车辆gps定位管理系统gps测量原理及应用中南大学

GPS测量原理及应用,第十章 GPS应用,GPS测量原理及应用,GPS定位技术在测量领域主要应用于：大地测量、地球动力学的研究、精密工程测量、工程变形监测、地籍测量、海洋测量等。在导航学中的应用主要包括：车辆、船只和飞机的精密导航、测速、运动目标的监控与管理。除此之外，在导弹制导、卫星定轨、气象学、大气物理学的研究领域都有广阔的应用前景。本章仅就GPS定位技术在测量学和导航学领域的若干典型情况作一简要介绍，说明定位技术应用的现状和前景。,10.1 GPS在大地控制测量中的应用,GPS测量原理及应用,10.1.1 概述,GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中可以说GPS定位技术已完全取代了常规测角、测距手段建立大地控制网的方法。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。大致可以将GPS网分为两大类： 1、全球或全国性的高精度GPS网； 2、区域性的GPS网。 下面分别就上述两大类GPS网作一具体阐述。,GPS测量原理及应用,1、GPS A级网的建立 我国于1992年以优于10-8量级的相对精度确定站间基线向量，布设成国家A级网，作为国家高精度卫星大地网的骨架，点位精度优于0.1m，边长相对精度一般优于110-8,随后在1993年和1995年又两次对A级网点进行了GPS复测，其点位精度已提高到厘米级，边长相对精度达310-9 。2、GPS B级网的建立 做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A级网的基础上建立了国家B级网（又称国家高精度GPS网）。点位地心坐标精度达0.1m，GPS基线边长相对中误差可达2.010-8,高程分量相对中误差为3.010-8。,10.1.2 全球或全国性的高精度GPS网,GPS测量原理及应用,所谓区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的的特点是控制区域有限（或一个市或一个地区），边长短（一般从几百米到20km），观测时间短（从快速静态定位的几分钟至一两个小时）。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，建立区域大地控制网的手段我国已基本被GPS技术所取代。就其作用而言分为: 1、建立新的地面控制网 2、检核和改善已有地面网 3、对已有的地面网进行加密 4、拟合区域大地水准面。,10.1.3 区域性GPS大地控制网,GPS测量原理及应用,为研究用GPS来建立精密工程控制网的可行性,首先看一下对同样的一个网，常规测量与GPS测量两者的边长较差值，见表（10-1）,10.2 GPS在精密工程测量及变形监测中的应用,10.2.1 GPS用于建立精密工程控制网的可行性,GPS测量原理及应用,由表10-1可看出，GPS测出的边长与ME5000测出的同一条边长较差中误差为0.34mm，其中较差S有正有负，无系统性差异。从表10-2可看出，GPS测出20点位坐标与用ME5000和T3求出的点位坐标较差中误差为0.29mm,其中较差有正、有负，也无系统性差异，从而可认为，完全可用GPS来建立精密工程控制网。,表10-2 GPS网与边角网点位坐标比较表,GPS测量原理及应用,表10-3 边长监测测试结果表,工程变形监测通常要达到毫米级或亚毫米级的精度，而监测的边长一般为3001000m。在这样短的边长上，GPS能否达到上述精度呢？通过做模拟试验，可得结果列于下表：,10.2.2 GPS用于工程变形监测的可行性（1/2）,GPS测量原理及应用,从表10-3可看出，若用一个基准点来进行变形监测，利用5小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为0.4mm；利用2小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为0.6mm，利用1小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为1.0mm。若利用两个基准点，其监测精度可进一步提高。测试结果表明，只要采取一定的措施，利用GPS技术进行各种工程变形监测是可行的。,10.2.2 GPS用于工程变形监测的可行性(2/2),GPS测量原理及应用,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统于1998年3月投入运行，系统由数据采集、数据传输、数据处理三大部分组成。,10.2.3 隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统（1/3）,GPS测量原理及应用,10.2.3 隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统（2/3）,1.数据采集 GPS数据采集分基准点和监测点两部分，为提高大坝监测的精度和可靠性，点位地质条件要好，点位要稳定且能满足GPS观测条件。监测点能反映大坝形变，并能满足GPS观测条件。