测绘工程毕业论文GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序.docx
- 文档编号:30399021
- 上传时间:2023-08-14
- 格式:DOCX
- 页数:50
- 大小:52.90KB
测绘工程毕业论文GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序.docx
《测绘工程毕业论文GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《测绘工程毕业论文GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序.docx(50页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
测绘工程毕业论文GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序
测绘工程毕业论文--GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用-视距测量程序
摘要
GPS即全球定位系统是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元的美国第二代卫星导航系统当前GPS技术已广泛应用于大地测量资源勘查地壳运动地籍测量等领域特别是在测量领域本文介绍了GPS的特点发展及应用GPS的组成及工作原理外业测量工作流程GPS基线解算的基本原理等根据GPS测量的技术特点论述了GPS在307国道实际测量工作中的应用
第二部分主要讲述了视距测量的原理然后根据视距测量的原理编写了用视距测量中的三种视距计算方法倾斜视距三角高差水平视距
关键词GPS307国道工程控制测量视距测量
Abstract
GPSisglobalpositioningsystemfromtheUnitedStatesinthe1970sstartedtodevelopwhichlasted20yearsthecostof20billionUSdollarsinthesecondgenerationofsatellitenavigationsystemsthecurrentGPStechnologyhasbeenwidelyusedingeodesyresourceexplorationcrustalmovementCadastralandotherfieldsparticularlyintheareasofmeasurementInthispapertheGPSfeatureofthedevelopmentandapplicationGPSandthecompositionofprinciplefieldmeasurementworkflowGPSbaselinesolutionsuchasthebasicprincipleGPSmeasurementsinaccordancewiththetechnicalcharacteristicsontheGPSin307countriestheactualmeasurementofwork
Thesecondpartmainlyontheprincipleofmeasuringtheline-of-sightandthenthe-horizonmeasuredinaccordancewiththeprinciplespreparedbythe-horizonmeasuredinthethree-horizoncalculatedasfollowstilt-horizonthe130heightdifferencelevel-horizon
KeywordsGPS307NationalRoadprojectcontrolmeasurementthe-horizonmeasurementmeasurement
第一篇GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用1
第一章绪论1
第一节GPS全球定位系统的概念1
一概念1
二GPS系统的特点1
第二节GPS定位技术的应用现状3
一GPS的应用按其使用领域简单介绍如下3
二我国的GPS定位技术应用情况4
三前景5
第二章GPS卫星全球定位系统6
第一节GPS卫星定位系统的组成6
一空间部分6
二GPS地面监控部分7
三用户部分8
第二节GPS卫星的导航定位信号10
一概述10
二GPS信号接收机的组成及原理11
第三节GPS卫星定位原理14
一概述14
二GPS几种定位方式16
第四节GPS导航定位误差18
一与GPS卫星有关的误差18
二与卫星信号传播有关的误差19
三接收设备有关的误差20
第三章GPS外业测量23
第一节影响GPS测量技术设计的因素23
第二节GPS网的布设23
一步网23
第三节GPS的坐标系统和时间系统24
一WGS-84大地坐标系24
二1954年北京坐标系25
三1980年国家大地坐标系25
四新1954年北京坐标系26
五GPS时间系统26
第四章工作流程27
第一节GPS控制网的内业设计27
一GPS控制网设计27
二影响GPS测量技术设计的因素29
三GPS控制网的图形设计29
四技术指标30
第二节GPS控制网的外业设计30
一选点要求30
二埋石31
三外业观测31
第三节GPS控制网的外业实施32
一仪器准备32
二接收机及附属设备的检验与维护34
三人员组织34
四仪器安装34
五野外观测34
第四节数据传输与数据处理35
一数据传输35
二数据处理37
第五章GPS基线解算的基本原理40
第一节基线解算原理40
一基线解算40
二GPS基线解算的分类42
三GPS基线解算的过程43
第二节GPS测量数据的预处理44
第三节GPS基线解算的质量监控45
第四节影响GPS基线解算结果的因素48
一影响GPS基线解算结果的因素的判别48
二GPS基线解算精化处理技术49
三利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素49
第六章实例51
阳泉市307国道复线坡头至水峪项目51
一项目概述51
二项目内业设计51
三.项目外业设计52
四数据处理及精度分析53
五技术总结与成果资料提交53
小结55
第二篇视距测量程序56
第一章视距测量原理与计算56
第一节视距测量原理56
一原理56
二视距测量的观测与计算56
三视距测量特点56
第二节程序界面及代码57
外文资料64
Theodolites164
SurveyingInstruments68
参考文献80
致谢81
