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2.2GPS布网方法….……………………………………………………………...3
第3章GPS在工程测量中的应用…………….……………………………………...4
3.1建立工程控制网………….…………………………………………………...4
3.2RTK的碎部测量与放样……………………………………………………...4
3.3区域差分网下的碎部测量与放样……………………………………………4
3.4GPS变形监测…………………………………………………...…………….5
第4章GPS在工程测量中的应用实例……………………………………………...6
4.1测区基本概述………………………………………………………………...6
4.2技术指标……………………………………………….………………….….6
4.3平面控制网的布设…………...…..…………………………………………..6
4.4选点埋石……………………………………………………………………...6
4.5外业观测……………………………………………………………………...7
4.6GPS数据处理………………………………………………………………...7
4.7布设加密导线检测GPS网……………………………………………..……9
第5章结论……….…………………………………………………………...11
参考文献…………………………………………………………………………….12
第一章绪论
1.1研究背景
全球定位系统GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。
它的含义是利用导航卫星进行测时和测距。
是目前最先进、应用最广泛的卫星定位系统。
是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在陆、海、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
第二章GPS是一种全新的空间无线电导航系统,它不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力,而且能实时地对运动载体的速度、姿态进行测定以及精确授时。
GPS是现代科学技术发展的结晶,已成为导航技术现代化的里程碑。
第三章早在1990年的海湾战争中,尽管GPS系统尚未全部建成,但它从根本上解决了空中、陆地、和海上运载体的定位和导航问题,为美军及其盟军部队预测打击敌人,正确引导部队迅速穿越沙漠,占领预定目标以及效率极高地提供后勤救援发挥了前所未有的重要作用。
第四章现在,美国、日本、德国等发达国家在国内建立了大量GPS综合应用网络,如美国的连续运行参考站网络系统(CORS)、美国CUE,ACCQPOINT公司的广域定位导航服务网络、加拿大的主动控制网系统(CACS)、德国的卫星定位与导航服务计划(SA2POS)、日本的GPS连续应变监测系统(COSMOS)等。
第五章随着我国信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展,电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化,需要采集多种实时地理空间数据,几年来,国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络,其中著名的有中国地震局牵头建设的中国地壳运动监测网络,交通部建设的沿海差分站网络系统,信息产业部建立的电离层监测网络,国家测绘局建立的连续运行参考框架网络,部队建设的连续跟踪站网络等。
目前,为满足国民经济建设信息化的需要,一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统,特别是具有多种功能的综合服务系统,如深圳、北京、上海、四川、昆明、香港、天津等城市。
我国GPS综合服务系统的建设现已进入快速发展时期。
在测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业,在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域,我国做了大量的GPS研究工作。
在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究,研制开发了GPS静态定位和动态高精度定位软件以及精密定轨软件。
随着我国现代化的进程速度越来越快,对GPS的需求也越来越多,GPS也会发掘出巨大的功能潜力,使GPS具有更大、更广阔的发展空间。
1.2研究目的和意义
GPS定位技术从问世之初发展到目前,它已渗入工程测量、地籍测量、交通管理、导航、地理信息系统、海洋、气象和地球空间研究等许多领域。
差分GPS(DGPS)与相位差分GPS(RTK)技术,实现了高精度实时动态导航与定位,可以在一个瞬间获得厘米级精度的测站坐标。
GPS全站仪己经向传统的全站仪发起了挑战。
GPS定位技术日益广泛应用,使它成为测绘类专业生的一门必修课程。
GPSRTK技术作为测绘领域内的高科技技术,已经为测绘提供了有力的测量定位手段,特别是GPSRTK测量技术的发展和推广,使得GPS测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段,扩大了GPS测量的应用领域。
