4正文.5文献.6致谢.7附录

1、第1章 绪 论1.1GPS原理及其应用GPS是全球定位系统是（global positioning system）的英文缩写，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。GPS卫星定位测量是利用GPS系统解决大地测量的一项空间技术。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS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广泛的应用，在物探测量工作中广泛普及及应用。对于物理点的放样已经不再仅仅是采用测角和量距，而

2、是借助GPS导航卫星信号来确定地面点的准确位置。GPS卫星定位系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收设备部分。其中GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/Acquisition Code11023MHz);一组称为P码(Procise Code 10123

3、MHz),P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范

4、围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。 用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外

5、两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用

6、1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。 导航电文中的内

7、容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。其应用领域广泛，主要有以下几点1：在大地测量、工程测量中的应用： 由于GPS系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便，现今建立大地及工程控制网基本上是采取GPS定位技术，取代了常规手段。国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并交付使用，A级网，30个点组成，其水平方向的重复精度达2108，垂直方向不低

8、于7108。B级网由800个点组成，其精度也分别好于4107和8107。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点，这一高精度三维空间大地坐标系的建成将为我国21世纪前10年的经济和社会持续发展提供基础测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用GPS定位技术建立施工控制网，取得很好的效果，可以满足其相应的精度要求；在青藏铁路的建设中，从勘测到施工均采用了GPS定位技术，都取得了很好的效果。为了在测绘领域充分利用这一新技术，国家测绘局专门颁布了全球定位系统（GPS）测量规范。在地籍和房产测绘中的应用：

9、 地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置，同时测绘大比例尺地籍平面图和房产图并量算土地和房屋面积，供土地和房产管理部门使用。常规方法通常是先布设或加密控制点，然后依据这些点，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。而利用GPS定位技术，特别是采用RTK技术替代常规方法测绘地籍及房产成为可能。由于它不需要逐级布网加密，在测区只需少量的控制点即可。因此，它具有速度快，精度高且分布均匀等特点。在工程变形监测中的应用： 我国正处在全面基础建设中，尤其是西部大开发，大型、特大型工程不断涌现，为了这些工程的正常、安全地运行，必须对它进行变形监测和安全预报，工程变形监测通常要

10、达到毫米或亚毫米级的精度，武汉测绘科技大学做了这方面的试验，试验结果证明GPS定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统，整个系统全自动，应用广播星历1-2小时GPS观测资料解算的监测点位，水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm，6小时的GPS观测资料解算，水平精度、垂直精度均优于1mm。在资源勘察方面的应用： 矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量，然后在室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大，浪费大量的人力、物力，且测量结果精度还较低。时间

11、周期也长，不能及时反映矿产资源的实际现状。黑龙江省国土资源厅在哈尔滨市、大庆市、佳木斯市进行了试验性工作，建立和使用GPS2000系统，开展各市的矿产资源勘察动态管理工作，减少矿区范围界限定位误差，提高对地矿资源的有效管理，取得了较好的成果。航海、航空方面： 欧洲的Galileo便是新建的全球导航星座，它与GPS配合起来，可以大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统，美国的WAAS系统计划在未来运营，地面改正数据可以通过静地卫星转发给飞机。卫星导航接收机广泛地

12、用于海上行驶的各类船只，DGPS则广泛地用于沿岸与进港，以及内河行驶的船只，精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后，该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起，产生明显的经济效益。其他方面： 卫星导航接收机可与无线电通信机结合，这种融合产生的意义是非常深远的。实际上，这是移动计算机(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。消费娱乐徒步旅行者、猎人、越野滑雪者，野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器，配上电子地图，可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。还有在车辆监控管理、汽车导航与信息服务等也

13、有广泛的应用。1.2GPS卫星定位技术的发展GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。全球定位系统（Global Positioning System简称G

