最新版GPS控制网的优化设计毕业论文Word文档格式.docx
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1绪论
1.1控制网优化设计的发展历史
最优化问题是一个具有很久的研究历史和广阔的应用前景的领域，早在公元前500年毕达哥拉斯就发现了黄金长方形，即长方形的长与宽的最佳比率为1.618，称为黄金分割比，在建筑或绘画中应用这个比例将使建筑和艺术最优美、协调。
在微积分出现以前，己有许多人开始应用代数的或几何的方法来解决最优化问题;
在微积分出现以后，利用求导法、变分法和拉格朗日乘数法，有效地解决了可导函数的极值问题，这类方法也称为古典最优化问题。
近30年来，由于科学技术发展的需要，实践中许多最优化问题已无法用古典方法来解决，因此，许多新的最优化技术应运而生，为解决各种优化设计问题提供了有效的方法。
目前最优化设计己普遍应用于国民经济的各个领域，如生产管理、运输调度、服务系统、信息系统等等。
在测绘学科方面，高斯所创立的最小二乘法至今仍是应用最广的数据处理方法。
18年Helmert发表了关于“测量的合理性研究”的论文，1882年Shreibe:
曾提出过著名的“线网最适当权分配”的方法，对基线扩大网的测角观测方案进行了优化设计，这可以看作是对测量控制网的优化设计所做的开创性工作。
但是在相当长的一段时间内，这一问题未得到深入而系统的研究。
直到六十年代，由于整个科学技术的发展和电子计算机的应用，测量控制网的优化设计问题引起了测绘学者的重视，尤其是近20年来，控制网的优化设一直是人们感兴趣的课题之一。
值得提及的是Baarada对控制网的质量标准问题进行了入的研究，提出了评价控制网质量的三项标准，即精度、可靠性（即抵抗观测粗差即其影响的能力）和经济性，并于1971年首先引入了准则矩阵的概念，提供了一种更为全面和密的精度标准。
Grafarend对控制网优化设计问题作了广泛的理论研究，提出了现已为国际上所公认的四阶段优化分类概念，系统地应用了各种数学规划方法来解决控制网优化设计问题。
在1972年Grafarend、Schaffin导出了具有均匀和各向同精度结构的准则矩阵，即著名的Taylor-Karman结构，简称TK结构。
他们的工作为控制网的优化设计奠定了理论基础。
在GPS技术广泛应用于测量工作以前，控制网的优化设计理论与方法主要应用于传统的二角网、边角网、导线网以及变形监测网，其内容涉及:
各种准则矩阵的构成，网形优化设计、观测权优化设计和附加观测值的优化设计，其目标函数主要有精度（包括整体精度与局部精度）、可靠性（内部可靠性和外部可靠性）、经济性、灵敏度等。
采用的主要方法主要有解析法（AnalyticalMethod）和机助模拟法（ComputerAidedSimulativeMethod），解析法设计的原理为在各阶段设计中根据固定参数及有关的约束条件，对待定参数求最优解，其函数模型可表示如下:
式中（）表示不等式或不等式或等式
求待定参数的方法主要是线性规划法，但由于实际的控制网约束条件复杂，不确定因素很多，很难计算出可行解，因此解析法主要用于小范围的精密工程控制网。
模拟法是指对于初步确定的网形与观测精度，模拟一组起始数据与观测值，输入计算机，然后根据平差原理计算出未知参数及其函数的精度，估算成本，或进一步计算观测值的可靠性、敏感性等信息，与预定的精度要求、成本约束、可靠性约束等相比较;
根据计算机所提供的信息与设计者的经验，对控制网的基准、网形、观测精度等进行修正;
然后重复计算，直至获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。
其工作流程可示如下:
显然，模拟法由于所得的最后结果会受到设计者经验的影响.只是一种相对的最优，而非严格最优方案，但是这种方法的数学模型不需建立。
可以用于任何类型的设计优化问题，同时，它的最后结果一定是满足要求的、切实可行的近似最优方案。
1.2GPS控制网的发展历史
近十年来，随着GPS技术的出现，由于其具有控制点间不需要相互通视、测量速度快、精度高、能全天侯作业等常规测量方法无法比拟的优点，在城市或工程控制网的测量中，它基本己取代了常规的测量方法，因此对GPS网的设计与优化进行研究具有较强的现实意义和广阔的应用前景。
目前，人们对GPS网形设计主要形成了以外一些观点，一些人认为GPS网的图形矩阵A类似于水准网，而在水准网中的设计矩阵A与网的点位无关，也就是说GPS网的优化设计类似于相应的水准网的优化设计，也有文章认为GPS网的网形，即点位的分布，则主要考虑点的观测条件及未来扩展的方便，观测权的优化设计对GPS网意义不大，也有一些人主张加测GPS基线以增加网的图形强度。
但还未和常规控制网的优化设计一样，对GPS网的优化设计进行系统的研究，其主要原因在于和常规的测量方法相比较，GPS观测具有以下特点：
具有更为复杂的函数、随机模型，这些模型的先验信息在设计阶段难于获取和准确估计，即在实测前，各基线观测向量的误差（权逆阵）与模型误差一样属于非参数估计；
基线观测问题不受〔或几乎不受）通视条件限制，因而GPS网具有更为灵活，多样的布网形式，为优化设计提供了更为确实可行的条件。
