GPS运用于公路工程控制及分析毕业论文

目录TOC\o"1-5"\h\z内容摘要 1第一章绪论 2GPS系统的组成 2GPS的工作原理 3第二章GPS运用于公路工程控制及分析 6GPS外业处理 6GPS在公路工程的测量运用 8.1国道310线郑汴高速连接线控制测量 9.2GPS的动态测量（RTK在东京大道新建工程的应用 12第三章结论与展望 15GPS应用相对于传统方法的优越 15GPS测量的应用发展前景 16参考文献 18内容摘要随着社会的发展，高等级公路的建设突飞猛进。以往公路大多采用传统的控制测量方法进行控制网建立，由于该类测量控制大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林，周围控制点很少，使得传统测量方法在网形布设、误差控制等多方面带来很大问题。 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，本文简要叙述GPS技术原理及以两个例子说明GPS在公路工程做控制点的运用。【关键词】：GPS定位系统公路工程控制测量第一章绪论GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem)在公路工程测量中的应用，在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下 GPS系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。1.1GPS系统的组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。1.1.1空间卫星群GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。1.1.2GPS的地面控制系统GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土1.1.3GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收 GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的天宝（Trimble）4800GPSM地型接收机其技术指标为：双频主机、天线，RTK电台一体化；独特的电池设计、无需接线，使用4h以上；5次/秒的快速位置更新，可靠的卫星"超跟踪"技术；新型于薄式控制器，4M或10M的PCMCIA^据存储卡；测量精度：静态测量 5mm+lppmRTK测量10mm十1ppm（平面）20mm十1ppm（高程）这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。GPS的工作原理GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图 I示:A. B *Cp1图1GPS卫星定位原理在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗(A、BC)以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAPSBPSCP同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]式中(XA,YAZA),(XB，YB,ZB),(XC，YC,ZC)分别为卫星A，B，C在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。(如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。)在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：1．3．1测站之间无需通视测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收 GPS卫星信号不受干扰。定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1pp，而红外仪标称精度为5mm+5pp，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50公里的基线上，其相对定位精度可达12X10-6，而在100〜500公里的基线上可达10-6〜10-7。观测时间短。观测时间短,采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30〜40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。全天候作业GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。第二章GPS运用于公路工程控制及分析2．1GPS测量原理与常规测量方法有本质的差别，但在外业方面相类似,实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理等。2．1．1选点与埋石作业前，依照测区现有控制点资料情况作了现场踏勘，选点工作基本按设计图纸要求，结合GPS测量规范中有关选点要求，及实地的自然地理情况确定点位，其点位基本应满足如下要求：（1） 点位应位于交通方便、便于埋设和长期保存，便于安置接收设备和便于操作的地方。（2） 视野开阔，在高度角15°以上的天空没有障碍物。（3） 点位200m范围内，无大功率无线电发射源或高压输电线通过，点位应避开大面积水域和高大建筑物及对电磁波接收有强烈干扰的物体。（4） 点位应考虑到日后用常规方法进一步加密和联测的需要。