14、PS）是美国从上世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。它是当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。自1992年起，国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS，已在全球建立了多个数据存储及处理中心和百余个常年观测的台站。我国也于1995年开始分步建设北京、上海、武汉、拉萨、乌鲁木齐、西安、西宁、昆明、海口、哈尔滨等GPS永久性跟踪站，这些跟踪站的观测数据每天通过国际互联网传向美国的数据处理中心。用户可以免费从INTERNET网上取得IGS发布的观测数据和精密星历等产品。目前，GPS

15、技术已普遍应用于大地测量、工程测量、地壳形变监测、航空摄影测量以及海洋测绘等诸多测量领域。可见，GPS定位技术已经使测量技术经历了一场深刻的变革，从而进入了一个崭新的时代。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2016年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人

16、们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2015年的市场将达到300亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到500亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。1.3 RTK技术在道路测量中的应用及优缺点1.3.1 RTK技术在道路测量中的应用绘制大比例地形图：高等级公路选线多是在大比例尺（通常是1:2000或1:1000)带状地形图上进行，用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图,其工作量大速度慢, 花费时间长。用实时GPS动态测量, 构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图, 由于只需要采集碎部点的坐

17、标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。 控制测量：用GPS建立控制网，最精密的方法当属静态测量。对大型建筑物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制，宜用静态测量。而一般公路工程的控制测量，则可采用RTK动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度。当达到要求的点位精度，即可停止观测，大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求通视，使得测量更简便易行。线路勘测：在公路选线过程中，我们往往要按照勘测设计规范，本着尽量减少占用农田、少拆迁房屋并尽量利用旧路路基这样一个原则，为了准确设计好道路中线路使其符合设计要求, 我们可以利用GPS-RTK 技术, 用车载

18、GPS-RTK 接收机做流动站，沿原路中线按一定间隔采集数据，选择另一已知点为参考站，遇到重要地物，准确定位，最后将数据传入计算机，利用AutoCAD软件可以方便在计算机上选线。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路中线在地面上标定出来，并得到中桩点坐标及坐标文件。采用实时GPS 测量，只需将中桩点坐标或坐标文件输入到GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位由于每个点的测量都是独立完成的，所以不会产生累计误差, 各点放样精度趋于一致。道路的中线测设：设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路在地面标定出来。采用动态GPS 测量，只需将中线主点的坐标输入GPS接收机中，系统

19、就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的，不会产生累积误差，各点放样精度趋于一致。公路纵、横断面放样：公路中线确定，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的，因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时，也可采用动态GPS测量。与传统方法相比，在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。施工测量：动态GPS系统既有良好的硬件，也有极其丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷，精度可达到厘米级。随着动态GPS 测量技术的不断发展、完善，将更加充分的显示出这一

20、技术的高精度和高效益，它会为公路工程建设的发展和进步发挥更大的作用。1.3.2 RTK技术在道路测量中的优缺点优点：工作效率高。在一般的地形地势下, 高质量的RTK 设站一次即可测量完4km 半径的测区, 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数, 移动站一人操作即可, 劳动强度底, 作业速度快, 提高了工作效率。定位精度高。只要满足RTK 的基本工作条件, 在一定的作业半径范围内( 一般为4km) , RTK 的平面精度和高程精度都能达到cm级。全天候作业。RTK 测量不要求基准站、移动站间光学通视, 只要求满足“电磁波”通视, 因此和传统测量相比, RTK 测量受通视条件、能

21、见度、气候、季节等因素的影响和限制小, 在传统测量看来难于开展作业的地区, 只要能满足RTK 的基本工作条件, 它也能进行快速高精度定位, 使测量工作变得更容易更轻松。RTK测量自动化、集成化程度高, 数据处理能力强。RTK 可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统, 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能, 减少了辅助测量工作和人为误差, 保证了作业精度。缺点：受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳时段,但世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖,容易产生假值。另外在高山峡谷及密集森林区域、城市高楼密布区域,卫星信号被遮挡时间较长,使一天中可作业时间受限制。产生

