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毕业论文D级控制网GPS测量

二O一一届毕业论文

D级控制网GPS测量

学院：

武汉大学测绘学院

姓名：

学号：

指导教师：

专业：

二〇一一年三月

摘要

GPS（globalpositioningsystem）全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。

其应用技术已遍及国民经济的各个领域。

在测量领域，GPS测量以其速度快、定位精度高、操作简便和价格低，另外还具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，以及具有良好的抗干扰性和保密性，深受广大测量人员的喜爱。

随着GPS定位技术的发展完善，测绘定位技术也发生了革命性的变革，也为测绘工作提供了崭新的技术手段和方法。

本文主要从GPS测量技术的工作原理、GPS测量的特点及GPS测量技术在控制测量网中的应用等进行论述。

　　关键词:

GPS;控制测量网;测量;误差

第一章概述

1.1GPS定位系统的现状与发展

全球定位系统（GPS）是由美国军方开发的高科技产品，原本专门应用于军事目的。

它的原始思维理念是，将参考的定位坐标系搬到天际上去。

这样，可在任何时候、任何地方提供全球范围内三维位置、三维速度和时间信息服务。

1996年2月29日美国政府正式宣布将GPS开放为军民两用系统，但仍实行SA（可用性选择）政策，故意劣化定位精度，使民用用户的应用受到限制。

2000年5月1日，美国总宣布将SA置为零，这无疑在很大程度上促进民用GPS应用的发展和普及

GPS的民用领域已包括了陆地运输、海洋运输、民用航空、通信、测绘、建筑、采矿、农业、电力系统、医疗应用、科研、家电、娱乐等等。

因此，GPS业界流行这样一句话，“GPS的应用只受到人们想像力的限制”。

如今，GPS所达到的定位精度范围已从10M级到MM级，其卫星上时钟源也已从铷原子钟过渡到铯原子钟和氢脉泽时钟标准，工作寿命和精度大幅提高，可给世界各地提供精度为1×10－10的参考频率。

据美国商务部统计，2000年全球GPS用户机的年销售额为80～90亿美元。

到2003年，GPS民用产品将超过160亿美元。

可以毫不夸张地这样说，到达2010年以后，GPS的应用产品将逐渐成为人们日常生活中不可缺少的一部分，也是各类产品研发的基础平台。

GPS的工作原理与平台构成

在卫星应用初期，科学家就设想将运动物体的参照系搬到太空中。

其物体的定位原理是将此物体的瞬间立体目标位置坐标（X、Y、Z）用已确定相对距离的已知参考点所发出的极其精确的无线电脉冲时钟源来测定。

这样，利用地面接收器已存入的高等解析几何所构成的模型，就可建立三维位置量和一个时间量的算法方程。

GPS为全球用户提供了非常精确的三维定位信息，即速度信息、时间和频率参考，这些信息是以４个卫星的射频信号的时间测量为基础的。

GPS整个卫星系统平台由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星呈现出55°倾角均匀分布在6个近似于圆轨道内，轨道运行周期为11h58min，轨道半径为26560km，这些轨道卫星每日重复同样的地面轨迹。

因此，在地球任意一处的用户将可以在其地平线上方5°范围内见到至少4颗卫星，通过接收来自一颗卫星的信号，用户在获知其具体位置和高稳定度的频率标准的基础上，可以确定GPS的时间和频率参考。