根据上述要求及测区的地理特点及旧三角点的分布情况，尽可能地选在位置适当的楼项上，并按GPS测量规范中的埋石规定，本着地面埋桩与房顶浇铸灵活应用的原则均建立了永久性标志，便于长期保存和使用。2．1．2外业观测与要求外业观测前应制定科学、周密的观测计划。首先通过微机编制GPS外业观测计划，装入RINEX文件，设置测区近似经纬度、作业日期及每天作业起止时间，分别打印出每天早上6点至晚上8点时段内可见卫星数直方图和精度因子图供观测时参考，以避开不佳观测时段，保证观测精度。另外，做好同步观测计划、设站次数的要求等，保证整网的点位相对精度。本次 GPS网外业观测计划的编制，要求每点设站尽量保证在2次以上，在设站中，为保证今后使用方便，邻近点基本上都由直接观测基线向量相连；对于网的边缘点，则尽量与内部点同步观测，以提高边缘点的精度。本网外业观测于1999年10月实施并完成，共使用场台徕卡200S单频GPS接收机同时完成作业。其要求如下：（1）全网的所有观测安排在每天的最佳观测时段，每时段最少同时跟踪颗卫星，其PDO值均小于5。（2）每时段观测60min,数据采集间隔为15s。（3）在测站上，天线严格整平对中，天线固定标志大致朝北，测前、测后分别量取天线高，读数精确到mm。（4）观测过程中，观测者应坐在接收机旁，但头顶不要超过天线高，观察数据接收情况，如卫星数、信噪比及精度因子变化等，若观测质量不佳，应及时联络各测站，延长观测时间。（5）为确保数据安全，每天的数据应及时送至微机存盘保存。G2.1.3GPS数据处理及精度GPS空制网的内业数据处理和基线计算采用随机购置的SKI软件包中手选基线处理程序。如某测区GPS网平差（图2），平差软件采用武汉大学测绘工程学院CosaGP歎件。此测区共有30个点，其中1，6，19和30点为已知点。图2中双线为复测基线。该测区GPS中双线为复测基线。该测区GPS定位测量，采用 3台套的Trimble4600LS接收机观测。314F1115181719242621图2某测区GPS平差网2229 30314F1115181719242621图2某测区GPS平差网2229 308913—.—2325观测数据的基线处理是整网计算中最重要的一步骤。为检验每天观测成果的精度和有效性，每天观测结束后及时对外业观测数据进行计算、检验，即进行基线解算及同步环、异步环 3个分量闭合差、复测基线较差的统计，对闭合差及较差超限的基线进行适当处理或删除，采取有效措施复测，以确保整体质量。2.2GPS在公路工程的测量的应用静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。开封市的省路网改造项目应用GPSW量是于2001年开始的，2002年在省道豫04线和尉氏--通许段48公里的中线测量和国道310线郑汴高速连接线11.8公里的控制测量中推广使用了静态功能这一技术。 据开封市公路工程勘察设计院有关专家介绍，经过多次的复测验证，GPSi术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。国道310线郑汴高速连接线控制测量建立布网方案国道310线郑汴高速连接线北连郑汴高速，向南穿越正在开发的开封经济技术园区，地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，该测区内原有BJ54坐标系的E级控制点二个(已知起算点)，其中a1(X=2759.5680,Y=8870.9190,H=72.0080)位于医药商厦门前，b1(X=2808.6230,Y=7915.2590,H=72.0000)位于大学西边的路口处，根据工程需要在市委、水利局、书店、雕塑、检察院附近加密控制点，以便于测设，我们如图 3建立控制网。GPS静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台天宝4800GP取收机安置在待定点(GPS1GPS2GPS3)上同时接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。图3GPS导线网图

采用武汉大学测绘工程学院CosaGP歎件，平差后如表1:GPSX=1744.845Y二9618.349Z=80.214GPS：x=t1545.450Y二11547.578Z=92.67-GPSX=2025.474Y二13077.657Z=89.086GPSX=3253.210Y二12848.320Z=97.427GPSX=13459.989Y二11880.010Z=106.323GPSX=2854.421Y二10749.082Z=83.765表1GP布置控制点坐标表大地测量法主要采用大地测量仪器如经纬仪、全站仪、测距仪等。国道310线郑汴高速连接线控制网采用测边网，高程采用测距三角高程,1I1819i1b1111311按照观测技术要求进行施测，如图4,经平差后坐标见表21I1819i1b1111311按照观测技术要求进行施测，如图4,经平差后坐标见表2。15 14116I图4大地测量法过GP点控制网平面图表2 大地测量法过GP点控制网坐标表d1X2474.829Y8882.846Z72.543d2X2394.726Y9313.340Z78.878d3X2008.960Y8792.578Z80.32d4X1922.147Y9209.192Z82.435GPS1X1744.848Y9618.346Z80.219d5X1809.422Y10103.134Z80.455d6X1436.561Y10385.203Z79.108d7X1917.811Y10558.784Z76.878d8X1779.072Y11062.169Z76.926d9X1358.520Y11166.317Z77.909GPS2X1545.456Y11547.582Z92.675d10X1457.490Y12009.317Z76.095d11X1921.398Y12065.731Z75.984d12X1648.256Y12747.036Z87.434d13XP2294.259Y12773.073Z91.874GPS3XP2025.478Y13077.659Z89.09d14X2668.360Y13203.020Z87.544d15X2958.844Y12799.444Z90.874GPS4X3253.213Y12848.326Z97.433d16X3533.719Y12564.021Z87.857d17XP3245.181Y12136.041Z84.953GPS5X(3459.992Y11880.014Z106.326d18X3481.574Y11415.781Z91.954d19X3067.887Y11527.125Z87.454d20X2907.974Y11182.653Z91.098d21XP3220.733Y10830.708Z88.909GPS6XP2854.423Y10749.088Z83.77d22X(2723.060Y10393.315Z78.896d23X3020.574Y10128.599Z88.678d24X2718.913Y9799.608Z91.985d25X2985.013Y9524.809Z87.895d26X2985.013Y9000.428Z86.904大地测量法与GPS测量法结果比较。