22、假值问题可采用RTK测量成果的质量控制方法来发现。同时注意选择作业时间。电量不足问题。RTK耗电量较大,需要多个大容量电池、电瓶才能保证连续作业,在电力供应缺乏的偏远地区作业受到限制。初始化能力和所需时间问题。在山区、林区或城镇密楼区作业时,GPS卫星信号被阻挡机会较多,容易造成失锁,需要经常地重新初始化,这样测量的精度和效率就受到影响。解决这个问题的方法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型,如拥有先进技术的ASHTECH Z-X双频RTK测量系统。随着科学的不断进步,RTK技术将得到越来越广泛的应用,在未来也将会有更加先进的技术应用到测量行业中。1.4影响RTK成果精度的因素一般来

23、说, 影响RTK成果精度的因素主要是GPS 观测其有误差源, 除此之外, 还有受基线解算精度、基准站点位精度、坐标系转换精度的影响, 但是在RTK作业中, 基线解算精度可以达到10cm+1mD; 基准站点位精度平均在3cm 之内; 坐标系转换精度, 对于10km 基线亦在3cm以内, 动态作业由于测距偏心, 天线高误差等, 一般也在3cm 以内, 至于正常高拟合与内插精度取决于连测点数目与分布、拟合模型等, 一般在5cm10cm内是能够做到的。RTK 技术是GPS 定位技术的一个新的里程牌,它不仅具有GPS技术的所有优点,而且可以实时获得观测结果及精度,大大提高了作业效率并开拓了GPS 新的应

24、用领域。由于载波相位测量,差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合,使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合,并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。1.5GPS展望与我国的北斗卫星导航系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用7。在发达国家，GPS技术已经应用于交通运输和道路工程之中。北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自

25、主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航

26、系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。我们相信我国北斗系统也会随着我国经济的发展，在高等级公路的快速修建和其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。第2章 GPS-RTK线路测量及坐标系转换2.1RTK技术的基本原理RTK测量技术是经载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术。GPS测量模式可分为静态测量和

27、动态测量，而静态测量又分为常规静态测量模式和快速测量模式。动态测量模式分为准动态测量模式和实时动态测量模式，而实时动态测量模式又分为DGPS和RTK方式。RTK技术与其他测量模式相比，具有定位精度高、测量自动化、集成化程度高、数据处理能力强、操作简单、使用方便的等特点。RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。通常是利用2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知点上作为基准点，另一台用 来未知点坐标，称移动站。基准站根据该点的准确坐标可求出其他卫星的距离改正数，并将这一改正数发送给移动站；移动站根据距离改正数来改正其定位结果，大大提高了定位精度，从而使实时提供

28、测站点在指定坐标系中的三维定位结果达到厘米级精度。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站的接收载波相位，再求解三维坐标；差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差解算三维坐标。RTK系统正常工作必须具备三个条件：第一，基准站和移动站同时接收5颗以上的GPS卫星信号；第二，基准站与 移动站同时接收卫星信号和基准站台发出的差分信号；第三，移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号，也就是说移动站在移动过程中不关机，不能失锁，否则 RTK 必须重新初始化。2.2RTK线路测量的设计与实施2.2.1方案设计实际工

29、作中的GPS测量可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理三个阶段。GPS测量的方案设计依据国家有关规范（规程）、GPS网的用途、用户要求等对网形、精度和基准等进行具体设计。GPS测量规范是指国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，包括：2014年国家质量技术监督检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布的全球定位系统（GPS）测量规范，简称规范。2012年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量规程，简称规程。各部委根据本部门GPS测量实际情况制定的其他GPS测量规程和细则。2.2.2外业实施外业测量开始前，要进行对点的校核，找准控制点（至少三个），即开始进行中线测量工作2。中线测量，测量时选路

