毕业论文-GPS在现代控制测量中的应用

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专业：测绘工程班级：10测绘班学号：姓名：指导教师：职称：讲师资源工程学院目录1.绪论············································································31.1世界上的定位系统······························································31.2我国的GPS大地控制网···························································32.GPS的原理及测量分类·································································32.1GPS卫星原理概述·······························································32.2GPS测量方式的分类·····························································33.GPS静态观测数据采集与分析···························································43.1GPS控制点的埋设以及网的布设···················································43.2控制网观测环的布设····························································53.3GPS静态观测数据的采集·························································53.4.E级GPS控制点测量技术要求····················································64.GPS数据处理·········································································74.1基线解算·······································································74.2GPS数据处理过程···························································85.GPS（RTK）在控制测量中的应用························································105.1RTK在控制测量中的应用·························································106.使用GPS仪器作业时的注意事项·······················································13参考文献··············································································131.绪论1.1世界上的定位系统目前全球共有四大定位系统包括：(1)美国的GPS定位系统(2)欧洲的GNSS导航系统(3)俄罗斯的GLONASS系统(4)我国的北斗号系统。这些全球定位系统的结构都由三部分构成：(1)地面控制部分;(2)空间部分；(3)用户装置部分，虽然定位原理不同但是都能提供全天候、连续、实时、高精度的三维位臵、三维速度以及时间数据。目前美国GPS定位系统在全球范围内用的最为广泛，是世界上第一个成熟、可供民用的全球卫星导航定位系统。1.2我国的GPS大地控制网中国国家A级由30个点构成，B级GPS大地控制网由800个点构成。在中国大陆境内均匀地分布了A级和B级控制点，A级边长平均为650km，B级边长为平均为150km。这两个网采用后处理精密星历和ITRF坐标框处理数据，这样我们国家的A级控制网和B级控制网就能在这个全球性的参考系中准确定位出来了。我国A级GPS大地控制网在1996年建成，B级GPS大地控制网在1997年建成，这两个控制网先后投入使用。在精度方面比原来的控制网提高了2个量级并且其三维坐标也是建立在在国际公认的ITRF框架之内的。2.GPS卫星原理级测量分类2.1GPS卫星原理概述1）GPS是以卫星基本三角定位为原理，GPS接收装置测量卫星的距离是通过测量无线电信号的传输时间来完成的，从而判断出卫星的位置。这是一种高轨道与精密定位的观测方式。假设第一颗卫星在14000英里高处，测量出卫星至接收机的距离，首先以此卫星为圆心，以14000英里为半径画一圆，而我们位置正处于这个球面上。再假设第二颗卫星距离我们接收机15000英里，同上，我们也在另一颗球的球面上，而我们正处这二颗球所交集的圆周上。接下来我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度16000英里，我们就可以进一步把范围缩小到二点位置上，但是两个位置其中一点并不是我们所在的位置而极有可能是在太空中的某一点。所以我们将舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。2）GPS利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会测算出地面点的三维位置，这就是GPS的定位原理。简单的说，GPS定位原理其实就是一种空间的距离交会原理。2.2GPS测量方式的分类GPS静态测量，是一种定位测量，在GPS静态观测的整个观测过程中，接收机的三维位置始终是保持静止的，它利用测量型GPS接收机进行坐标定位。数据处理时，需将GPS接收机天线位置作为一个不因时间的变化而变化的量，通过接收机接收到的相关卫星数据，从而求得我们想知道的待定点的坐标。GPS静态测量的观测是由三台以上接收机在不同的地点进行同步观测的。静态定位中，GPS接收机的位置在跟踪GPS卫星的过程中是保持不变的，接收机非常准确地利用已经知道的卫星在轨位置，然后测量GPS信号从卫星到接收机的传播时间，以此计算出接收机天线的位置。GPS动态测量，是利用测量型的GPS定位接收机在定位测量的过程中处于运动状态，包含绝对定位和相对定位。在测量过程中需要通过不断的移动，直到到达所要测量的位置，这样才能获得所需数据。GPS测量能提供所需要的坐标，运动目标的三维速度信息和时间信息。3.GPS静态数据采集与分析3.1GPS控制点的埋设以及网的布设3.1.1控制点的布设1）首先，在内业预先利用遥感影像图对整个测区进行一个大致的选点（由于控制点之间要求两两通视所以具体位置还需作业人员现场调整）。2）两点相互间隔需200米以上（这里以E级控制点为例），作业人员通过对现场的查看进行控制点的埋设，控制点尽量选在水泥路上（切割，埋十字铁盘）和较高处，应尽量避开较高建筑物和较高树木以防止接收机信号被干扰。3）埋石刻点时，字头朝北，字迹清晰，在水泥路选点时不能选在水泥路的收缩缝上，因为收缩缝埋石会导致控制点的脱落，埋设铁盘时应该或上水泥使控制点永久牢固。非水泥路上（土地）埋设时应该尽量埋深使控制点牢固可靠，控制点尽量不能埋在沙地上。埋设实例如下图：图3-1泥地水泥桩图3-2水泥地埋设铁盘3.2控制网观测环的布设GPS观测环分为同步环和异步环，同步环的连接方式又分为点连式和边连式，由于在实地大面积控制网布设时同步环边连式会导致没有异步环，虽然精度更高但是会加大静态观测的工作量，所以一般采用同步环的混连试以便提高工作效率，但是要尽量少出现异步环以提高观测精度。3.3GPS静态观测数据的采集3.3.1控制点的静态观测外业操作步骤如下（单指某个测站的操作）：

