GPS在公路控制测量中的应用毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
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3.附件包括:
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4.文字、图表要求:
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图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
1绪论
GPS(全球卫星定位系统)是随着现代科学的发展而新兴起来的一种先进的导航,定位技术,具有传统测量所不具有的优点,随着社会的发展,GPS技术在工程测量中的地位日益重要。
在公路的控制测量当中,随着经济的快速发展,公路作为重要的现代交通基础设施,其道路工程建设的等级也不断的提高,从而对测量工作提出了更高的要求,传统的测量技术很难满足道路工程优质,准确,快速的要求,而GPS技术的出现,为公路测量展示了良好的应用前景[2]。
目前GPS在公路控制测量中的应用主要是建立公路工程控制网,控制网包括平面控制网和高程控制网。
平面控制网是公路平面控制测量的主干控制网,沿线各种工程的平面控制均应联系在该主干控制网上。
建立平面控制网的主要工作就是建立首级平面控制网并根据《公路勘测规范》规定以及现场勘测条件对其进行加密。
高程控制网即是因为GPS定位系统得到的控制点坐标为三维坐标,其中就包含WGS-84坐标系统下的大地高,通过高程拟合分析,在联测点的大地高和水准高程己知的情况下,可以计算出高程异常拟合参数,进而计算待测点的水准高程[6]。
本文首先对GPS系统和定位原理加以介绍,然后讨论了长度变形问题,主要研究了应用GPS建立公路平面控制网和高程控制网的方法和技术流程,最后通过工程实例加以说明。
2GPS定位原理与误差源分析
2.1GPS定位原理
2.1.1基本定位原理
GPS定位的基本原理,就是把卫星视为“飞行”的控制点,在已知其瞬时坐标(可根据卫星轨道参数计算)的条件下,以GPS卫星和用户接收天线之间的距离为基本观测量,进行空间距离后方交会,从而确定接收机天线处的位置[1]。
在一个测站上只需3个独立距离观测量。
GPS采用的是时差测距原理,即通过测量GPS信号从卫星传播到用户接收机的时间差计算距离,由于卫星钟与用户接收机钟不同步,因此,观测的测站至卫星间的距离称为伪距。
卫星钟差可以通过卫星导航电文提供的钟差参数修正,接收机钟差难以预先准确确定,可将其作为未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。
在一个测站上,除了三个待定位置参数外,还需要增加一个接收机钟差参数,因而至少应有4个同步伪距观测量,即至少必须同步观测4颗GPS卫星。
图1-2GPS定位原理示意图
Fig.1-2TheschematicdiagramofGPSpositioningprinciple
设在某时刻接收机观测了n(n>
3)颗GPS卫星,测得n个伪距
。
对某一伪距有:
(1-1)
式中:
为卫星到接收机间的几何距离;
、
分别为卫星钟差和接收机钟差改正数,
为电离层延迟改正和对流层延迟改正,
为观测误差。
几何距离
与卫星坐标
、接收机坐标(X,Y,Z)之间有下列关系:
(1-2)
卫星坐标和卫星钟差可以根据卫星导航电文求得,上式中只包含四个未知数。
若用户同时对四颗卫星进行了伪距测量,即可解出接收机位置(X,Y,Z)和接收机钟差VTb。
其常用的解算方法如下:
设:
R为地心至用户距离的矢量,
为地心至第
颗卫星的距离矢量;
为用户至第
颗卫星的距离矢量,
为单位矢量。
于是有:
而
,令
是加上电离层折射改正和对流层改正后测站至第
个卫星的距离。
令
;
则:
(1-3)
其矩阵形式为:
和
称为几何矩阵,与用户和卫星间的集合图形有关。
(1-4)
依据最小二乘法,用户状态矩阵
为:
(1-5)
2.1.2绝对定位与相对定位概念
按照参考点的位置不同,分为绝对定位和相对定位两类。
其中绝对定位也称为单点定位,是指的独立确定待定点在坐标系中的位置。
由于目前GPS系统采用WGS-84系统,因而其绝对定位的结果也属于该系统。
绝对定位的优点在于一台接收机即可独立定位,但定位精度较差。
而根据接收机天线的运动状态不同,又可分为动态绝对定位与静态绝对定位。