30、线前进方向进行变化位置放置流动站，每一个里程为一段分隔距离，由已知控制点，流动站手簿软件即可显示此点距离中桩偏移距离及实际高程，根据显示数据，移动流动站至地形变化点的中桩位置，偏值精度到正负5cm，即可打桩并记录桩号、高程。由此可继续进行下一里程的中线测量，每20公里进行中桩记录，由此可实时测得所有里程全部中桩点的三维坐标。横断面点测量，在已知中桩的垂直方向上，移动流动站依次至此桩的横断面方向地形变化点处，在距中线左右各20范围内测出中线垂直方向上点的三维坐标，为绘制横断面需求，保持左右方向上的点大致在一个方向上，并根据实际地形的变化走势，在地形复杂的沟、渠、坎、土堆、坑、塘等加密测量特征点,

31、特征点最好高低、上下对应。相对的地势平坦区，只采集必要的主要边界点即可，并在现场绘制草图,以便内业数据处理。2.3WGS-84坐标系和我国常用坐标系2.3.1测量常用坐标系一、WGS84世界大地坐标系WGS84坐标系的定义是:原点位于地球质心O，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。与WGS84坐标系对应的椭球是“WGS84椭球”。其数学参数为:长半轴:a = 63781372m；扁 率: = 1/298.257223563 = 0.00335281066474； WGS84坐标系统从1

32、987年1月10日开始使用。二、1954年北京坐标系1954年北京坐标系是前苏联1942年坐标系的延伸,其大地原点在前苏联的普尔科沃,与之相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。其对应的数学参数为:长半轴: a = 6378245m；扁 率： = 1/298.3 = 0.003352329869259；三、1980年国家大地坐标系1980年国家大地坐标系的大地原点在陕西省泾阳县永乐镇,与之相应的椭球为1975年国际椭球,椭球短轴平行于地球质心指向我国地极原点JYD1968.0方向。其对应的数学参数为:长半轴：a = 6378140m；扁率： = 1/298.257=0.003352813177897四、

33、2000国家大地坐标系2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：长半轴 a=6378137m；扁率f=1/298.257222101五、地方独立坐标系在我国的一些城市或矿区基于实用和方便的目的,建立了地方独立坐标系,与之对应的是“地方参考椭球”(例如：高程投影面选为当地的平均海拔面,进行高斯投影时中央子午线通常选择在当地中央位置附近)。“地方参考椭

34、球”与国家参考椭球相比其数学参数可表示为:2.3.2 GPS定位成果的坐标转换1、利用重合点坐标将GPS点在WGS84坐标系的坐标转换为某国家坐标系或地方独立坐标系的坐标所有GPS网点于WGS84坐标系统的坐标：网中的重合点同时也有在某国家坐标系或地方独立坐标系统中的坐标:其中:为平移三参数；为旋转三参数；为尺度比参数。此坐标转换模型亦称为相似变换模型，或称为布尔萨（Bursa）模型。布尔萨（Bursa）模型亦可写成如下形式：针对布尔萨（Bursa）模型说明：1)、如何利用此模型进行坐标系统的转换?2)、若需要转换的是坐标差,则应该没有三个平移参数,此时仅有旋转三参数和尺度参数。3)、若由则可

35、仍然利用此模型,但必须将七个转换参数反号。4)、所求得的七个转换参数应该一起(整套)使用!5)、对于同一GPS网,如果重合点数目不同或重合点在GPS网中的位置不同,则所求出的七个转换参数的数值将是不一样。6)、对于一个GPS网所求出的七个转换参数,其具有时间性和区域性。7)、所求出七个转换参数的精度取决于重合点所具有的双重坐标的精度和重合点在GPS网中的分布情况。8)、坐标系统的转换也可在GPS网进行约束平差时或联合平差时一起进行,平差计算的同时也实现了坐标系统的转换。2、利用重合点的二维高斯平面坐标将GPS点在WGS84坐标系的坐标转换为某国家坐标系或地方独立坐标系的坐标GPS网点于WGS8