1）安装仪器，先把基座对中、整平、量仪器高，一般在三个方向要求分别量取三次，取平均作为测前接收机天线高，三次取值规范要求不超过3mm；用数据线连接主机与天线（如果是主机天线一体化的接收机，此步骤免除，目前中海达等较知名的GPS接收机基本上是一体的。），然后安装上接收天线；测量天线高，

2）开机。

3）观测员需填写外业观测手簿，包括日期、点名、开机时间、关机时间、天线高、时段号观测者、等等内容，以便后续处理数据时能有条不紊的进行。4)观察接收状态，在接收机工作期间，要不定时察看，检查接收机是否电量充足，确定接收是否正常工作，特别是在开机后几分钟，看指示灯是否正常（接收的卫星数以及采样间隔等）。在静态观测的四十分钟过程中，要防止无关人员及牲畜在仪器附近走动以免发生仪器破坏和由于仪器被碰导致重新观测等。观测过程中的任何异常情况都要记录在手簿中并向负责人汇报。

5）关机，观测时间到了或是收到小组长的关机指示后，先直接关闭GPS接收机电源，然后再次量取天线高。把关机时间及测后天线高记录在手簿上。6）收仪器，如果该站为不动站则不收仪器，等待下次开机。3.3.2观测步骤1）如下图：20、21、22、23均为同步环这四个环以点连式和边连式围成一个异步环，我们按照图上（1）（2）（3）（4）为顺序先从22号环开始观测，6名观测人员分别在JE95、JE96、JE97、JE98、JE88、JE89上观测以最后开机的时间人员为准同步观测一个小时，时间到后，JE95、JE96点不动其余搬往23号环，方法和第一环一样，时间到时JE92、JE94不动观测20号环，观测21号环时JE79不动，按照这个规律一个个环观测。观测时应该选出一名小组长，各观测人员把开机时间和点号汇报到小组长处由小组长统一调度，让观测有条不紊的进行。图3-3混连式观测环3.4.E级GPS控制点测量技术要求以上述已有C、D级GPS点为基础，沿道路、居民地以及测区外围采取边连式的形式布设E级GPS网（点），每平方公里约4个点，平均边长约为500m。E级GPS测量采用静态方式观测，其最弱点（相对于起算点）的点位中误差不得超过±5cm。E级GPS控制网最简独立闭合环或复合路线边数及相邻点之间的平均距离如下表：表3-1级别闭合环或复合路线边数相邻点间平均距离E级≤10条500m相邻点最小距离可为平均距离的1/3-1/2；最大距离可为平均距离的2-3倍。在数据观测完需要将每一次的观测数据做成观测手簿如下：表3-2GPS外业观测手簿观测者姓名：黄贵梅日期：2014年3月6日测站名：JE07时段号：3天气状况：小雨近似坐标：经度：E119°28′纬度：N25°14′高程：55.122（m）本GPS点为■E级GPS待定点□等大地点□等水准点□记录时间：■北京时间□UTC□区时开始时间：12:33结束时间：15:33接收机型号：HD-8200G天线号：0717884天线高：1.1.4352.1.435平均值：1.435观测状况记录1．电池电压：（块条）2．接收卫星号：3．信噪比（SNR）：4．故障情况：无5．备注：观测该站时，天气小雨可能会对观测精度造成一定的影响4.GPS数据处理4.1基线解算4.1.1观测值的处理GPS基线向量表示了各个GPS控制点的一种位置关系，即控制点与控制点的坐标增量。GPS基线向量与我们常规测量中的基线是不一样的，它们的区别在于GPS基线向量具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性，而常规测量中的基线只有长度上的属性。GPS基线向量是GPS控制点同步观测的直接结果，也是进行GPS控制网平差，获取最终精确点位的观测值。如果在某一历元中，对n颗卫星进行了同步观测，那么我们将可以得到n-1个双差观测值；如果在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为k则整周未知数的数量为k-1。在进行基线解算时，通过模型直接将电离层延迟和对流层延迟改正或差分处理等方法将它们消除，不作为未知的参数。所以，只有2种参数在解算基线时需要考虑，一是测站的坐标参数，数量为3；另一种是整周未知数参数（m为同步观测的卫星数），数量为。4.1.2基线解算基线的解算过程实际上就是一个平差的过程，平差过程时所采用的观测值就是双差观测值。基线解算分三个阶段完成，第一阶段：对基线进行初始的平差，解算出GPS接收机静态观测时由于某种原因导致的浮动解；第二阶段：将整周未知数固定成整数；第三阶段：将已经确定了的整周未知数作为已知值，再次进行平差解算，解算出待定的测站坐标作为的未知参数，，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。