由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于土 10mm因此可以满足国道310线郑汴高速连接线加密施工控制网的精度要求。表3 大地测量法与GPS测量法结果比较表点号GPS方法大地测量法相对点位中误差(mmXYZXYZGPS11744.8459618.34980.2141744.8489618.34680.2196GPS21545.45011547.57892.6731545.45611547.57292.6758GPS32025.47413077.65789.0862025.47813077.65989.0905GPS43253.21012848.32097.4273253.21312848.32697.4337GPS53459.98911880.010106.3233459.99211880.014106.3265GPS62854.42110749.08283.7652854.42310749.08883.7706222GPS的动态测量(RTK在东京大道新建工程的应用东京大道新建工程周围地势起伏较大，在北城墙外 JD4〜JD5区间穿越五十公顷面积的国家森林公园，大范围的密林、密灌地使通视较为困难，而规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定，一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这样，导线附合或闭合长度和结点导线结点间距等指标都有严格规定，这种要求一般在实际作业中难以达到，往往出现超规范作业。开封市公路局勘察设计院于2000年用10人花费20天时间，用全站仪和测距仪通过导线形式完成了该路段进行了控制测量。2001年在工程开工前对该路段实施GPS的RTK动态测量，对中线进行恢复和校核。以已知控制点JD4、JD5为基准点，然后在基准点JD4上架设GPS基准台，用GPS1HSGPS2两台天宝(Trimble)4800GPS接收机分别安置在控制点上，测出点ZH4HY4YH4HZ4ZH5HY5YH5HZ5的三维坐标，每点测量时间为5s，如图4所示。根据所测坐标计算出相应边长值。图5GPS放样示意图为验证市勘察设计院2000年的对东京大道新建工程在控制测量的精度，我们分别以JD4和JD5为基准站对国家森林公园周围原加密的控制点AB、C、DE也进行了RTK测量，进行了坐标比较。运用GPS测量的基线有14条，边长差值最大为16mm控制点坐标测量点数7点，除E点发现有人为的破坏痕迹外，三维坐标能够比较的元素有27个，差值小于施工测量规范规定的要求，从以上比较可知，RTK测量可以用于工程的控制测量是非常有效的新技术,见下表表4：表4人数时间常规方法10人20天GPS方法5人6个小时由表4可见利用GPS测量能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证了高等级公路测设质量。本次东京大道控制点的 GPS外业观测方法，采用一台接收机在已知点放站作为固定站，其余三台接收机作为流动站待定点（平高像控点）上放站，这样便于外业观测时使用一台车辆作业，使其成本降低，并且灵活方便。像控点的点位精度为图根级，这种作业方法完全可以满足像控点的平面及高程的精度要求，而且缩短了外业观测的时间及降低了工作人员在冬季作业时的劳动强度。夕卜业观测时，首先将一部接收机送到作为固定站的已知点上进行GPS观测，然后再将其余三部接收机作为流动站送到各待定点位进行观测。在观测时，作为固定站的接收机从开始观测到所有的接收机观测结束，中间不能停止观测，直至流动站的所有接收机关机后方可关机。这样，在整个观测过程中至少有两部接收机进行了在同一是段内的同步观测，形成独立基线。流动站的接收时间为不少于15分钟，历元数不少于60个GDO值小于8,固定站间重复观测均在2次以上，像控点一般重复观测2次。整个测区共布设平高点485点，我们只用40个工作日即将全部外业观测工作做完，其中只有2点因解不出模糊度和观测时间少于9分钟，而进行了1次重测。第三章结论与展望以上用两个实例阐述GPS在公路工程做控制点的运用，不难发现：GPS应用相对于传统方法的优越：应用GPSi术建立公路平面控制网，不仅具有精度高、工期短、费用省的优点，而且由于GPS测量本身的特点，网形构造简单，点的疏密和边长的长短都可适当选取，这样在建立道路控制网时，即使离国家三角点较远，仍可进行连接，并进行控制网的定位和定向。另外，还可以解决常规测量中点位之间无法通视的困难，选点灵活，不需要高标，同时还可解决外业施测受天气影响的困难，因此，应用GPS技术建立道路平面控制网的方法值得推广。由于GPS测量技术要求高，作业周期短，并且要求有几台接收机同时作业，因此为保证作业的高精度必须在作业前要有周密的计划，如本期GPS测量观测计划中，每点观测次数尽量保证在2次以上，临近点基本都用直接观测基线向量相连，网的边缘点尽量与内部点同步观测；外业观测时段、观测时间的选取及观测数据必须每天传输存盘等要求都在设计上起到了精度保证作用。在周密计划的同时，还应有完善的协调组织工作，注意合理安排、协调作业，保证严肃、认真、细致地进行工作，并要有快捷的交通工具相配合，使观测工作有条不紊地进行，达到高精度、高效率。基线解算及工作质量评定直接影响到GPS网的精度，所以应认真做好当天的基线解算工作及闭合差