当接收机天线处于运动的状态时,确定其瞬时的绝对位置的定位方法称为动态绝对定位,由于接收机载体的运动状态,故而得到的接收机天线的坐标是一个连续变化的量,因此,确定每一瞬间天线坐标的观测方程只有极少甚至没有多余观测。
因此定位精度较低,往往只有几十米的精度。
而静态绝对定位是指在接收机天线处于静止的条件下,确定测站的三维地心坐标。
它可以连续地测定观测站至卫星的伪距,可获得充分的多余观测量,通过后处理可以提高定位的精度。
静态绝对定位和动态绝对定位统称为伪距法定位[7]。
GPS的相对定位是指的在确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法,它采用载波相位观测量为基本观测量,由于载波波长较短,其测量精度远高于伪距测量精度,并且可以有效地削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机钟不同步误差对定位的影响,定位精度较高。
其应用时需要用两台接收机分别安置在基线的两个端点,其位置静止不动,同步观测相同的4颗以上的GPS卫星,确定基线两端点在地心地固坐标系中的相对位置。
并且由于天线长时间固定在基线两端点上,可保证足够的观测数据,可以准确确定整周未知数。
一般采用广播星历定位,相对定位精度可达到10-6
10-7,采用精密星历,相对定位精度可提高到10-8~10-9。
2.1.3差分定位与实时动态定位概念
差分定位是提高定位精度的一种有效途径。
实际上是用两台GPS接收机,将一台接收机安置在基准站上进行观测,根据已知基准站的精密坐标和卫星的导航电文,计算出基准站到卫星的观测值的各项改正数,并由基准站通过数据通讯链实时的将这些改正数发送出去。
另一台接收机安置在待定点上,在进行观测的同时也接收基准站发送来的改正数,并对观测值进行改正,消除具有相关性的误差,从而提高定位精度。
GPS差分定位的具体工作原理相同,而根据GPS基准站发送的信息具体的分为三类。
位置差分、伪距差分和相位差分。
而由于类差分方式由于发送的改正数内容不同,精度也不同。
位置差分:
是指的在安置在已知点上的基准站接收机观测4颗以上的卫星后,解算出来的基准站的坐标与已知点相比较,由于星历误差,卫星钟误差,大气影响,多路径效应以及其他误差,解算出的坐标与已知坐标肯定会存在差异,通过基准站接收机利用数据链的形式将位置差形成的改正数发送出去。
用户接收机与基准站接收机观测相同的四颗卫星,解算出用户坐标,然后用户接收机接收数据链并对其解算的用户坐标进行改正,这样一来,待定点最后得到的改正后的坐标己消去了基准站和用户站的共同误差。
位置差分只能减弱与基准站和待定站相关性强的误差,因而待定点与基准站间的距离在30km以内。
伪距差分:
是一种应用比较广泛的技术。
原理与位置差分相同。
由在已知点上的基准站接收机观伪距,然后与利用已知点坐标计算出伪距进行比较,计算出伪距误差,然后将所有卫星的伪距误差传输给用户,用户利用此伪距误差来改正所观测的伪距,并利用改正后的伪距来解出本身的位置。
同样可以消除或减弱公共误差,提高定位精度。
伪距差分的定位精度随着定点到基准站的距离而衰减。
载波相位差分:
载波相位技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的,它能实时提供流动站的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
基准站通过数据通讯链实时将其载波观测量以及基准站坐标等信息一同传送给流动站,流动站接收GPS卫星的载波相位和来自基准站的载波相位观测量等信息,并组成相位差分观测值进行实时处理,实时求的流动站的三维坐标[3]。
实现载波相位差分的方法有两种:
修正法和差分法。
前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给流动站,以改正其载波相位的观测值,然后求解坐标。
后者将基准站观测的载波相位发送给流动站进行求差解算坐标。
前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。
2.2GPS主要误差来源
2.2.1与卫星有关的误差
卫星钟误差:
卫星上虽然使用了高精度的原子钟,但它们仍然不可避免的存在着误差。
这种误差既括着系统性的误差,如钟差,频偏,频漂等产生的误差,也包含着随机误差,系统误差远比随机误差大,但前者可以通过模型进行改正[7]。
但是GPS测量都是以精密测时为依据,卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。