1）初始平差根据双差观测值的观测方程（需要进行线性化），组成误差方程，然后组成法方程，最后求解待定的未知参数，其结果为：待定参数：（式4-1）待定参数的协因数阵：，（式4-2）单位权中误差：。通过初始平差以后，我们所解算出的整周未知数参数本来应该是整数，但是因为观测值误差、随机模型和函数模型目前还不完善等原因，使得其结果却是实数，所以，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得精度较高的基线解算结果，我们必须准确地确定出整周未知数的整数值。2）整周未知数的确定第二节已提及，此处不再详述。3）确定基线向量的固定解当整周未知数的整数值确定以后，与它相对应的基线向量就是我们想要的基线向量的整数解。4.2GPS数据处理过程每一个商家所生产的GPS接收机都会配备相应的数据传输以及处理软件，所以它们的使用方法也会不同，但是无论是哪一款软件，它们在使用步骤和方法上都是大体相同的。GPS基线解算的过程大体如下：4.2.1原始观测数据的读入在进行基线解算时，首先需要读取每天静态观测完后当天传输出来的原始GPS观测值数据。一般说来，各GPS接收机厂商配备提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，首先需要进行格式转换。目前，大部分的数据处理软件都能直接处理最常用的RINEX格式数据。4.2.2外业原始数据的检查与修改在读入了GPS观测值原始数据后，就必须对观测数据进行检查，检查的项目包括：测站点号、天线高、开关机时间等。对这些项目进行检查是为了避免外业操作时的误操作而带来的无法计算。4.2.3解算基线的控制参数基线解算的控制参数是用来确定数据处理软件是采用何种处理方法来进行基线解算的，基线解算的控制参数的设定是基线解算时的一个非常重要环节，通过设定控制参数，可以实现基线的精化处理。4.2.4基线解算基线解算时一般是软件自动进行的，无需过多的人工干预和操作。4.2.5基线质量的检验基线解算完毕后，应先对基线的质量进行检验基线，而并不能马上用于后续的处理，只有质量合格的基线才能用于后续的数据处理，如果不合格，则需要对基线进行重新解算，如果怎么算都不合格则需进行重新测量，直到合格为止。基线的质量检验需要通过、、、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。4.2.6平差进行精度评定，得到各测站平差后坐标。4.2.7成果转化根据实际生产需要，通过参数转化为当地坐标，一般商用软多会有该功能。4.2.8成果经过精确解算最终得出如下（部分）坐标成果：表4-1点号Y(E)坐标X(N)坐标高程（H)JE100446286.45242789531.58611.152JE101446729.26892789462.9376.444JE102447398.3752789820.2157.620JE103447335.86932789511.4718.611JE1044480188043.862JE105448439.10322789665.2164.853JE106448952.00362789470.9884.122JE107449859.74932789453.8715.579JE108446760.78862789133.3435.616JE109447266.20412789186.7355.012JE110447917.72789076.7322.981JE111448523.89082788979.4545.749JE112449545.26862789246.3084.171JE113450061.10782789274.5185.557JE114450342.42442789043.7456.940JE115450674.92792789235.8266.338JE116444311.65922788950.87316.967JE117445460.47642788819.2597.351JE118445933.66442788785.3036.358JE119446456.64682788644.3536.362JE120446806.03262788387.5256.4075.在控制测量中的应用5.1RTK在控制测量中的应用5.1.1RTK在控制测量中的应用

