GPS在工程测量中的应用论文Word格式文档下载.docx
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GPS网，全球定位系统，约束平差，GPS静态定位测量
4.4影响GPS基线解算的因素及其应对方法
12
第一章引言
1.1
GPS简介
GPS即全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从本世纪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。
经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[1]。
全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国第二代卫星导航系统。
是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。
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2.02万千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（DOP）。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。
监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。
监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。
主控站设在X登堡空军基地。
它对地面监控部实行全面控制。
主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。
上行注入站也设在X登堡空军基地。
它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。
这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用X围之前进行最后的注入。
定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。
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，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
1.2GPS在我国发展历程
新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。
从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。
70年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。
其中有人为摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。
根据多年的观测实践，完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。
80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。
十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。
80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。
同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。
至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，其中测量类约500—700台，航空类约几百台，航海类约3万多台，车载类数千台。
而且以每年两万台的速度增加。
足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性[2]。
在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标。
组织各部门（10多个单位，30多台GPS双频接收机）参加1992年全国GPS定位大会战。
经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。
在我国建成了平均边长约定100KM的GPSA级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。
此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为此30—100KM的B级网，全国约2500个点。
这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。
我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。
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、隧道贯通测量等精密工程。
加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图并用于施工放样。
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。
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。
我国已开始用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、XX鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。
GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。
我国的《全球定位系统（GPS）测量规X》已于1992年10月1日起实施。
此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。
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。
在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。
近几年，我国已建成了、XX、XX、XX、XX、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分GPS（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS增强系统（WAAS）的筹建。
同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS接收机。
GPS技术的应用正向更深层次发展。
1.3
GPS系统的应用前景
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。
用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位时间的传递和速度的测量等。
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；
用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；
用于监测地球板块运动状态和地壳形变；
用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。
用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量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[4]。
为适应GPS技术的应用与发展，1995年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。
可以说，GPS在我国的应用前景是无限的。
第二章GPS测量
2.1RTK测量
2.1.1RTK技术的应用
RTK是GPS应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。
RTK技术在近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。
利用RTK技术进行测量有如下优点：
①具有GPS测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。
②可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。
以往都是通过后处理来获得厘米级的点位坐标，实时处理大大提高了作业的效率，并且保证了数据的质量，同时扩大了GPS应用的领域，比如施工放样等。
③可在运动过程中连续高精度采样。
采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。
如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
采用RTK时，仅需一人使用仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，且不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等。
2.1.2RTK技术的基本原理
RTK技术，即GPS实时相位差分。
RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是测量技术与数据传输相结合而构成的测量系统，一台接收机固定在已知点上做基准站，其它接收机安置在运动载体上做流动站，同时观测卫星。
基准站把接收到的所有卫星信息（如基准站的坐标、天线高等）都通过通讯系统传送到流动站。
流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星数据。
在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内（一般是微型计算机），由控制器实时计算出点位坐标并显示出来。
RTK系统实施的技术关键是快速准确地求解整周模糊度及数据传输技术。
在静态测量中，需观测较长时间才能解算出整周模糊度，对于实时动态载波相位测量来说，我们利用快速解算模糊度法（OTF）在较短时间内求出整周模糊度的值，达到快速定位的目的。
数据传输技术的好坏直接影响观测值的质量，这就要求它有较高的数据传输率和较高的波特率传输数据，并保持误码率及较短的历元延迟，一般利用VHF或VHF无线电设备进行数据通讯。
为了获得高精度的实时动态定位结果，还需一系列方法和措施来保证结果的可靠性。
另一方面，RTK技术所得到的各点位置是属于WGS-84地球协议地心坐标系中的坐标值，而实用的工程项目成果属于某一国家地点的参心坐标系或者工程项目所建立的工程坐标系如建筑物施工业工作结束后，利用软件对数据进行测后处理，并成图。
2.2GPS静态定位测量
2.2.1GPS静态定位在测量中的应用
目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。
GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：
1.测量精度高GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在~之间，这是普通测量方法很难达到的。
2.选点灵活、不需要造标、费用低GPS测量，不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。
3.全天侯作业在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。
4.观测时间短采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1-2个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。
2.2.2布设GPS基线向量网的工作步骤
布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。
1.测前工作项目的提出：
一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。
对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：
测区位置及其X围：
测区的地理位置、X围，控制网的控制面积。
用途和精度等级：
控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级点位分布及点的数量：
控制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域。
提交成果的内容：
用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等。
时限要求：
对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限。
投资经费：
对工程的经费投入数量。
技术设计：
负责GPS测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规X进行测量工程的技术设计。
测绘资料的搜集与整理：
在开始进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集与整理也是一项极其重要的工作。
需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图等。
仪器的检验：
对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。
踏勘、选点埋石：
在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作。
2.测量实施实地了解测区情况：
由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责GPS测量作业的队伍到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。
主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。
这些对于今后测量工作的开展是非常重要的。
卫星状况预报：
根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。
所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。
对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。
确定作业方案：
根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。
作业方案的内容包括作业小组的分组情况，GPS观测的时间段以及测站等。
外业观测：
各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测。
在进行外业观测时，外业观测人员除了严格按照作业规X、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。
在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等。
数据传输与转储：
在一段外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所[7]输入的记录是否正确。
数据传输与转储应根据条件，及时进行。
基线处理与质量评估：
对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。
作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。
重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。
3.测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）：
对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。
如果需要利用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。
技术总结：
根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。
成果验收。
第三章GPS网的布设
3.1GPS基线向量网的等级
根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规X，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个级别。
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。
对A级GPS网来说，水平方向的重复精度好于2×
10，垂直方向不低于7-8×
10-8；
对B级GPS网来说，则分别好于4×
10-7和8×
10-7。
GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式为：
其中：
：
网中相邻点间的距离中误差（mm）；
a：
固定误差（mm）；
b：
比例误差（ppm）；
D：
相邻点间的距离（km）。
有下列的精度要求：
对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：
测量分类ABCDE固定误差a（mm）≤5≤8≤10≤10≤10比例误差b（ppm）≤0.1≤1≤5≤10≤20相邻点距离（km）100～200015～2505～402～151～10A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；
B级网为国家大地控制网或地方框架网；
C级网为地方控制网和工程控制网；
D级网为工程控制网；
E级网为测图网。
3.2GPS网的设计准则
3.2.1出发点
GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。
但是，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度、高效率和低成本，而放弃对质量的要求。
3.2.2GPS网布网作业准则1.选点为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°
-15°
高度角以上不能有成片的障碍物；
为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的X围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等；
为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物；
为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方；
测站应选择在易于保存的地方。
2.提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独立基线数）:
在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。
因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有益的。
保证一定的重复设站次数:
保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。
一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；
另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。
不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。
保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。
在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。
在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。
3.提高GPS网精度的方法为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线；
为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；
在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条；
在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长；
若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高、正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中；
为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：
增设长时间、多时段的基线向量。
4.布设GPS网时起算点的选取与分布若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选3-5个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度；
为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围。
要避免所有的起算点分布在网中一侧的情况。
5.布设GPS网时起算边长的选取与分布在布设GPS网时，可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3-5条左右，它们可设置在GPS网中的任意位置。
但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。
6.布设GPS网时起算方位的选取与分布在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不应太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。
3.3GPS基线向量网的布网形式
GPS网常用的布网形式有以下几种：
跟踪站式、会战式、多基准站式（枢纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式。
1.跟踪站式
（1）布网形式若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很像是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。
（2）特点由于在采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时，接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。
每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。
此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的G
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