36、4坐标系的坐标:重合点同时也有在某国家坐标系或地方独立坐标系的高斯平面坐标，则有：式中：为平移参数； 为尺度比参数； 为旋转参数。3、坐标转换中协因数阵的转换(1)、将空间直角坐标的协因数阵转化为大地坐标的协因数阵因有: 则有： (2)、将大地坐标的协因数阵转化为高斯平面直角坐标的协因数阵因有： 则有： (3)、直接由空间直角坐标的协因数阵计算高斯平面直角坐标的协因数阵 式中， 简化之有：4、当只有一个重合点时的坐标转换在GPS网中只具有一个重合点时,可以仅设三个平移参数,并利用重合点的双重坐标,即重合点在WGS84坐标系的坐标:重合点在某国家坐标系(或地方独立坐标系)的坐标:首先利用下式求解

37、三个平移参数:利用下式将其它点在WGS84坐标系的坐标转换成某国家坐标系(或地方独立坐标系)的坐标。 5、当只有一个重合点和一个已知大地方位角时的坐标转换首先利用一个重合点将GPS网点的坐标平移变换到某国家坐标系的坐标,再将之转换成大地坐标:但现在GPS网与地面测量控制网在起始方位上还不一致,现利用赫里斯托夫第一微分公式使之一致。式中各符号的意义!此处: ；同时可设:而: 其中: 为地面网原点至起始方位点的大地方角,为GPS网在相应方位上的大地方位角。经过上面的变换便使GPS网各点与某国家坐标系内的地面控制网在原点和起始方位上都达到一致。然后再利用高斯投影正算公式,计算各点的平面坐标:GPS网

38、投影变换至地方独立坐标系地方独立坐标系对应的地方参考椭球与国家参考椭球存在着长半径上的差异da,根据椭球变换的投影公式有:其中:式中各符号的意义!可得GPS网点在地方参考椭球上的大地经纬度为:然后利用高斯投影正算公式,计算各点的平面坐标:此处应注意:在计算过程中,椭球参数应使用地方独立坐标系对应的地方参考椭球的参数。第3章 公路断面测量3.1公路断面测量的现状实现测量方式的自动化、一体化、一直是测绘工作者追求的目标。全站仪功能的不断完善，已使测量朝着自动化、一体化方向迈进了一大步，但全站仪的观测误差的积累大大降低了观测质量。全站仪存在的弱点，正好是GPS定位技术的长处随着GPS-RTK系统的问

39、世，使得作业员可以现场获取测点厘米级精度的三维坐标，这就为测量方式一体化的实现提供了可能8。随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，建立勘测、设计、施工、后期管理一体化是现代公路勘测设计的总体目标。要实现这一总体目标，关键还在于要首先实现公路勘测的一体化。传统的公路勘测设计需要经过以下一系列施工作业步骤：利用航片或公路沿线的旧地形图进行踏勘，选出公路走向的初步方案，并寻找沿线两侧几公里范围内已有的国家控制点；用全站仪进行沿线带状控制和加密图根测量；根据初步方案确定的线路，用全站仪按一定宽度进行带状地形图测量；利用地形图进行选线设计；借助于各级控制点进行中线、边线放样，然后计算各个桩位的填挖工

40、作量；线路土石方、桥涵工程施工测量；路面铺装施工测量；里程桩标定和公路竣工验收测量。由以上作业步骤可知，测量工作在公路勘测设计的各个阶段都不可缺少，而且同一测站要重复工作五六次，甚至十来次。野外施工周期较长，劳动强度较大，生产成本居高不下。近十多年来，由于GPS定位技术在公路勘测系统中的普及，测量作业人员的劳动强度有所减轻，但是整个野外作业步骤并没有太大的触动，因而作业周期仍无显著的缩短。进入新世纪以来，GPS-RTK技术逐渐趋于成熟，它所具有的高精度、快速度和强可靠性为公路勘测一体化的实现提供了强有力的保障。GPS-RTK技术在公路勘测方面主要用于低等级控制点的加密、数字地面模型的数据采集、