第一篇GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用
第一章绪论
第一节GPS全球定位系统的概念
一概念
GPS即全球定位系统GlobalPositioningSystem是美国第二代卫星导航系统是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的它采纳了子午仪系统的成功经验于1994年全面建成具有在海陆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和子午仪系统一样全球定位系统由空间部分地面监控部分和用户接收机三大部分组成
按目前的方案全球定位系统的空间部分使用24颗高度约202万千米的卫星组成卫星星座213颗卫星均为近圆形轨道运行周期约为11小时58分分布在六个轨道面上每轨道面四颗轨道倾角为55度卫星的分布使得在全球的任何地方任何时间都可观测到四颗以上的卫星并能保持良好定位解算精度的几何图形这就提供了在时间上连续的全球导航能力其应用技术已遍及国民经济的各个领域特别是在测量领域我以山西省重点工程2006年开工建设的阳泉市307国道复线坡头至水峪项目为例概略叙述GPS在307国道建设及在公路工程控制测量中的应用
二GPS系统的特点
GPS系统的特点高精度全天候高效率多功能操作简便应用广泛等
1定位精度高
应用实践已经证明GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6100-500KM可达10-71000KM可达10-9在300-1500M-工程精密定位中1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较其边长较差最大为05mm校差中误差为03mm
2观测时间短
随着GPS系统的不断完善软件的不断更新目前20KM以内相对静态定位仅需15-20分钟快速静态相对定位测量时当每个流动站与基准站相距在15KM以内时流动站观测时间只需1-2分钟然后可随时定位每站观测只需几秒钟
3测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视只需测站上空开阔即可因此可节省大量的造标费用由于无需点间通视点位位置可根据需要可稀可密使选点工作甚为灵活也可省去经典大地网中的传算点过渡点的测量工作
4可提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测GPS可同时精确测定测站点的三维坐标目前GPS水准可满足四等水准测量的精度
5操作简便
随着GPS接收机不断改进自动化程度越来越高有的已达傻瓜化的程度接收机的体积越来越小重量越来越轻极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度使野外工作变得轻松愉快
6全天候作业
目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行不受阴天黑夜起雾刮风下雨下雪等气候的影响
7功能多应用广
GPS系统不仅可用于测量导航还可用于测速测时测速的精度可达01MS测时的精度可达几十毫微秒其应用领域不断扩大当初设计GPS系统的主要目的是用于导航收集情报等军事目的但是后来的应用开发表明GPS系统不仅能够达到上述目的而且用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因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景
第二节GPS定位技术的应用现状
如人们所说"GPS的应用仅受人们的想象力制约"GPS问世以来已充分显示了其在导航定位领域的霸主地位许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化目前几乎全世界所有需要导航定位的用户都被GPS的高精度全天候全球覆盖方便灵活和优质价廉所吸引GPS应用于测量GPS技术给测绘界带来了一场革命利用载波相位差分技术RTK在实时处理两个观测站的载波相位的基础上可以达到厘米级的精度与传统的手工测量手段相比GPS技术有着巨大的优势测量精度高操作简便仪器体积小便于携带全天候操作观测点之间无须通视测量结果统一在WGS84坐标下信息自动接收存储减少繁琐的中间处理环节当前GPS技术已广泛应用于大地测量资源勘查地壳运动地籍测量等领域2GPS应用于交通出租车租车服务物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪调度管理合理分布车辆以最快的速度响应用户的乘车送请求降低能源消耗节省运行成本GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色在城市中建立数字化交通电台实时发播城市交通信息车载设备通过GPS进行精确定位结合电子地图以及实时的交通状况自动匹配最优路径并实行车辆的自主导航民航运输通过GPS接收设备使驾驶员着陆时能准确对准跑道同时还能使飞机紧凑排列提高机场利用率引导飞机安全进离场3GPS应用于救援利用GPS定位技术可对火警救护警察进行应急调遣提高紧急事件处理部门对火灾犯罪现场交通事故交通堵塞等紧急事件的响应效率特种车辆如运钞车等可对突发事件进行报警定位将损失降到最低有了GPS的帮助救援人员就可在人迹罕至条件恶劣的大海山野沙漠对失踪人员实施有效的搜索拯救装有GPS装置的渔船在发生险情时可及时定位报警使之能更快更即使地获得救援4GPS应用于农业当前发达国家已开始把GPS技术引入农业生产即所谓的"精准农业耕作"该方法利用GPS进行农田信息定位获取包括产量监测土样采集等计算机系统通过对数据的分析处理决策出农田地块的管理措施把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中从而精确地给农田地块施肥喷药通过实施精准耕作可在尽量不减产的情况下降低农业生产成本有效避免资源浪费降低因施肥除虫对环境造成的污染5GPS应用于娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低GPS逐渐走进了人们的日常生活成为人们旅游探险的好帮手通过GPS人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地并且可以最优的路径行驶野营者携带GPS接收机可快捷地找到合适的野营地点不必担心迷路甚至一些高档的电子游戏也使用了GPS仿真技术
第二章GPS卫星全球定位系统
第一节GPS卫星定位系统的组成
GPS全球定位系统由以下三个部分组成空间部分GPS卫星地面监控部分和用户部分