卫星的载波信号以两个Ｌ波段频率（1227．6MHｚ和1575．42MHｚ）来发射，这样可以修正信号的时延，信号分别用Ｐ码和C／A码调制。

P码用于精确的时间测量，C／A码使信号易于锁定，并使用了码分多址（CDMA）寻址的扩频调制技术，使得GPS信号通过一个偶极天线可以很容易地被接收。

所有的卫星都是同步的，卫星上时钟源采用的是铷原子钟或铯原子钟等高精度、高稳定的时钟振荡器。

由此可见，超精度和超稳定的时钟和稳定的空间构架平台是GPS的两项关键技术。

从整体上说，GPS主要由三大部分组成：

空间部分、控制部分、用户部分。

空间部分由卫星星座构成，控制部分由地面卫星控制中心进行管理；用户部分则由军用和民用研发厂商开发、销售、服务。

空间部分和控制部分目前均由美国国防部掌握。

卫星定位系统市场及在中国的发展趋势

目前，GPS的发展很迅猛，仅国际上的GPS商业市场上就开发出了460余种商用产品，申请的有关专利已达上千个，用户对产品的更新周期要求为12～18个月，而GPS应用的回报周期为6～12个月。

现在已经可以根据用户的工作方式和使用需求设计出体积小、功耗低、价格低廉的GPS用户接收机。

近年来，GPS的应用领域出现了一些值得注意的变化。

其一，从军用产品为主转变为以军民两用乃至以民用为主的产品。

据报道，美国GPS军用产品和民用产品的销量比例为1:

20。

其二，从少数部门应用快速进入了广泛应用，已经渗透入大众日常生活范围中。

其三，GPS的应用迅速成为国民经济发展新的增长点。

有关资料报道，GPS的消费产品将成为未来数个具有爆发性增长的市场热点。

其四，GPS产品由于其专用IC集成电路的成熟以及其接收机OEM板最低价格可达10美元或者10美元以下，将不断出现手持式、卡片式等产品，更可以嵌入方式灵活地与其他消费品集成在一起，达到一种完美的集成产品。

GPS已与互联网、蜂窝移动通信网一起成为目前全世界发展最快的三大信息产业，并与之相互紧密组合。

例如，由GPS接收机采集数据信息，通过通信系统传送，最后由互联网发布。

在未来，GPS技术与GSM和CDMA技术结合，将成为全球通信发展的热点。

无论从军事竞争的需要还是民用的需求分析，GPS皆已引起世界各国决策领导层的关心，他们都意识到，谁能拥有覆盖全球的GPS星际卫星网和GPS控制网络，谁就大大增强了国家基础实力和拥有了巨大的商业市场。

正因为如此，俄罗斯前几年尽管经济不太景气，却仍发射了9颗属于Glonass系统的全球导航卫星。

而欧洲也加快步伐筹建自己的全球导航卫星系统Galileo系统。

中国继美国、俄罗斯、欧共体之后，也正加紧研制拥有自己主权的全球定位系统——北斗导航系统。

今年元月，中国已发射了该系统中的第二颗北斗导航试验卫星。

相信不久的将来，中国将拥有自己的全球定位系统。

在2000年第三届中国北京高新技术产业国际周的中国国际地球空间信息产业技术及设备展览会上，已有很多公司推出了GPS车辆跟踪监控产品。

综上所述，GPS产品的市场潜力极大，前景光明，如何及时有效地切入该市场，是当前一个必须努力的方向

控制测量的任务和作用

　　为限制测量误差的积累，保证必要的测量精度，使所测的每幅地形图精度均匀；使各分区测绘的地形图能够拼接成一个整体；使工程建设中整体设计的工程建筑物能够分区施工放样，就必须按照一定的测量原则首先在全测区范围内选定一些控制点，构成一定的儿何图形，用精密的测量仪器和精确的计算方法，在统一的坐标系统中，确定它们的平面位置和高程，再以这些控制点为基础进行碎部测量和施工放样等。

传统的控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。

平面控制测量确定控制点的平面位置（x，y），高程控制测量则确定控制点的高程（H）。

平面控制测量

　　测量控制点平面位置（x，y）的工作，称为平面控制测量。

平面控制网的建立，传统方法主要有三角测量和导线测量，随着电子技术和航天技术的不断发展，全球定位系统（GPS）目前已广泛地应用于城市控制网的改造、控制点的更新和加密。

