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GPS在控制测量中的应用
长江工程职业技术学院毕业设计
GPS在控制测量中的应用
学生姓名***
系(部)勘测工程系
专业工程测量
指导教师***
2013年5月1日
摘要
GPS是全球定位系统,是随着现在科学技术的迅速发展而建立的起来的新一代精密卫星导航定位系统GPS定位技术。
由于GPS在具有定位精度高、观测时间短、观测站间不需要通视、能提供全球统一的地心坐标等特点被广泛的运用于大地控制测量中。
我主要讨论的是GPS定位系统的组成、GPS定位原理、GPS控制测量网的技术设计和外业观测及GPS数据的处理。
GPS在控制测量中的运用主要涉及到GPS定位系统的定位原理、运用GPS建立测量控制网的原理、运用GPS建立测量控制网的方法技术。
讲述GPS控制网的技术设计、换侧方案设计、外野数据采集、GPS数据处理等要点的方法。
控制测量是研究精确测定和描绘地面控制点空间位置及其变化的学科。
它是在大地测量学基本理论基础上以工程建设测量为主要服务对象而发展和形成的为人类社会活动提供有用的空间信息。
因此从本质上说它是地球工程信息学科是地球科学和测绘学中的一个重要分支是工程建设测量中的基础学科也是应用学科。
在测量工程专业人才培养中占有重要的地位。
关键词:
GPS全球定位系统GPS定位原理GPS控制测量网
GPS数据的处理GPS在控制测量中应用
控制测量技术国家控制网控制测量概算
目录
前言·······················································································································1
第一章绪论··········································································································2
第一节、GPS系统的特点····················································································2
第二节、我国的北斗星系统……………………………………………··……………………3
第三节、我国的GPS大地控制网·········································································3
第四节、控制测量的基本任务和主要内容·····························································5
4、1控制测量的基本任务和作用·········································································5
4、2控制测量的主要研究内容………………………………………………………………5
第二章GPS的组成及原理··················································································6
第一节、GPS的组成························································································6
第二节、GPS卫星运动····················································································7
第三节、GPS定位原理及分类··········································································8
第四节、GPS测量方式的分类·········································································10
第五节、GPSGPS定位的误差来源分析··························································13
第三章GPS静态数据分析················································································15
第一节、基线解算的类型·················································································15
第二节、基线解算结果的质量评定指标·····························································17
第三节、影响基线解算结果质量的几个主要因素及应对方法·································19
第四章GPS数据处理······················································································20
第一节基线解算·····························································································20
第二节基线解算的分类····················································································21
第五章控制测量·······························································································22
第一节控制测量的基本测量技术和方法··························································22
第二节已有控制成果的分析和利用································································27
第六章GPS(RTK)在控制测量中的应用······················································31
参考文献··············································································································34
致谢·····················································································································35
附录·····················································································································36
前言
自20世纪70年代以来,以美国全球定位系统(GPS)为代表的全球导航定位系统(GNPSS,一起全球性、全天候、高精度、高效益的特点已成功地应用与气象、遥感、通信、高行、地球科学、地球动力学、天文学、大地测量、工程测量、环境监测以及军事科学诸多领域,广泛地影响着21世纪人类生活的各个方面。
特别是网络RTK的发展,似的GPS的应用满足了高速度且高精度的要求。
GPS控制测量,按其工作性质可分为外业和内业两大部分,外业工作主要包括:
选点、建立测站标志、埋石、野外观测作业以及成果质量检核等;内业工作主要包括:
技术设计、测后数据处理以及技术总结等。
按照GPS测量实施的工作程序,大体分为几个阶段:
GPS控制网的优化设计,选点与埋石,外业观测,成果检核,数据处理,编制报告。
GPS测量是一项技术复杂、要求严格的工作,实施的原则是,在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下,尽可能地减少经费、时间和人力的消耗。
因此,对其各阶段的工作,都要精心设计、组织和实施。
工程控制测量为工业建设测量而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称。
它是工程建设中各项测量工作的基础。
在工程规划设计阶段,要建立地形测图控制网,用来控制整个测区,保证最大比例尺测图的需要;在施工阶段,要建立施工控制网,以控制工程的总体布置和各建筑物轴线之间的相对位置,满足施工放样的需要;在经营管理阶段,根据需要建立变形观测控制网,用来控制建筑物的变形观测,以鉴定工程质量,保证安全运营,分析变形规律和进行相应的科学研究。
各阶段所要建立的控制网,共同的特点是精度要求高,点位密度大。
由于网的作用不同,使得测图网、施工网和变形网又都有各自的布网方式和精度要求,因此多是分别依次建立或者在原有网的基础上改建。
第一章绪论
第一节、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10-6,100-500km可达10-7,1000km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0.5mm,校差中误差为0.3mm。
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以内快速静态相对定位,仅需15-20分钟;RTK测量时,当每个流动站与参考站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟。
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(平面+大地高)。
目前通过局部大地水准面精化,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。
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,精密工程的变形监测,还可用于测速、测时。
测速的精度可达0.1m/s,测时的精度优于0.2ns,其应用领域在不断扩大。
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、我国的北斗号系统
一、卫星导航定位原理
北斗导航定位系统的定位基本原理是空间球面角会测量原理,就是以两颗卫星的已知坐标为圆心,各以测定的本星至用户机的距离为半径,形成两个球面,用户机必然位于这两个球面的交线的圆弧上。
中心站电子高车把法地图库提供的是以一个地心为求新,一求新至地球表面高度为半径的非均匀球面。
求解圆弧线与地球表面的交点,并已知目标在北半球,即可获得用户的二维位置。
二、北斗卫星导航定位系统
第一代北斗号卫星导航定位系统由3颗地球静止轨道卫星组成,其中2颗工作,1颗在轨备用。
北斗导航定位系统的三大功能:
(1)快速定位。
北斗导航定位系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实施定位服务。
根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度。
(2)简短通信。
北斗导航系统用户终端具有双向短抱文通信能力,可以有次传送超过100汉字的信息。
(3)精密授时。
北斗导航系统具有单项和双向良种授时功能。
为了提高北斗微微心导航系统与其他全球威信导航系统的兼容性,促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用,中国愿意与其他国家合作,共同发展卫星导航事业。
第三节、我国的GPS大地控制网
中国国家A级和B级GPS大地控制网分别由30个点和800个点构成。
它们均匀地分布在中国大陆,平均边长相应为650km和150km。
这两个网的数据处理采用了后处理精密星历和ITRF坐标框架,以便使中国国家A级和B级GPS网能准确地定位在这个全球性的参考系中。
对A级GPS网来说,水平方向的重复精度好于2×10-8,垂直方向不低于7×10-8;对B级GPS网来说,则分别好于4×10-7和8×10-7。
中国国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并先后交付使用,这标志着我国空间大地网的建设已进入一个新阶段。
它不仅在精度方面比已往的全国性大地控制网大体提高了两个量级,而且其3维坐标体系是建立在有严格动态定义的先进的国际公认的ITRF框架之内。
国家GPS控制网
“2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度GPSA、B级网,总参测绘局布设的GPS一、二级网,中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成。
该控制网整合了上述三个大型的、有重要影响力的GPS观测网的成果,共2609个点。
通过联合处理将其归于一个坐标参考框架,形成了紧密的联系体系,可满足现代测量技术对地心坐标的需求,同时为建立我国新一代的地心坐标系统打下了坚实的基础。
重力基本网
国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的坐标体系。
重力成果在研究地球形状、精确处理大地测量观测数据、发展空间技术、地球物理、地质勘探、地震、天文、计量和高能物理等方面有着广泛的应用。
目前提供使用的2000国家重力基本网包括21个重力基准点和126个重力基本点
高程控制网
国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统,按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。
目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个,水准路线长度为416619.1公里。
“十五”期间,将在全面规划和做好前期准备工作的基础上,有计划、有步骤地开展高程控制网的新一轮复测工作。
平面控制网
国家平面控制网是确定地貌地物平面位置的坐标体系,按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。
目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共154348个,构成1954北京坐标系统、1980西安坐标系两套系统。
“十五”期间将对现有的国家平面控制网和国家高精度卫星定位控制网进行联合处理,形成新的覆盖我国全部国土的动态三维地心大地坐标系统。
第四节、控制测量的基本任务和主要内容
一、控制测量的基本任务和作用
控制测量学是研究精确测定和描绘地面控制点空间位置及其变化的学科。
它是在大地测量学基本理论基础上以工程建设测量为主要服务对象而发展和形成的为人类社会活动提供有用的空间信息。
因此从本质上说它是地球工程信息学科是地球科学和测绘学中的一个重要分支是工程建设测量中的基础学科也是应用学科。
在测量工程专业人才培养中占有重要的地位。
控制测量的服务对象主要是各种工程建设城镇建设和土地规划与管理等工作。
这就决定了它的测量范围比大地测量要小并且在观测手段和数据处理方法上还具有多样化的特点。
作为控制测量服务对象的工程建设工作在进行过程中大体上可分为设计施工和运营3个阶段.每个阶段都对控制测量提出不同的要求其基本任务分述如下:
1.在设计阶段建立用于测绘大比例尺地形图的测图控制。
2.在施工阶段建立施工控制网。
3.在工程竣工后的运营阶段建立以监视建筑物变形为目的的变形观测专用控制网。
控制测量学在许多方面发挥着重要作用.可以说地形图是一切经济建设规划和发展必需的基础性资料.为测制地形图首先要布设全国范围内及局域性的大地测量控制网为取得大地点的精确坐标必须要建立合理的大地测量坐标系以及确定地球的形状大小及重力场参数.因此控制测量学在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。
2、控制测量学的主要研究内容
1、研究建立和维持高科技水平的工程和国家水平控制网和精密水准网的原理和方法。
2、研究获得高精度测量成果的精密仪器和科学的使用方法。
3、研究地球表面测量成果向椭球及平面的数学投影变换及有关问题的测量计算。
4、研究高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理的理论和方法。
第二章GPS的组成及原理
第一节、GPS的组成
GPS系统包括三大部分:
空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。
一、GPS卫星星座;
GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度,即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,它们绕地球运行二周,即绕地球一周的时间为12恒星时。
这样,对于地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。
位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可见到11颗。
在用GPS信号导航定位时,为了结算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。
这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。
但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时牡己蕉ㄎ徊饬俊?
GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
二、地面监控系统
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。
星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。
每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。
这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。
然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
三、GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是:
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,位置,甚至三维速度和时间。
静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。
而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。
GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰,空中的飞机,行走的车辆等)。
载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。
对于测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在测站上,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机。
也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。
近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。
各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D,单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。
用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测。
GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
第二节、GPS卫星运动
GPS卫星是同步卫星,3个就能覆盖全球,地球同步轨道卫星就是卫星在轨道上运行的周期与地球自转的周期相同,因此卫星每天总是在相同的时刻经过地球上同一地区的上家,也就是在每天相同的时刻出现在相同地区的相同方位上,这样的卫星叫做地球同步卫星。
将T=24小时代入前面的周期公式,可以得出h=36000千米,也就是说它在地面上以3600千米的高空运行。
要把卫星发射到这样高的地方,需要的能量是很大的,这个困难的任务可以分两步完成,先把卫星发射到离地面200千米-300千米的圆形轨道(称为停泊轨道)上,再选择合适的时机,启动发动机,让它进入椭圆形的过渡轨道-称为转移轨道,最后在远地点再次启动发动机使卫星进入同步轨道。
第三节、GPS卫星原理及分类
一、GPS卫星定位原理概述
1.GPS定位原理GPS的定位是利用卫星基本三角定位原理,GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离,以距离来判定卫星在太空中的位置,这是一种高轨道与精密定位的观测方式。
假设卫星在11,000英哩高处,测量我们的距离,首先以11,000英哩为半径,以此卫星为圆心画一圆,而我们位置正处於球面上。
再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩,而我们正处於这二颗球所交集的圆周上。
现在我们再以第三颗卫星做精密定位,假设高度13,000英哩,我们即可进一步缩小范围到二点位置上,但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点,因此,我们舍弃这一点参考点,选择另一点为位置参考点。
如果要获得更精确的定位,则必定要再测量第四个颗卫星,从基本物理的观念上来说,以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离,我们将此测得的距离称为虚拟距离,在GPS的测量上,我们测的是无线信号,速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速,而时间却短的惊人,甚至只要0.06秒,时间的测量需要二个不同的时表,一个时表装置於卫星上以记录无线电信号传送的时间,另一个时表则装置在接收器上,用以记录无线电信号接收的时间,虽然卫星传送信号至接收器的时间极短,但时间上并不同步,假设卫星与接收器同时发出声音给我们,我们会听到二种不同的声音,这是因为卫星从11,000英哩远的地方传来,所以会有延迟的时间,因此,我们可以延迟接收器的时间,从此延迟的时间╳速度,就是接收器到卫星的距离,此即为GPS的基本定位原理。
2.GPS定位方法分类
利用GPS进行定位的方法有很多种。
若按照参考点的位置不同,则定位方法可分为
(1)绝对定位。
即在协议地球坐标系中,利用一台接收机
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