这些特点决定了GPS网优化设计与实测方案难于完全吻合，即“最优”设计仅有理论上的意义而并非能在实测中完全准确实现，对GPS网的优化不仅对网形进行优化，而且还应对基线向量的观测时段、每时段的观测长度、地面点的几何精度因子（GDOP）等指标进行优选，因而导致了GPS网优化设计的复杂性。
1.3GPS控制网的技术设计
GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem的字头缩写词NAVSTARGPS的简称。
它的含义是：
利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。
GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用。
建立城市或其它局部性GPS控制网是一项重要的基础性工作，而技术设计则是建立GPS网的第一步，是保证GPS网能够满足经济建设需要，并保证GPS成果质量可靠的关键性工作。
因此，必须科学地、严谨地作好这一工作。
GPS网设计设计的一般原则包括以下几个方面。
1充分考虑建立GPS控制网的应用范围
对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。
对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；
又要考虑远期发展的需要；
还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。
2采用分级布网的方案
适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。
与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。
分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。
例如，大城市的GPS控制网可以为三级：
首级网中相邻点的平均距离大于5km；
次级网中相邻点平均距离为1~5km；
三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。
对于小城市，分两级布设GPS网即可。
为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。
3GPS测量的精度标准
GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为：
式中：
σ——距离中误差（mm）；
a——固定误差（mm）；
b——比例误差系数（ppm）；
d——相邻点的距离（km）。
2001年实施的“全球定位系统（GPS）测量规范”将GPS的测量精度分为AA~E六级（见表1）。
其中AA、A、B三级是国家GPS控制网，C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网，D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、勘测、建筑施工等控制测量。
项目
AA
A
B
C
D
E
固定误差a（mm）
≤3
≤5
≤8
≤10
比例误差系数b（ppm）
≤0.01
≤0.1
≤1
≤20
相邻点最小距离（km）
300
100
23
4
2
1
相邻点最大距离（km）
3000
900
210
36
20
8
相邻点平均距离（km）
1000
70
10~15
5~10
0.2~5
表1
在GPS网的技术设计中，应根据测区大小，GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。
4坐标系统与起算数据
GPS测量得到的是GPS基线向量，是属于WGS84坐标系的三维坐标差，而我们需要得到的是属于国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。
为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据，也就是说明GPS网所采用的基准。
GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。
当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。
为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于2个。
GPS望的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数：
a.所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础；
b.坐标系的中央子午线的精度值；
c.纵、横坐标的加常数；
d.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；
e.起算点的坐标。
GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。