一空间部分
1GPS卫星
GPS卫星的主体呈圆柱形两侧有太阳能帆板能自动对日定向太阳能电池为卫星提供工作用电每颗卫星配备有4台原子钟可为卫星提供高精度的时间标准卫星上带有燃料和喷管可在地面控制下调整自己的运行轨道GPS卫星的基本功能是接收并存储来自地面控制系统的导航电文在原子钟的控制下自动生成测距码CA码和Y码和载波采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户按照地面控制系统的命令调整轨道调整卫星钟修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作
2卫星星座
发射入轨能正常工作的GPS卫星集合城GPS卫星星座最初的GPS卫星星座由24颗GPS卫星组成这些卫星分布在三个倾角为63°几乎为圆形的轨道上相邻轨道的升交点赤经之差为120°每个轨道上将均匀地分布5颗卫星轨道的长半径为26560km卫星的运行周期为12h恒星时后因美国财政赤子过大而做了较大的变动GPS卫星总数削减为18颗轨道倾角改为60°轨道增至6个每个轨道上均匀分布3颗卫星相邻轨道的升交点赤经之差为60°其余参数保持不变这种情况的出现将大大损害整个系统的性能和可靠性影响全球定位系统在民航等领域内应用的可靠性为解决上述问题经反复研究和修改后最终又将卫星总数恢复为24颗这24颗卫星分布宰个轨道面上每个轨道均匀地分布4颗卫星见图2-1当截止高度角取15°时上述卫星星座能保证位于任一地点的用户在任一时刻同时观测到4-8颗卫星当截止高度角取10°时最多能同时观测到10颗GPS卫星当截止高度角取5°时最多能同时观测到12棵GPS卫星2000年底GPS卫星星座由23颗BlockII卫星和BlockIIA卫星以及5颗BlockIIR卫星组成在一般情况下用户能同时观测到6-8棵卫星
图2-1GPS卫星轨道图
二GPS地面监控部分
支持整个系统正常运行的地面设施称为地面监控部分它由一个主控站三个注入站和五个监控站主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集计算传输诊断等设备它的主要功能是收集各监测站测得的距离和距离差气象要素卫星时钟和工作状况的数据监测站自身的状态数据等根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历时钟改正状态数据以及信号的大气传播改正并按一定格式编制成导航电文传送到注入站监控整个地面监控系统是否工作正常检验注入卫星的导航电文是否正确监测卫星是否将导航电文发出调度备用卫星替代失效的工作卫星将偏离轨道的卫星拉回到正常轨道位置监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差采集气象要素等数据并将它们发送给主控站监控
图2-3GPS组成部分示意图
第二节GPS卫星的导航定位信号
一概述
GPS卫星发射的信号由载波测距码和导航电文组成
1载波
可运载调制信号的高频振荡波称为载波GPS卫星所用的载波有两个由于它们均位于载波L波段故分别称为L1载波和L2载波其中L1载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频154倍后形成的L2载波是由基准频率f0倍频120倍后形成的采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟在全球定位系统中载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些有用意信息外在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用其测距精度比伪距测量的精度高2-3个数量级因此载波相位测量在高精度定位中得到广泛的应用
2测距码
测距码是用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的M序列经平移截短求模二和等一系列复杂处理后形成的根据性质和用途的不同测距码可分为粗码CA码和精码P码或Y码两类各卫星所用的测距码互不相同且相互正交CA码是一种结构公开的明码供全世界所有的用户免费使用目前A码只调制在L1载波上故无法精确地消除电离层延迟Y码的结构是完全保密的只有美国及其盟国的军方用户以及少数经美国政府授权的用户才能使用P码由于P码的码元宽度仅为CA码的110而且该测距码又同时调制在L1和L2两个载波上可较完善地消除电离层延迟故用它来测距可获得较精确的结果
3导航电文
导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间位置卫星的工作状态卫星钟的修正参数电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码也称数据码D码它是用户利用GPS进行导航定位时一组不可少的数据
二GPS信号接收机的组成及原理
1天线单元
它由接收天线和前置放大器两个部件组成它的作用是将到达GPS信号接收天线的功率约为-160dBW的GPS电磁波变换成微波电信号并将如此微弱的GPS电信号予以放大为便于接收机对信号进行跟踪处理和量测对天线部分有以下要求
天线与前置放大器应密封一体以保障其正常工作减少信号损失
能够接收来自任何方向的卫星信号不产生死角
有防护与屏蔽多路径效应的措施
天线的相位中心保持高度的稳定并与其几何中心尽量一致
下图2-5是GPS接收机原理图
图2-5GPS接收机原理图
GPS接收机的天线类型如下图2-6
图2-6GPS接收机的天线类型
2接收机主机
1变频器及中频放大器
经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱为了使接收机通道得到稳定的高增益并且使L频段的射频信号变成低频信号必须采用变频器
2信号通道
信号通道是接收机的核心部分GPS信号通道是硬软件结合的电路GPS信号通道的作用有三一是搜索卫星牵引并跟踪卫星二是对广播电文数据信号实行解扩解调出广播电文三是进行伪距测量载波相位测量及多普勒频移测量
3存储器
接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历卫星历书接收机采集到的码相位伪距观测值载波相位观测值及多普勒频移目前GPS接收机都装有半导体存储器接收机内存数据可以通过数据口传到微机上以便进行数据处理和数据保存在存储器内还装有多种工作软件如测试软件卫星预报软件导航电文解码软件GPS单点定位软件
微处理器
微处理器是GPS接收机工作的灵魂GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的其主要工作步骤为