根据以上原则，隔河岩大坝外观变形GPS监测系统基准点为2个（GPS1和GPS2）、监测点为5个（GPS3GPS7）。 2.数据传输 根据现场条件，GPS数据传输采用有线（坝面监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合方法。网络结构如图10-2所示。,GPS测量原理及应用,10.2.3 隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统（3/3）,3.GPS数据处理、分析和管理 整个系统七台GPS接收机，在一年365天中，需连续观测，并实时将观测资料传输到控制中心，进行处理、分析、贮存。系统反应时间小于10分钟（即从每台GPS接收机传输数据开始，至处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟）。,GPS测量原理及应用,10.2.4 GPS在机场轴线定位中的应用,机场跑道中心轴线方位的精度，按机场等级不同而不同，最高精度应低于1，最低也应优于6。自1992年开始，国内各城市建立的新机场，其跑道的定向都已采用GPS来施测，在施测时应注意：（1）当方位精度要求1 时，GPS基线解算一定要用精密软件。（2）当要求提供大地方位角时，要顾及平面子午线收敛角和方向改化的影响；当要求提供天文方位角时，还要顾及垂线偏差的影响。 近年来，GPS还普遍用于电子加速器的工程施工控制测量，大桥施工控制网建立，海上勘探平台沉降监测，大桥墩动态实时形变监测，高层建筑实时变形监测等。,GPS测量原理及应用,线路勘测、管线测量及隧道贯通测量是铁路、交通、输电、通讯等工程建设中重要的工作。以往大多采用传统的控制测量、工程测量方法进行控制网建立及施测，由于该类测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林，周围已知控制点很少，使得传统测量方法在网形式布设、误差控制等多方面带来很大问题。同时传统方法作业时间也比较长，直接影响了工程建设的正常进展。自从将GPS技术引入该领域以来，使其测量效率及测量精度得到可喜的提高，本节将以几个实例说明GPS技术在线路勘测及隧道贯通等测量中的应用。,10.4 GPS在线路勘测及隧道贯通测量中的应用,10.4.1 概述,GPS测量原理及应用,传统的线路测量一般采用导线法，在初测阶段沿设计线路布设初测导线。该导线既是各专业开展勘测的控制基础，也是进行地形测量的首级控制，所以要求相邻导线点通视。在该线路测量中应用GPS技术的形式是沿设计线路建立狭带状控制网。目前主要有两种情况，一种是应用GPS定位技术替代导线测量；一种是应用GPS定位技术加密国家控制点或建立首级控制网。在实际生产中较多的用了后者。 1.布网形式 根据规范规定GPS线路控制网布设应满足以下几条：作为导线起闭点的GPS应成对出现；每对点必须通视，间隔以1km为宜（不宜短于200m）；每对点与相邻一对点的间隔不得大于30km（公路线路一般不大于10km）。具体间隔视作业条件和整个控制测量工作计划而定，一般515km布设一对点。这些点均沿设计线路布设，其图形类似线形锁。,10.4.2 线路GPS控制网的建立,GPS测量原理及应用,10.4.2 线路GPS控制网的建立,图10-4显示了西安南京线西安至南阳段GPS控制网的布设网形。线路通过秦岭山脉东段和豫西山区。GPS定位测量是为初测导线提供起闭点。GPS网由13个大地四边形和2个三角形组成。待定点（GPS控制点）24点为12个点对，相邻点对间平均距离18km。联测了六个国家控制点，选用其中五个点作已知点参与平差。,GPS测量原理及应用,10.4.2 线路GPS控制网的建立,2观测及处理 GPS控制网观测选用单频机或双频GPS接收机，采用静态观测模式，时段长度一般为3090min。数据预处理采用随机软件。 线路测量采用国家统一的平面坐标系统1954年北京坐标系。WGS-84与1954北京坐标系统的转换采用国家控制点重合转换，在西安南京线中西安至南阳段约束平差计算时，剔除了有明显问题的炮校三角点，选用其余五个点进行约束平差。,GPS测量原理及应用,10.4.3 长隧道GPS施工控制网,图10-5为秦岭与云台山隧道的GPS控制网（平面）。秦岭隧道设计长度10km，是我国最长的铁路隧道。秦岭隧道GPS施工控制网共观测30条独立基线，平均边长4.1km，最长边长18.6km。采用静态方式观测，观测2个时段，时段长度为60min。但秦岭隧道GPS网的联系网边每时段观测90min。各项质量检核结果表明，秦岭隧道GPS施工控制网达到C级网的技术指标。,GPS测量原理及应用,地铁精密导线GPS测量与普通控制网GPS测量有两个显著区别：1是线状测量2有大量短边，边长为100m500m。 所以，GPS测量必须针对精密导线测量的特点进行。 下面就以北京市地下铁道复八线热八区间精密导线GPS测量为例说明地铁精密导线的测量工作。用户提出精度指标为：1.相邻点位中误差不得大于8mm；2.GPS测定坐标值与既有坐标值（指原有控制点）之差不得大于20mm。,10.4.4 地铁精密导线GPS测量(1/3),GPS测量原理及应用,10.4.4 地铁精密导线GPS测量(2/3）,图中O为原有精密导线点，为已知控制点，为待定精密导线点。