课题的目的探讨了GPS技术和GPSRTK技术的组成、应用及特点。
1.3研究内容
GPS测量方法,如静态、快速静态、动态测量、都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。
变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。
常规的监测技术是应用水准测量的方法,监测地基的沉降;
应用三角测量(或角度交会)的方法监测地基的位移和整体的倾斜,由于被监测物体通常都是几何尺寸巨大,监测环境复杂,监测技术要求较高,因此应用常规技术不仅观测时间长、劳动强度大,而且难以实现自动化监测。
而GPS定位技术由于定位精度高,不需要通视、可全天候工作等特点。
研究表明,利用GPS进行水平位移观测可获得小于士2mm精度的位移矢量,高程的测量也可获得不大于士10mm的精度。
因此,GPS在变形监测中越来越受到广泛的应用,尤其是大型工程:
一个有代表意义的范例是:
湖北省长阳土家族自治县境内的隔河岩大坝,坝顶弧线全长653m,最大坝151m,于1997年底至1998年初安装、调试并运行成功了GPS自动监测系统。
经实验及运行实践结果表明系统自动化程度高、数据可靠、监测精度高。
该系统设有两个基准点,采取了适当的提高精度的措施(系统设置、数据处理等)。
取得了监测点在在水平方向的精度为0.5至1.0mm,高程方向的精度为1.0至1.5mm的较为理想的成果。
这一监测工程的成功范例,标志着我国大型建筑物、构筑物高精度变形监测,采用GPS自动监测系统时代的开始。
此外,一种低费用,多天线的GPS变形监测系统正在研制,其宗旨是采用一个特制天线转制开关(GPS多天线转制开关)来实现多个GPS天线与一台接收机相连接,接收机按照预先设置的程序分时扫描每一台天线并实现GPS卫星的跟踪,通过数据处理软件(包括多天线识别与分离模块)来完成数据处理。
无疑,这种监测系统将大大降低检测的成本。
1.4GPS构成
GPS(GlobalPositioningSystem)是美国研制的导航、授时和定位系统。
它由三部分构成:
一是地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下向卫星注入导航电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面上;
三是用户装置部分,主要由GPS接受机和卫星天线组成。
用户只需购买GPS接受机,就可享受免费的导航,授时和定位服务。
(1)GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55°
,卫星平均高度为20×
200km,运行周期为11h58min。
卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。
在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15°
以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。
(2)GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。
主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
(3)GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。
GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)三维坐标。
1.5GPS测量的特点
相对于常规测量来说,GPS测量主要有以下特点:
①测量精度高。
GPS观测的精度明显高于一般常规测量,在小于50km的基线上,其相对定位精度可达1×
10-6,在大于1000km的基线上可达1×
10-8。
②测站间无需通视。
GPS测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便。
③观测时间短。
随着GPS测量技术的不断完善,软件的不断更新,在进行GPS测量时,静态相对定位每站仅需20min左右,动态相对定位仅需几秒钟。
④仪器操作简便。
目前GPS接收机自动化程度越来越高,操作智能化,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。
⑤全天候作业。
GPS卫星数目多,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响。
⑥提供三维坐标。
GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。
随着科学技术的进步和应用需求的增加,GPS已从当初的性能单一发展到今天的广泛应用。
GPS以其独特的、强大的功能,涉足于国民经济的各个领域。
尤其是近几年来向消费市场发展的势头很强,它已进入我们的日常工作、学习、生活和娱乐之中。
GPS已成功地应用于大地测量和城市控制网;
正在试验应用于民用飞机的航线导航和精确进场着陆;
应用于陆地车辆的智能交通指挥与管理;
应用于地球资源勘察大型工程项目设计测量与形变监测;
应用于航测与卫星遥感等。
GPS技术的高精度和自动化深刻地影响着地球动力学、大地测量学、天文学及其相关学科领域,它在这些基础学科的应用研究与开拓工作方面都取得了迅速的发展和卓越的成就,展示了GPS巨大的优势和潜力。