41、中线放样、纵横断面测量等方面。由于其定位精度可达厘米级，因此能够用于线路控制网的加密。RTK测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵横断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面。大比例尺带状地形图测绘：高等级公路选线多是在大比例尺带状地形图上进行。采用传统方法测图，先要布设大量的图根加密控制点，然后在图根控制点上安置仪器用图解法测绘地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。采用RTK技术进行地形图测绘，不需要点间通视，减少测量层次。仅需1人背着流动站GPS接收机在待测的地物地貌等碎部点上采集1分钟左右，并通过RTK操作手簿输入碎部点的特征编码及属性信息，即可实

42、时地得到碎部点的三维坐标。再通过内业的数据传输和格式转换，至专用绘图软件编辑成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，采集速度快，因此大大降低了测图难度，既省时又省力，非常实用。公路选线与中线放样：在公路设计与施工中,公路选线和定线测量是一项十分重要的工作,既要满足勘测设计规范要求的精度,又要本着尽量少占用农田和少拆迁房屋并尽量利用旧路路基这样一个原则。公路选线一般采用图纸上定线和现场勘察选线两种方式。为了快速而准确地设计好道路中线，我们可以利用GPS-RTK技术，选择公路GPS网中某一个控制点作为基准站，用车载GPS-RTK接收机作为流动站，沿原路中线按一定间隔采集数据，遇到重要地物

43、，准确定位，最后将数据传入计算机，利用Auto CAD软件可以方便在计算机上选线。设计人员在大比例尺带状地形图上完成定线后，勘测人员需要将公路中线在实地上标定出来。利用RTK测量进行公路中线放样，可以有两种作业方式。第一种是根据现有的各种线形中桩坐标计算公式或专用公路计算软件，计算出公路中线上的各桩点的坐标3，然后将中桩点坐标传输到GPS控制手簿中，建立以点号为标识符的公路放样文件，个别加桩点的坐标以手工输入法输入手簿。第二种是利用RTK系统中自带的道路放样模块进行操作。我们知道，道路路线主要是由直线、缓和曲线、圆曲线构成。道路的纵、横断面放样：纵断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中

44、，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。横断面放样时，先确定出横断面形式，然后把横断面设计数据输入到电子手簿中，生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以帮助你自动与地面线衔接，并利用“断面法”进行土方量计算。通过专用绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图来。因为所用数据都是测绘带状图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。虽然公路勘测工作环节众多，十分繁杂，但有了GPS-RTK技术后，可以按照“静态+动态”作业方式，甚至可以按照“定位+放样”作业方式，以简化作业环节，实现一体化勘测目标。实施“静态+动

45、态”的一体化作业方式：该作业方式是将公路勘测工作分为静态作业和动态作业两大环节。静态作业是利用GPS技术建立全线基础控制网，提供高精度的框架，并为动态作业提供转换参数；动态作业就是利用RTK技术，分段测量放样。要求流动站分工明确，如有的负责测图，有的负责放样。其实质在于扩大RTK技术的应用范围，其关键在于实时GPS系统的数量。数量越多，勘测效率越高。实施“定位+放样”的一体化作业方式：该作业方式是将公路勘测工作分为定位作业和放样作业两大环节。定位作业是利用GPS-RTK技术，在WGS84坐标系统下，流动站分工进行静态测量和实时定位。如此分段推进，完成全线外业数据采集，再通过内业数据处理，输出测

46、区的所有待定点的成果表，并输出相应的数字化地形图。放样作业仍然是利用GPS-RTK技术，此时是在国家坐标系统下，根据定位作业提供的转换参数和公路线形点的设计坐标，调用RTK系统的放样功能，完成所有放样工作。该作业方式的效率同样在于实时GPS系统的数量。由于每个点都有两个不同已知点的实时检核平差成果，各项精度指标均在预先设定的范围之内，加上参考站坐标传递如果存在问题，那么在成批解算流动点位的坐标差中必然会暴露出来。因此，整个测区所有点位的WGS84测量成果是一个精度均匀，绝对可靠的，无需进行任何内业后处理，只要根据同平面及高程的已知点位匹配情况进行坐标转换与高程拟合，输出测区的点位成果表，根据转