目前，RTK在地形测量、工程放样等领域中已发挥了及其重要的作用，不夸张地说，如果没有RTK很多测量领域都将举步维艰，而且RTK在控制测量中也发挥了重要的作用，常规的GPS测量方法如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行数据处理及解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外信号固定值的情况下实时得到厘米级定位精度的测量方法，RTK采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用领域的重大里程碑，它的出现使工程放样、地形测图以及各种控制测量实现了革命性的飞跃，极大地改善了测量的条件提高了外业的作业效率。5.1.2RTK的基本工作原理

RTK基本工作原理：在已知较高等级点上安置1台接收机作为基准站，对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度（即基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H，加上基准坐标得到的每个点的WGS－84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H）。

5.1.3RTK图根控制测量

传统的图根控制测量需要对测区先进行导线测量然后通过内业的处理解算出各个导线点的坐标，这样不仅浪费时间，而且要求点间两两通视，由于观测和解算时都会存在误差，解算出来的精度不高，如果采用GPS静态测量和快速静态等方法则需要大量的时间并且也需在内业对数据进行处理，万一数据不合格则需重测。利用RTK进行图根控制测量（由于目前RTK精度还不能达到普通等级以上，只能进行一般的地形图图根控制）除了要避开高大建筑物和大树外不受天气、地形和通视等条件的影响，并且图根控制测量操作非常简便、机动性极强，工作效率比传统导线测量提高数倍，大大节省时间和人力，不仅在精度方面能够达到导线测量的要求，不存在误差积累问题（误差分布在信号固定时分布均匀）。采用RTK来进行图根控制测量，测量员可以随时从手簿上看到RTK的测量精度，如果精度没有达到测量要求，则可以停止观测，这样可以大大提高了外业的作业效率。

图5-1RTK图根控制测量简单的作业流程图如上图所示，在外业采集完以后需对成果精度进行检核，如果精度没有达到要求，则需重新进行外业的数据采集。控制成果出来以后就可以利用这些坐标进行房屋或地形的碎步测量，原则上这些图根点可以支站，但是不能连续支3个以上，否则精度将会降低。5.1.4工程应用及精度分析

我们在完成莆田市秀屿区南日岛测区1：1000数字化地形测量中（面积约45平方公里）用GPSRTK进行图根控制。为了检验RTK所测图根控制点的实际精度，控制点成果出来以后，我们用拓普康全站仪（2〞）对部分相互通视的控制点进行精度检测，最大边长较差0.02米，最小边长较差0.003米，边长间距中误差为0.008米，高差（△H）最大较差为0.061米，最小为0.001米。检测结果表明这些控制点的精度良好，所以，使用RTK进行图根控制测量完全符合导线测量的精度要求，甚至精度还要更高，而且误差分布均匀，不存在误差积累问题。