在21世纪GPS将继续成为军民两用的系统,既要更好地满足军事需要,也要扩展民用市场和应用的范围。
GPS技术在各方面的应用正在蓬勃发展,可以相信,它正在向军用、民用及其他各个领域不断渗透与应用,也必将朝者更宽广的范围和更深刻的层次迅速发展。
随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,从其发展趋势看,GPS卫星定位技术也更加深入和普及测绘领域,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
1.6GPS定位原理
GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。
如图3-1所示,在待测点Q设置GPS接收机,在某一时刻tk同时接收到3颗(或3颗以上)卫星S1、S2、S3所发出的信号。
通过数据处理和计算,可求得该时刻接收机天线中心(测站点)至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。
根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标(Xj,Yj,Zj),j=1,2,3,从而由下式解算出Q点的三维坐标(X,Y,Z):
ρ12=(X-X1)2+(Y–Y1)2+(Z–Z1)2
ρ22=(X–X2)2+(Y–Y2)2+(Z–Z2)2(3-1)
ρ32=(X–X3)2+(Y–Y3)2+(Z–Z3)2
图3-1GPS定位原理图
1.7GPS的应用
GPS定位系统的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。
GPS信号可以进行海、空和陆地的导航,导弹的制导,而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。
1.GPS在大地测量中的应用
对于测绘领域,GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数,也可用于改造和加强原有的国家大地控制网;
可用于建立陆地海洋大地测量的基准,进行海洋测绘和高精度的海岛陆地联测;
用于监测地球板块运动和地壳形变;
在建立城市测量和工程测量的平面控制网时GPS已成为主要方法;
GPS还可用于测定航空航天摄影的瞬间位置,实现仅有少量的地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。
2.在工程测量方面
应用GPS静态相对定位技术,布设精密工程控制网,用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、飞机场轴线定位、地铁精密导线测量、隧道贯通测量等精密工程。
3.在航空摄影测量方面
我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。
可以极大地减少地面控制点的数目,缩短成图周期,降低成本。
4.在其他领域中的应用
在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测;
在水下地形测量中应用GPS卫星定位技术,可以快速、高精度地测定测深仪的位置;
还有在公安、交通系统中给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力;
在农业领域中应用差分技术对土壤养分分布调查、监测作物产量、合理施肥、精确农业管理以及在林业管理和旅游中的应用。
今后,GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样,人们日常生活将离不开它。
第2章GPS测量的布网特色与布网方法
2.1GPS测量的布网特色
GPS测量是采用相对定位方法,即若干台接收机同时在相同的时间段内连续跟踪观测相同的卫星组。
我们把同步观测时间段称为时段;
同一时段内各GPS接收机组成的图形称为同步图形。
由同步图形不难推广到异步图形,即用不同时段的基线联合推算某一基线,将推算结果与直接解算结果比较便得异步图形坐标闭合差条件。
进行GPS测量时,由于各点之间无通视要求,也不强求站间距离,因而GPS布网设计具有灵活自由的优点,兼顾GPS同步观测这一特点,使得GPS布网设计具有以下技术特色:
1、GPS网的扩展和延伸是通过同步图形之间的连接进行的,当采用不同的连接方法时,网形结构随之会有不同的形状。
2、一个测区内网中个等级点可一并考虑进行统一设计,只不过不同等级点的观测时间长度,点与点之间的连接方法根据要求不同有所差异。
3、设计完成的GPS网中,应尽可能包括多种闭合条件,以保证有较高的内精度和可靠性。
某一同步图形观测完成后可立即进行基线解算,若解算结果不甚理想时,可随时灵活地更改布网方案,而并非一定拘泥于固定网形,从而可在人力、经费上有所节省。
2.2GPS布网方法
GPS网布设的总原则是:
着眼整个测区,固定全网结构;
用网环路和子环路构成封闭式的GPS网,及时评定GPS数据质量。
所谓网环路,就是一个能够覆盖整个测区的闭合环;
子环路则是一种分割网环路的区域性闭合环,GPS网布设的问题就是怎样将各同步图形有机地连接成一整体,构成一定数量的同步观测环和异步观测环,也可采用线路形式。
以较好地满足精度、可靠性、经费和后勤等限制条件。
GPS布网通常有三种基本方法:
点连式、边连式和网连式。
点连式:
就是相邻同步图形之间仅有一个公共点连接。