接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检并测定校正存储各通道的时延值
接收机对卫星进行搜索捕捉卫星当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪并将基准信号译码得到GPS卫星星历当同时锁定4颗卫星时将CA码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标并按预置位置更新率计算新的位置
根据机内存储的卫星历书和测站近似位置计算所有在轨卫星升降时间方位和高度角
根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距航偏角航行速度等
接收用户输入信号
显示器
GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息并配有一个控制键盘用户可通过键盘控制接收机工作对于导航接收机有的还配有大显示屏在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图
电源
GPS接收机电源有两种一种为内电源一般采用锂电池主要用于RAM存储器供电以防止数据丢失另一种为外接电源这种电源常用于可充电的12V直流镉镍电池组或采用汽车电瓶当用交流电时要经过稳压电源或专用电源交换器
第三节GPS卫星定位原理
一概述
测量学中有测距交会确定点位的方法与其相似无线电导航定位系统卫星激光测距定位系统其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位
就无线电导航定位来说设想在地面上有三个无线电信号发射台其坐标为已知用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1d2d3只需以三个发射台为球心以d1d2d3为半径作三个定位球面即可交会出用户接收机的空间位置如果只有两个无线电发射台则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机轮船的一种导航定位方法
近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法虽然用于激光测距的卫星表面上安装有激光反射棱镜是在不停的运动中但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离d1d2d3应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置如此可以确定三颗以上卫星的空间位置如果在第四个地面点上坐标未知也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置
将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上组成一颗卫星定位导航系统应用无线点测距交会的原理便可由三个以上地面已知点控制点交会出卫星的位置反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点用户接收机的位置这便是GPS卫星定位的基本原理
GPS卫星发射测距信号和导航电文导航电文中含有卫星的位置信息用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号测量出测站点接收机天线中心P至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标据此利用距离交会法解算出测站P的位置如下图2-7在需要的位置P点架设GPS接收机在某一时刻同时接收了3颗ABC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点的三维坐标XpYpZp其数学式为
图2-7GPS卫星定位示意图
式中分别为卫星ABC在时刻的空间直角坐标在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
在GPS定位中GPS卫星是高速运动的卫星其坐标值随时间在快速变化着需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值并进行测站点的定位依据测距的原理其定位原理与计算方法主要有伪距法定位载波相位测量定位以及差分GPS定位等对于待定点来说根据运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位静态定位指的是对于固定不动的待定点将GPS接收机置于其上观测数分钟乃至更长的时间以确定该点的三维坐标又叫绝对定位若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上则通过一定时间的观测可以确定两个待定点间的相对位置又叫相对定位而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态测定的是各观测时刻观测历元运动中的接收机的点位绝对点位或相对点位
利用接收到的卫星信号测距码或载波相位均可进行静态定位实际应用中为了减弱卫星的轨道误差卫星钟差接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响常采用载波相位观测值的各种线形组合即差分值作为观测值获得两点之间高精度的GPS基线向量即坐标差
二GPS几种定位方式
1伪距测量定位
伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得到的量测距离由于卫星钟接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟实际测出的距离ρ与卫星到接收机的几何距离ρ有一定的差值因此一般称量出的距离为伪距用CA码进行测量的伪距为CA码伪距用P码测出的伪距为P码伪距伪距法定位虽然一次定位精度不高P码定位误差约为10mCA码定位误差为2030m但因其具有定位速度快且无多值性问题等优点仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法同时所测伪距又可作为载波相位测量中解决整周数不确定问
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 测绘 工程 毕业论文 GPS 定位 系统 公路工程 控制 测量 中的 应用 视距 程序
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)