5.1.5优点：

与传统的导线测量比较，使用RTK进行图根控制测量自动化程度高，不需要对数据进行处理和解算，并且不产生误差累积，数据精度高安全可靠。操作简单，甚至一个人就可以完成外业的图根控制，作业速度快，节省了外业费用，提高了工作效率。可以说RTK技术非常适合大面积的数字化地形图图根控制测量和碎步测量。5.1.6缺点：RTK受GPS卫星信号的影响，在卫星信号不好时、高大建筑物较密的地方以及树林里均无法使用RTK进行作业，所以在实际图根控制测量时目前RTK图根控制测量还不能完全取代传统的导线测量。5.1.7具体作业方法我们在莆田市秀屿区南日岛采用的是RTK平滑10秒采集的方法，工具：脚架一副、基座一副、对准器一副、RTK一台、小钢尺一把。过程：把RTK与脚架和基座、对中器安好然后在图根点上对中整平量仪器高，RTK信号固定后平滑10秒输入点号和仪器高即可完成一个图根控制点的测量。5.2RTK图根控制测图相关数据5.2.1图根控制点成果表：表5-1图根点Y（E）坐标X（N）坐标高程（H）NC1446255.8882791706.74720.219NC2446289.1652791682.35520.26NC3446347.1792791651.120.096NC4446382.5182791632.24120.065NC5446425.9242791609.10420.098NC6446456.8312791592.58520.169NC7446503.1862791573.10720.162NC8446543.1272791551.54920.207NC9446615.3792791506.26820.239NC10446659.6412791482.90620.398NC11446681.7062791471.22420.433NC12446730.8572791443.81520.619NC13446760.5352791428.87420.6NC14446786.952791414.0720.59NC15446833.152791389.33620.656NC16446868.6152791369.87520.755NC17446942.6722791330.37220.919NC18446982.5612791308.56720.834NC19447032.6952791281.49720.206NC20447084.9112791253.51419.498NC21447119.9492791234.50219.091NC22447167.9422791209.95418.764NC23447200.682791247.68116.913NC24447219.6522791289.1615.256NC25447241.0752791321.93213.793NC26447253.8782791348.02112.943NC27447273.2982791388.66811.907NC28447303.7072791450.88810.66NC29447322.9512791490.26510.074NC30447353.3062791563.0419.04NC31447378.3162791614.0258.724NC32447403.1862791664.6118.434NC334474252791709.4888.31NC34447442.9912791737.3318.314NC35447460.4552791773.6618.406NC36447479.4282791813.4078.536NC37447501.5432791861.1048.743NC38447520.8122791901.7028.964NC39447536.5442791934.2929.0736.使用GPS仪器作业时的注意事项由于目前GPS仪器的普遍价格还是比较高的，所以作业员在使用仪器时应该保护好仪器设施的安全，防止仪器在作业过程中的损坏比如：摔坏、操作不慎、进水以及丢失等。一方面仪器的损坏按照目前普遍测量单位的规定测量员是要负大部分的责任赔偿的，另外由于仪器的损坏很可能你这一天的成果也将丢失。这就要求作业员使用仪器前应该先掌握仪器的使用，另外在作业时人和仪器不能分离以防仪器的丢失！另外，由于GPS仪器（比如RTK、CORS和静态观测接收机）都是用电池的，所以测量员在上班之前应保证电池能够上班使用，如果静态接收机在观测中途由于电量不足导致关机那么这个观测环就会作废，应重新观测。静态观测中途务必保持仪器的对中整平，如出现偏差那么这个观测环也将重新观测。GPS在现代测量中可以说是必不可少的，它的出现大大提高了测量工作的效率，GPS仪器已经成了现代测量中必不可少的生产力，所以对GPS仪器的使用也成了测量员的专业技能，如果仪器出现问题很可能造成作业的返工，仪器的使用务必要求测量人的重视！参考文献[1]徐绍铨等.GPS测量原理及应用-武汉大学出版社，2003。[2]曾宪灵，浅谈控制测量的基本任务和作用-《广东建材》-2010[3]肖成良，GPS在水利水电高等级施工控制网中的应用-《人民长江》-2002。[4]胡龙华等，中国国家高精度GPS大地控制网的建成-《中国高新技术企业》-2009[5]周建郑等，GPS定位原理与技术。郑州；黄河水利出版社，2005[6]鲁