边连式:
就是相邻同步图形之间有两个公共点,即一条公共基线连接。
网连式:
就是相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接,这时相邻同步图形之间互相重叠一部分。
第3章GPS在工程测量中的应用
3.1建立工程控制网
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础,其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。
一般地,工程控制网覆盖面积小,点位密度大、精度要求高。
用常规的方法多采用边角网。
采用GPS定位的方法建立工程控制网,具有点位选择限制少,作业时间短,成果精度高,工程费用低等优点。
可应用于建立工程首级控制网,变形监测控制网,工矿施工控制网,工程勘探、施工控制网,隧道等地下工程控制网,等等。
应用GPS技术建立控制网,通常采用载波相位静态差分技术,以保证达到毫米级精度。
应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势,道路勘测、施工控制网,具有横向很窄、纵向很长的特点。
采用传统的三角锁、导线方案,多数需要分段实施,以避免误差积累过大,采用GPS技术,由于点与点之间不需要通视,可以敷设很长的GPS点构成的三角锁,以保持长距离线路坐标控制的一致性。
隧道、地铁等地下工程,一般采用对向施工,有时还需采用立井施工,以提高贯通速度。
为了保证贯通精度,必须建立地面精密控制网。
隧道纵向跨度大,其上方周围多为崇山峻岭,地铁上方,高楼大厦林立。
用GPS技术建立隧道、地铁工程控制网解决了这类工程的一大难题。
3.2RTK的碎部测量与放样
RTK(RealTimeKinematic)技术,即载波相位差分技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
RTK系统由两部分组成:
基准站(坐标已知)和移动站(用户接收)。
其本原理是:
将基准站采集的载波相位发送给用户,用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。
RTK技术可以应用于测绘地形图、地籍图,测绘房地产的界址点,平面位置的施工放样等。
采用RTK技术测图时仅需一人进行。
将GPS接收机放在待定的特征点上1.2s,同时输入该特征点的编码即可。
把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机,由专业成图软件、在人工适当的干预下,形成所要的成果图。
GPS-RTK用于碎部测量不需建立图根控制,大大提高了工作效率,RTK所采集的数据避免了人为误差,点位精度分布较均匀。
采用RIK技术进行放样,标定界标点,是坐标的直接标定,不像常规放样那样,需要后视方向、用解析法标定,因而简捷易行。
3.3区域差分网下的碎部测量与放样
区域性GPS差分系统下的碎部测量,放样,是基于区域GPS差分网进行的。
区域差与RTK单基点载波相位差分的原理相似,不同的是区域差分的基准站往往多于1个,多基准站组成基准网,基准网提供各个基准站的差分信息,用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权,按非等权平差后形成自己的差分改正数,实现差分定位。
3.4GPS变形监测
第4章GPS在工程测量中的应用实例
以高邮市马横线公路改造工程为例,加以介绍。
4.1测区基本概述
测区位于本市新横泾河南、北两侧,沿线河流、沟渠交错,树木、农作物较多,植被茂盛,通视条件较差,且交通不便。
根据交通设计部门的要求,首级控制及主控制应沿老公路及拟建道路的两侧布设。
为便于施工放样等工作,一般距道路(50-200)米之内。
道路全长共29公里,现有3个四等已知点,即马棚湾、张家汉和良种场,2个四等水准点,考虑GPS对高程的测定精度尚不能满足四等以上的技术要求,且需要6个已知水准点进行曲面拟合的条件,故高程控制我们采用了四等水准测量,沿线布设了两条四等水准附合路线。
4.2技术指标
(1)独立观测环或附合路线的边数N≤8(四等)。
(2)可靠性指标η≥30%
(3)平均重复设站率R>1.6
(4)同步观测时间不少于45min
(5)点位几何图形强度因子PDOP≤6
4.3平面控制网的布设
根据交通部门的要求,首级GPS控制网,布设等级为四等,很明显主控制二级导线沿老公路布设成附合导线最为经济合理。
四等GPS网的布设是平面控制成败的关键,为了确保GPS成果的精度和可靠性,有效地发现粗差,GPS网中的独立基线必须构成一定数量的独立环或附合路线,从而形成一些几何检核条件。
按照交通部《公路勘测规范》(JTJ061-99)的要求,二级导线总长限制在6公里以内(不大于20条边),则沿路布设的GPS点间距不能超过6公里,另考虑到加密控制测量,尽力减少精度损失,增加方位角闭合差的检核条件,我们将二级导线布设为有定向的附合导线形式。
由于受到二级导线平均边长,边数以及全站仪观测连接角通视条件的限制,故GPS一对点的边长及间距也不宜过长,综合上述因素,结合测区情况,我们在全线每约5公里左右设置一对相互通视的GPS点。
平面四等GPS控制网的布点方案,我们选择了沿线两侧交错布设的导线网形式。
4.4选点埋石
选点是平面控制的一个重要环节。
外业选点前,应
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