卫星钟偏差总量达lms,产生的等效距离误差可达300km,GPS定位系统通过地面监控站对卫星的监测,测试卫星钟的偏差。
用二项式模拟卫星钟的变化只能保证卫星钟与标准GPS时间同步在20ns之间。
由此引起的等效偏差不会超过6m。
要向进一步削弱剩余的卫星钟残差,可以通过对观测量的差分技术来进行处理。
卫星星历误差:
由广播星历或其他轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。
由于卫星在空中运行受到多种摄动力影响,地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力,使得测定的这些卫星轨道会有偏差;
由地面注入站给卫星的广播星历和由卫星向地面发送的广播星历,都是由地面监测的卫星轨道外推计算出来的。
使得由广播星历提供的卫星位置与卫星实际位置之间有差值。
在一个时间段内,其主要呈现系统误差的特性。
广播星历的精度大约为25m,广播星历的相对定位影响为1×
10-6,则对于长基线,广播星历将是影响其定位精度的重要原因。
因此,对于基线不很长,采用同步观测求差,就可减弱卫星轨道误差的影响。
但是对于长基线、高精度相对定位,广播星历精度就不够了,需要用精密星历。
解决星历误差的方法主要有:
建立自己的卫星跟踪网独立定轨;
轨道松弛法;
相对定位法[9]。
2.2.2与卫星信号传播有关的误差
电离层折射及影响:
电离层是高度位于50~1000km之间的大气层。
由于太阳的强烈辐射,电离层中的部分气体分子将被电离成大量的自由电子和正离子。
当电磁波信号穿过电离层时,信号的路径会产生弯曲,(但对测区产生的影响很微小,一般可不予考虑),传播速度会发生变化。
所以用信号的传播时间乘以真空中的光速得到的距离就不会等于卫星至接收机之间的几何距离。
对于GPS信号来讲,这种距离差在太阳黑子活动高峰年11月份的白天最大可达到50m,在接近地平方向时,可达到150m。
而电离层延迟的影响可通过以下几种途径解决:
利用电离层模型加以改正;
相对定位法。
对流层影响:
对流层是高度为40km以下的大气层,大气密度大,成分复杂,大气的状况随着地面的气候变化而变化。
这就使得对流层比电离层更为复杂。
电磁波通过对流层时传播速度将发生变化,路径也将产生弯曲(只有在高度角很小的时候才会表现出来,一般不予考虑)。
天顶方向的对流层延迟数约为2.3m。
天顶距z=80°
时,对流层延迟将增加至约为13m。
减少对流层折射对电磁波延迟影响的方法有:
模型改正:
当基线较短时,利用基线两端同步观测求差[6]。
多路径效应:
在GPS测量中被测站附近的反射物所反射的卫星信号如果进入接收机天线的话,就将和直接来自卫星的信号产生干涉,从而是观测值偏离真值,产生多路径误差。
多路径误差将严重损害GPS测量的精度,严重时还将引起信号的失锁,是GPS测量中重要的误差源。
为减少多路径效应的影响,安置天线时,尽量避开强反射物。
另外还可选用防多路径效应的天线来减弱多路径效应的影响。
2.2.3与接收机有关的误差
观测误差:
观测误差与仪器硬件和软件对卫星信号观测能达到的分辨率有关,一般认为,观测的分辨率误差为信号波长的1%,各种不同观测误差如表2-1
表2-1观测误差表
Table2-1observationerrortable
信号
波长λ
观测误差
C/A码
P码
293m
2.9m
29.3m
0.3m
载波L1
19.05cm
2.0mm
载波L2
24.45cm
2.5mm
观测误差还与天线的安置精度有关,即天线的对中误差、天线的整平误差以及量取天线高的误差。
接收机钟差:
GPS接收机一般采用高精度的石英钟,其稳定度约为10-9。
若接收机与卫星钟间的同步差为1μs,则引起的等效距离误差约为300米。
减弱接收机钟差的方法有以下几种:
把每个观测时刻的接收机钟差当做一个独立的未知数
在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。
认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的,建立起一个钟误差模型,例如采用一个时间多项式。
这种方法可以大大减少未知数的个数。
载波相位观测的整周未知数:
波相位观测法,是当前普遍采用的最精密的观测方法,它可精确的测定卫星至测站之间的距离。