47、换后的坐标与高程系统输出相应的数字化地形图，用于输出修正后的线路模型，并推算出工程的土石方工作量。接下来就可以进入GPS引导下的线路施工放样、里程桩测设及其它工作。3.2传统公路断面测量方法与现测量方法的比较及实际应用3.2.1传统公路断面测量方法与流程公路的纵横断面设计需要进行中桩放样和纵横断面测量。作业步骤如下：根据设计的线路坐标进行中桩放样。传统的中桩放样是采用全站仪(测距仪配合经纬仪)进行放样。随着GPS-RTK的应用越来越广泛,某些单位已经使用GPS-RTK进行中桩放样。用水准仪进行抄平工作,测线路纵断面。中桩放样完成以后,用水准仪测出中桩的水准高程。在线路附近埋设有高等级控制点,这

48、些高等级控制点高程已知且精度能满足规范要求。利用这些高等级控制点获取中桩的高程,用来进行线路纵断面的设计。用经纬仪结合水准尺测线路横断面。横断面的设计需要了解线路两侧的地形起伏状况,即两侧的地面高程。测量使用的是经纬仪结合水准尺的方法。操作过程一般为:在钉有木桩的点上安置经纬仪,量出仪器高,镜头指向线路方向,拨转90,在此方向上地形变化的地方立水准尺,记录和读数;倒转180,进行同样操作,就可计算出两侧特殊点的高程,用来进行横断面的设计。随着GPS-RTK平面定位的精度被人们认可,大多数的工程测量单位都采用GPS-RTK放样替代全站仪放样,因此放样速度得到了较大的提高。但是如果抄平组和横断面组

49、速度跟不上,会导致3个流程脱节,不利于统一指挥和调度。而且如果后两组落后太多,放样的中桩有可能被人毁掉,不利于整个工作的顺利完成。为了解决这些问题,可以利用GPS-RTK的高程数据来代替水准测量数据,从而完成整个水准测量工作6。3.2.2现公路断面测量方法与流程通过实验,GPS-RTK的高程精度完全可以满足公路中桩放样和纵横断面测量的要求,在此介绍利用GPS-RTK全面承担测量任务的作业过程：在已知点上安置基准点由于已知控制点的坐标不一定是WGS-84坐标,因此需进行坐标转换。坐标转换的一般步骤是先选定椭球,设定转换参数和投影参数,然后输入控制点坐标进行转换;也可以先不输入参数,而是在测区附近

50、找到3个已知控制点输入已知的当地坐标,测出WGS-84坐标进行强制转换。这样就可以将WGS-84坐标系转换成当地坐标系。为了保证转换的正确性,可以到第四个已知点上进行检核。检核正确后即可进行。测量时可以使用1+3的形式,即1个基准站、3个流动站。其中1个流动站用于放样中桩,并进行定测,另两个流动站置于两边测横断面的坐标和高程。将野外数据传入电脑,经过整理变成电子版,这样即可以进行公路设计。3.2.3传统公路断面测量方法与现测量方法的比较为了体现GPS-RTK一次性测量过程的优势,将GPS-RTK一次性测量与传统 测量进行了比较,结果见下表：表3-1 比较结果比较内容GPS-RTK测量传统测量技

51、术人员8人15人工作进度57(km/d)23(km/d)工作环境白天和夜晚皆可,上方应无遮挡物白天且可见度较好作业模式中桩放样和纵横断面测量同步完成,便于调度中桩放样和纵横断面测量各自分步完成,不利于调度作业精度满足纵横断面设计精度要求满足纵横断面设计精度要求3.2.4GPS-RTK在公路断面测量中的实际应用GPS-RTK的技术条件： GPS-RTK作业的硬件条件。GPS-RTK作业的最低配置为一对可用于RTK作业的GPS接收机，一对数据链，电源设备。 GPS-RTK作业的软件环境。GPS-RTK要求实时提供流动站相对于参考站的3维定位成果，并完成相应的坐标变换和投影计算，这必须有一个强有力的