方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准，尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。
5GPS点的高程
为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。
为了便于进行水准联测，且便于进行GPS观测，提高GPS作业效率，GPS点一般应设在交通方便的地方。
1.4GPS控制网的图形设计
1.4.1网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；
同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。
设计的一般原则
（1）GPS网一般应采用由独立观测边构成的闭合图形。
例如三角形、多边形或附和线路，以构成检核条件，提高网的可靠性。
（2）GPS网点尽量与原有的地面控制网点相重合。
重合点数应多于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
（3）GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法进行联测。
（4）为便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通方便的地方。
（5）为了便于用常规方法联测或扩展，C、D、E级控制网点应有1~2个方向通视。
1.4.2GPS网的基本形式
根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。
（1）三角形网
如图1所示。
图中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。
这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。
经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
图1GPS三角网
这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。
因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。
（2）环形网 由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，如图2所示。
这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。
其缺点主要是非直接观测的基线边（或称间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。
由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。
表2是相应于表1所列精度要求所提出的规定。
类级
闭合环中的边数
≤12
表2闭合环基线边数的限值
三角网和环形网是大地测量和精密工程测量普遍采用的两种基本图形。
通常，根据实际情况往往采用上述两种图形的混合网形。
图2GPS环形网
（3）附和线路和星形网
在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路，如图3所示。
为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。
图3附合线路
星形网的几何图形如图4所示。
其图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。
这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。
它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。
图4星形网
1.5GPS网形的特点
（1）GPS网的同步环与异步环
GPS同步观测是指使用台GPS接收机，同时在相同的时段内连续跟踪接收相同的卫星组信号。
通常称同步观测的时间段为时段或测段，台GPS接收机在一个时段内同步观测，可以由软件算得各点间的GPS基线向量（或简称GPS边），这些GPS边可以构成一个完全图，图形中包括的GPS边的边数为:
（1-3-1）
但其中仅有M-1条是独立的GPS边，其余的都是非独立的GPS边，非独立的GPS边可以由独立的GPS边推算得到。
当同步观测的GPS接收机数时，独立的GPS边和非独立的GPS边将构成闭合的多边形环，称为多边形闭合环，同步闭合环的最少个数为:
（1-3-2）
理论上，同步闭合环中各GPS边的坐标差之和（即闭合差）应为0，但因为有时各GPS接收机并不是严格同步和各种误差的影响，使得同步闭合环的闭合差并不等于零，只要同步闭合环的闭合差不超过限差，则认为此测段的GPS观测是合格的，但并不能说明GPS边的观测精度较高，也不能发现接收机的信号受到干扰而产生的粗差。