但是由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分,和从某一起历元至观测历元件载波相位变化的整周数,而无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播路径上变化的整周数。
因而在相位伪距观测中,存在整周未知数的影响。
另外,载波相位观测,除了上述整周未知数问题外,在观测过程中,还可能发生整周跳变问题。
当用户接收机受到信号并实时跟踪(锁定)后,载波信号的整周数便可由接收机自动地计数。
但是在中途,如果卫星信号被阻挡或受到干扰,则接收机的跟踪可能中断(失锁)。
而当卫星信号重新被锁定后,被测载波相位的小数部分,将仍和未发生中断前的情形一样,是连续的,可这时整周数却不再是连续的。
这种情况称为整周变跳或周跳。
天线相位中心的位置偏差:
在GPS测量中,其伪距和相位观测量都是测量卫星到接收机天线相位中心间的距离。
而天线对中都是以天线几何中心为准。
所以,要求天线相位中心应与天线的几何中心保持一致。
但是,天线相位中心的瞬时位置会随信号输入的强度和方向不同发生变化,所以观测时,相位中心的瞬时位置与理论上的相应的相位中心不一致。
天线相位中心与几何中心的差称为天线相位中心偏差。
天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响,根据天线性能的好坏,可达数毫米甚至数厘米。
所以对精密相对定位而言,这种影响是不容忽视的。
为削弱天线相位中心的影响,在实际测量时,要求天线严格对中、整平,同时还要将天线盘上方向指北(偏差在3~5°
之内)。
3公路测量中的长度变形和抵偿坐标系
3.1公路测量的特点与存在的问题
公路的最大特点是呈带状延伸,其纵向长度从数十公里到数千公里不等,公路控制网经常采用附和导线的形式,与平面控制测量所不同的是公路控制网大多以狭长形式布设,并且控制点比较分散。
所以公路工程与其它工程相比有其线路长、测区狭窄的特点。
因此,选定中央子午线进行高斯投影计算时,由于沿线各点与中央子午线距离不同,引起投影变形误差也不相同。
对于经线跨度较大的公路控制网而言,线路总长可达几十甚至几百公里,工程各部分的投影变形分布不均匀,必须对高斯投影变形所引起的控制网误差进行分析,并找出解决的办法,使公路勘测控制网各部分的点位精度满足公路勘测与施工的要求。
《公路全球定位系统测量规范》中规定,GPS的WGS-84坐标系统转换到所选的国家或地方坐标系统时,应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km(相对变形为1:
40000)。
也即当测区偏离中央子午线大于45km时,必须考虑长度投影变形的影响。
因此在GPS数据处理时,为使后续使用方便必须设法消去高斯投影变形对最后坐标成果的影响。
其解决方法即是将地面观测值加以改正,地面上的观测值换算到椭球参考面上,由于地面观测值与椭球面基准不同,即进行地面换算至参考椭球面和椭球面投影到高斯平面两部分改正。
3.2地面换算至参考椭球面
图3-1地面与椭球面坐标关系图
Fig.3-1groundandellipsoidcoordinaterelationshipchart
如图3-1中地面观测目标点A和B的大地高分别为
,GPS定位系统观测基线距离为D(两点的斜距),
为AB方向法线曲率半径,计算目标点在椭球面上沿法线方向的投影点a和b之间的椭球长度
:
=D-
-
+
(3-1)
上式中
项是由于目标点之间存在大地高差所引起的倾斜改正项,经过此项改正后,斜距D变为平距
式中
项是由于测区平均大地高程与大地水准面之间的高差所引起的长度改正项,平距
变为弦长
项是椭球面上的弦长换算为弧长的改正项。
实际应用中,观测大地线的长度与椭球半径相比.数值较小,因此,一般忽略弦长改正项
3.3椭球面投影到高斯平面
通过高斯平面投影原理可知,椭球面上大地线经高斯平面投影后,除中央子午线的长度保持不变,其余都存在变形(距中央子午线愈远,变形愈大),而且投影后曲线长度都比原大地线长;
又因为投影的曲线长与其弦长相差很小,所以平面距离总是大于椭球面上大地线的长度,因此,距离改正数为正数。
一般来说,根据不同精度要求的工程测量,将椭球面上大地线长度
经过高斯改正投影到高斯平面上,改变为平面长度d的转换关系如下:
(3-2)
式中R为测区中点的平均曲率半径;
为三角网边长两端点的横坐标平均值。
上式对于一等边长的归算完全可满足要求,对二等边长归算可略去
项,对于三四等边长的归算又可略去
项。
3.4长度
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