经平差计算，FB30和FB32两点GPS测定的坐标与原有坐标差值x15mm,y8mm；相邻点位中误差小于8mm。见下表：,GPS测量原理及应用,北京地下铁道复八线热八段精密导线GPS测量表明，应用GPS定位技术测定地铁精密导线平面位置是成功的。,表10-7 GPS测定坐标与原有坐标较差,10.4.4 地铁精密导线GPS测（3/3）,GPS测量原理及应用,地籍及房地产测量用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。 GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。,10.5 GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用,10.5.1 概述,GPS测量原理及应用,地籍及房地产测量的控制测量和其他测量控制网相类似，测图控制点需要比较密，精度相对一般测图要求比较高。一般采用GPS静态、快速静态相对定位，测量时无需点间通视能够高精度地进行各种控制测量，但是需要事后进行数据处理，不能实时定位并知道定位精度，内业处理后发现精度不合要求必须返工测量。 而用RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果，又能实时知道定位精度。这样可以大提高作业效率。应用RTK技术进行实时定位可以达到厘米级的精度，因此，除了高精度的控制测量仍采用GPS静态相对定位技术之外，RTK技术还可用于地形测图中的控制测量，地籍和房地产测量中的控制测量和界址点点位的测量。,10.5.2 RTK技术用于各种控制测量,GPS测量原理及应用,采用RTK技术进行测图时，仅需一人背着仪器在要测的碎部点上呆上一、二秒钟并同进输入特征编码，通过电子手簿或便携微机记录，在点位精度合乎要求的情况下，反一个区域内的地形地物点位测定后回到室外内或在野外，由专业测图软件可以输出所要求的地形图。用RTK技术测定点位不要求点间通视，仅需一个操作，便可完成测图工作，大大提高了测图的工作效率。但在影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带，应使用全站仪、测距仪、经纬仪等测量工具，采用解析法或图解法进行细部测量。 在建设用地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界桩位置，确定土地使用界限范围，计算用地面积。利用RTK技术进行勘测定界放样是坐标的直接放样，建设用地勘测定界中的面积量算，实际上由GPS软件包中的面积计算功能直接计算并进行检核。避免了常规的解析法放样的复杂性，简化了建设用地勘测定界的工作程序。,10.5.3 RTK技术在地籍和房地产测量中的应用,GPS测量原理及应用,随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。过去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。因此，从调度管理和安全管理方面，其应用受到限制。GPS定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通过车载GPS接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来。目前，用于公安、交通系统的主要有：车辆GPS定位与无线通信系统相结合的指挥管理系统；应用GPS差分技术的指挥管理系统。,10.7 GPS在公安、交通系统中的应用,GPS测量原理及应用,10.7.1 车辆GPS定位管理系统,GPS测量原理及应用,监控中心部分的主要功能有： 1.数据跟踪功能。将移动车辆的实时位置以帧列表的方式显示出来。如车号、经度、纬度、速度、航向、时间、日期等。 2.图上跟踪功能。将移动车辆的定位信息在相应的电子地（海）图背景上复合显示出来。电子地（海）图可任意放大、缩小、还原、切换。有正常接收与随意点名接收两种接收方式。还可提供是否要车辆运行轨迹的选择功能。 3.模拟显示功能。可将已知的目标位置输入计算机并显示出来。 4.决策指挥功能。决策指挥命令以通信方式与移动车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或语音等，实现调度指挥。,10.7.1 车辆GPS定位管理系统,GPS测量原理及应用,车载部分的主要功能有： 1.定位信息的发送功能。GPS接收机实时定位并将定位信息通过电台发向监控中心。 2.数据显示功能。将自身车辆的实时位置在显示单元上显示出来。如经度、纬度、速度、航向。 3.调度命令的接收功能。接收监控中心发来的调度指挥命令，在显示交易会外显示或发出语音。 4.报警功能。一旦出现紧急情况，司机启动报警装置，监控中心立即显示出车辆情况、出事地点、出事时间、车辆人员等信息。 车辆GPS定位属于单点动态导航定位。其定位精度约为100m量级。为了提高定位精度，可采用差分GPS技术。,10.7.1 车辆GPS定位管理系统,GPS测量原理及应用,若采用一般差分GPS技术，每辆车上都应接收差分改正数，这样会造成系统过于复杂，所以实际应用中多采用