为了确定GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测值的粗差，必须使GPS网的独立边构成一定的几何图形，这种几何图形可以由数条GPS独立边构成非同步多边形（或称为非同步闭合环、异步环），如四边形、五边形…等，GPS网中的图形设计，就是根据所布设的GPS网的精度、可靠性及其它方面的要求，设计出由独立GPS边构成的多边形网（简称为GPS网）。
（2）GPS网中各要素之间的关系
GPS网形可以由图论来描述，从其组成要素上来看，它类似于GIS空间数据的构成要素，也是由点、线、面构成的，这里的点是指已选定位置的GPS点，线表示两点之间存在独立的GPS边，面指由独立的GPS边构成的异步环。
GPS网形是靠一定数量的GPS接收机在野外观测一定数量的时段而实现的，因此在设计网形、编制观测纲要时一定要建立这些量之间的关系。
设为GPS点的个数，为整个网中的独立边数，为异步环的个数。
在GPS测量规范中，有的要求网中异步环的边数小于某个给定的整数值，有的要求每个点上至少应设站两次，实际上这两个规定有其一致性。
（Ⅰ）当要求GPS网由m边形组成时，存在以下关系:
（1-3-3）
其中：
int（）表示取整数，mod（）表示取余数，对于不同的和m，按上式计算出相应的和，从上式可以看出，在根据测区范围和精度要求确定和m以后，可以由上式求出需要观测的独立的GPS边数和，从而对布设GPS网的工作量有一个恰当的估计。
（Ⅱ）当要求每个点上至少设站次时:
对于一个有个点的控制网，如果在每个点上至少设站T次，则共应设站次，如果用于观测的GPS接收机有M台，则需要观测的总时段数k为:
（2-3-4）
此时，独立的GPS边和网中闭合环数为:
（2-3-5）
1.6GPS系统的应用前景
当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航、手机情报等军事目的。
但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到尚书目的，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。
应此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。
其主要应用有：
（1）在控制测量中的应用；
（2）在精密工程测量及变形监测中的应用
（3）在航空摄影测量中的应用
（4）在线路勘测及隧道贯通测量中的应用
（5）在地形、地籍及房地产测量中的应用
（6）在海洋测绘中的应用
（7）在智能交通系统中的应用
（8）在地球动力学及地震研究中的应用
（9）在气象信息测量中的应用
（10）在航海航空导航中的应用
2GPS网的精度和可靠性
2.1GPS网平差的数学模型
大地测量控制网的优化设计是通过调整观测点的位置及观测方案来达到使目标函数最优的目的，为此，首先要建立起观测量、未知参数、观测量的权以及未知参数的方差、协方差矩阵之间的函数关系。
GPS接收机的初始观测量是瞬时载波相位差.而未知参数包括卫星坐标的改正量、地面点的坐标以及一些系统误差参数（卫星钟差、接收机钟差、电离层、对流层的折射延迟以及整周模糊度等），作为第一步，首先要解出基线向量，文献[2〕对GPS基线向量的解算已有详细叙述，本文不再述及。
而以基线向量作为观测值的网平差的数学模型和随机模型正是本文所关心的。
“基线选择法”是GPS控制网平差最常用的方法，它通过选择独立基线来组成平差网形，分为两个过程，首先解算出同一时段的基线向量，然后从基线向量中选取独立的基线向量进行网平差。
在网平差阶段，将地面点在的三维坐标当成待求的未知参数，从而得到以下的Gauss-Markov模型:
（2-1-1）
这里A是由0，1组成的图形矩阵，X是待定点的近似坐标改正数向量，而△r则由下式给出:
（2-1-2）
（2-1-3）
获得（3-1-1）式基线向量方差的方式有两种，第一种方法是采用基线向量解算时计算出的方差和协方差阵作为验前协方差阵，第二种方法是在基线向量的经验公式。
的基础上采用验后最小范数二次无偏估计（MINQUE估计）得到，其中常数a、b分别为接收机的固定误差和比例误差系数，s为基线长度。
在GPS网的优化设计中，由于没有实际观测值，采用以下的经验公式作为基线向量各分量的近似精度:
（2-1-4）
若某GPS网有n条基线，并不考虑同一基线各坐标分量之间的相关性，则所有基线分量的方差、协方差阵可表示为:
（2-1-5）
其中diag是一个由n个的单位矩阵所组成的对角阵。
2.2误差的传递与转换
GPS网精度估算是指在选定的基准条件下，通过误差传播律来近似计算待定点的方差和协方差、各点之间的相对中误差、或边长、方位角误差等。
若以表示GPS网中所有点的协方差阵，由于其它量（如边长、方位角等）均为坐标未知数的函数，因此也可以用误差传播律来求坐标未知数函数的协方差（）,因此GPS网的精度评定主要是计算精度估算与网平差的区别在于:
精度估算中作为观侧值的基线向量是一个未知量，其先验的协方差未知，而在网平差中，基线向量的协方差阵己在基线解算中获得，其次，网平差中常数项可以准确地计算出，而在
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