的网形，再根据 GPS网的网形，得到GPS 网的设计矩阵B ，从而得到GPS 网的协因数阵Q=(BTPB) ，由此做到GPS 控制网的高精度性原则.2.3可靠性原则可靠性原则是GPS 控制网布设的重要原则之一 在进行实际GPS 网的设计时，一般采用一种反映GPS 网可靠性的数量指标，结合各项精度指标，以达到改善网的质量的目的.2.4低经费性原则GPS的布设是一项重要的前期工程，应着重考虑实现较低的经费支出和较高的测量效果的问题经费的多少取决于网中点的总数和重复设站率，如果一台接收机观测期的平均费用为 T则其总费用为：F=TCmin.3 GPS控制网的优化设计措施GPS控制网的优化设计，是在保证质量的前提下，提高效率，降低成本 既不能脱离实际的应用需求，盲目追求不必要的高精度和高可靠性，也不能为追求高效率和低成本，放弃对质量的要求3.1提高GPS 网精度的方法首先，保证GPS 网中各相邻点的相对精度在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS 网的骨架；制定一个子区和子环路的实测方案其次，引入高精度激光测距边 在布设GPS 网时，作为观测值与GPS 观测值(基线向量)一同进行联合平差，或将它们作为起算边长最后，采用高程拟合的方法测定网中各点的正常高/正高水准点的数量尽可能多，在网中均匀分布，网中的四周将整个网包含在其中.例如某工程测量控制网，测区位于某城市市区内 ，全网共施测 8个GPS 点，3个已知控制点:A001，A002，A003，控制点分布于城市周围,5个待测点:A004-A008，位于某工业厂区内，其中AOOS有已知坐标 （见图1）外业使用6台Ashtech Stp-1 单频GP接收机按照GPS 三级网精度纲要观测5 天，分为两个同步观测区每天3个时段，每个时段3h ，观测卫星高度截止角15度，采样间隔15s 当测区范围较大时（几百平方千米），为保证控制网点的整体精度，使用经典大地测量方法布设控制网，控制网点要与高等级控制点构成图形，并且控点与点之间也要构成图形。3.2提高GPS 网可靠性的方法首先，增加观测期数 这样测得的独立基线数就会增加，可以提高控制网的可靠性精度.其次，保证一定的重复设站次数 重复设站次数可以确保GPS网的可靠性，原因有二：1.通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站对中整平量测天线高等人为错误；2.当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观察时，各个时段必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误.再次，保证每个测站独立基线相连在3条以上.3条以上的独立基数相连，可使测站具有较高的可靠性 在布设GPS 网时，各个点的可靠性与该点上所连接的基线数直接相关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高.最后，在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条在布设GPS 网时，随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降.3.3布设GPS网时起算点的选取与分布首先，科学确定起算点的数量 一般来说，若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合，则起算点数量越多越好 ；若没有这样的要求，则一般可选3到5 个起算点 这样，既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度.其次，合理确定起算点的位置 起算点的位置与精度直接相关，为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围，要避免分布在网中一侧.以上分析可以看出，测量单位在进行GPS控制测量时，在考虑质量合格的前提下，应通过优化设计 ，达到减少工作量 提高经济效益的目的在具体进行GPS网的布设原则及优化设计时，弄清楚GPS网基准化的优化设计和图形结构强度的优化设计，GPS控制网的布设和优化设计就有了明确的方向和切实可行的措施.四、课题研究技术路线或研究方法研究在进行GPS测量定位时各种误差对GPS测量定位观测值产生影响的规律性，提出在GPS测量定位中应该采取的方法和措施，以达到提高GPS测量定位精度的目的。并研究提出对GPS测量的观测方案进行优化设计的一些方法。技术要求（研究方法）1、掌握GPS测量定位技术的基本原理和基本方法。2、分析在GPS测量定位中各种误差产生的原因及其对观测值产生影响的规律性，并提出消除或削弱各种误差对测量定位的影响的方法和措施。3、研究提出对观测方案进行优化设计的基本方法。五、进度安排进行调研、收集资料并撰写开题报告 3月26日至4月11日；分析各种误差对定位影响的规律性 4月12日至5月9日；提出对GPS网进行优化设计的方法 5月10日至6月6日；总结成果、撰写论文并准备答辩 6月7日至6月17日；论文答辩 6月18日至6月22日；六、主要参考文献1蒋安夫等快速R,TK在工程控制网 中的应用J勘察科学技术2002(2) 2谢世杰等R,TK特点与误差分析 J测绘工程，2 00 2(2) 3 姜晨光等GPSETK系统通讯效果 的测试与研究勘察科学技术2001(6) 4李丽等GPSETK测量成果的质量 控制方法本溪冶金高等专科学校学报 1 9 9 9(1) 5徐绍铨等GP9测量原理及应用 武汉，武汉测绘科技大学出版社I 9981 06陈俊勇, 杨元喜. 2000国家大地控制网的构建和它的技术进步 J. 测绘学报,2007,36( 1) :1-7.7李征航, 黄劲松.GPS测量与数据处理 M .武汉: 武汉大学出版社, 2005.8黄声享, 郭英起,易庆林.GPS在测量工程中的应用 M .北京: 测绘出版社,2007.9周忠谟, 易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用 M .北京: 测绘出版社,1999.10李征航，黄敬松. GPS测量原理与数据处理M. 武汉：武汉大学出版社，2005.11武汉测绘科技大学测量平差教研室:测量平差基础, 测绘出版社, 1982.12赵长胜. GPS控制网设计与数据处理, 教育科学出版社,2001.13北京测绘设计研究院.CJ