52、软件系统来支持上述任务的实现。同时，这个软件还应继续支持原有的各种静态、动态及GPS-RTD作业模式。并且这个软件应是开放的，即不但可随时由用户自行进行版本升级，而且应与其它测量仪器进行数据共享。 调制解调器的配置（电台或数据链）。由于地面测量时通讯的作用距离受发射台与接收台之问的地形与地物的影响，其理想模式往往难以实现。RTK在公路中线测量中的作业流程： 建立测区平面控制网：根据测区范围，用GPS静态测量方法建立测区控制网，相邻点间间距35公里，并与国家点联测。求出各控制点平面坐标，同时需考虑投影变形。公路工程在纵向有时可达到几百公里，在横向上却一般只有几十米，跨越范围广，线路走向、地形情况

53、千差万别，长度变形各不相同。因此必须采取相应的措施消弱长度变形。 高程控制侧量：GPS测得的大地高属于WGS-84系统，因此必须采用高程拟合的方法，来求得正常高。而高程拟合的精度高低取决于参与拟合的水准点的个数及分布的均匀程度。 转换参数的设置：选择控制网中已知的WGS-84和地方独立网格坐标以及高程的公共点。求解转换参数。从RTK定位原理可知。GPS定位结果是点在WGS-84坐标系的几何位置。要想流动站得到精确的国家或地方坐标和高程，一要在基准站输人WGS-84系坐标，二要在流动站输人WGS-84坐标系与国家坐标系的转换参数。 选择作业时段：根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的

54、几何分越好，定位精度就越高，根据预测结果合理安排工作计划。 测量数据的准备：根据外业测量的需要。可将内业计算出的路线逐桩坐标按相应的数据格式导出并输人到GPS内。以供中线测量调用。也可将路线直曲要素中的起讫桩号、半径、A值等输人到GPS的道路编辑软件中进行编辑，这样在GPS内部生成路线线位后，就可以利用GPS内的道路放样软件进行放样，外业过程中GPS可以实时显示出测点桩号或偏差。 外业操作：基准站设置在测区附近的基准点上。开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输人工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置，输人转换参数，再进行流动站的设置和仪器初始化，完成测量前的准备工作。总结： 研究表

55、明由于载波相位测量、差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合，使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合，并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。 该法应用于高等级公路放样测量，其定位精度可达到厘米级，完全能够满足规范要求。 该法在施测过程中，能实时检验质量控制指标，因而能实时提供经检验的成果资料，大大提高了生产效率。 在困难地区尤其是采用常规全站仪放测极不方便且难以保证精度的地区.使用该法是非常有利的。第4章 GPS-RTK在公路断面测量中的应用4.1GPS-RTK技术测量断面的原理RTK系统由基准站和流动站组成。基准站通过数据链实时将采集的载波相位观测量及测

56、站坐标改正信息一同发送给流动站,基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时,通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站;移动站通过数据链接收来自基准站的数据,然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS观测数据组成差分观测值进行实时处理,实时给出待测点的坐标、高程及实测精度,并将实测精度与预设精度指标进行比较,一旦实测精度符合要求,手薄将提示测量人员纪录该点的三维坐标及其精度9。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到cm级精度。实时动态差分GPS-RTK由基准站、流动站和实

57、时动态差分软件系统三部分组成，在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站，流动站不仅要通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，只要能跟踪并保持接收到四颗以上卫星的相位观测值和必要的几何图形，流动站则可以实时给出cm级定位结果。GPS-RTK技术为断面测量提供了便利，断面测量前，在手簿上可采用直线放样的方法设定理论断面线。数据采集时，测点将实时显示在手簿屏幕上，并提示偏离断面线的方向和距离，以便操作员纠正断面点位到断面线上。这种方法直接测定断面点三维坐标，定位快捷（几秒钟即可采集一断面点坐标数据）、不存在误差积累，可多台移动站同步作业，一台参考站作业范围为电台覆盖范围，因此比常规经纬仪测量方法具有很大优势。4.2GPS-RTK断面测量的外业实施测量开始前，要进行对点的校核，找