　　在地面上选定一系列点构成连续三角形，若三角形向某一方向推进，这种图形称为三角锁，若三角形向四面扩展成网状．则称为三角网。

测定各三角形顶点的水平角，并根据起始边长、方位角、起始点坐标利用正弦定律来推求各顶点平面位置的测量方法称为三角测量，这种控制点称为三角点，此控制网称为三角网。

将地面上一系列点依相邻次序连成折线形式，并测定各折线边的长度、转折角，再根据起始数据推求各点的平面位置的测量方法，称为导线测量，这种控制点称为导线点，由它所连接而成的折线称为导线，此控制网称为导线网。

GPS控制测量是将GPS接收机安置在控制点卜，通过接收卫星信号加以处理，即可获得地面控制点的位置。

1.2.2高程控制测量

　　测定控制点高程（H）所进行的测量工作，称为高程控制测量。

传统高程控制网主要采用水准测量、三角高程测量的方法建立。

用水准测量方法建立的高程控制网称为水准网。

三角高程测量主要用于地形起伏较大、进行水准测量有困难的地区，为地形测图提供高程控制。

1.2.3控制网的布设原则

　　控制网具有控制全局、限制误差累积的作用，是各项测量工作的基础和依据。

控制网的布设应遵循整体控制、局部加密，高级控制、低级加密的原则。

　　国家制定了一系列相应的测量规范，对各种控制测量的技术要求做了详细的规定。

在测量工作中应严格遵守和执行《测量规范》。

测量任务

根据招标书内的要求，必须在施工地区D级网点的间距在5km~10km,固定误差小于10mm。

在布网的过程中可以用施工地区已有并保存完好的C级控制网点。

招标书内规定在施工地区的D级控制网点不少于800个。

要在期限内完成出成果并通过检核。

1.3.1GPSD级网与GPS一级网设计

GPSD级控制网的检测、联测与一级控制网的设计、选埋、测算均按照相关技术规范和规定执行，各级控制网中，采用的起算点应分布均匀，有足够的精度控制范围，GPSD级控制网与GPS一级控制网应有足够的网形强度，选埋、观测的具技术指标见表（1-1）。

表（1-1）GPS控制网基本技术要求

GPS网等级

项目指标

D级

一级

GPS网设计

闭合环或符合路线的边数

8

10

相邻点最大距离km

5

2

相邻点最小距离km

1

相邻点平均距离km

2

GPS网点布设平均密度点／km2

——

20

标准差б参数

固定误差amm

≤10

≤15

比例误差bppm

≤10

≤10

GPS

观测

GPS测量模式

快速静态

快速静态

卫星高度角°

≥15

≥15

数据采样间隔s

＝15

＝15

有效观测卫星数

≥5

≥5

PDOP

≤6

≤6

观测时段长度min

≥20

≥15

平均重复设站数

≥2

≥

精度评定

坐标分量相对闭合差ppm

6.0

环线全长相对闭合差ppm

10.0

（1）相邻点空间距离观测精度用公式表示。

б=±

（1-1）

式中：

б——标准差，mm。

a——固定误差，mm。

b——比例误差，ppm。

d——相邻点间距离，km。

a、b取值见表（1-1）。

GPS测量大地高的精度、a、b亦按表（1-1）规定执行。

（2）GPS点编号与命名

GPSD级控制点原网已命名，如需新布设，点名采用点位所在地的地理名称如村名、山名、地名、单位名，应向当地政府部门、群众进行调查后确定，点名一律采用规范化汉字表述。

当利用原有旧点时，点名不宜更改。

点号编排应适应于计算机计算。

GPS一级点命名规则：

冠以“I×××”，后跟自然数流水编号作为相应点名。

（3）GPS网应由非同步观测边构成闭合环，每个闭合环边数的要求按表（1-1）执行，各级网组成闭合环应相对独立。

1.3.2GPSD级点补埋与GPS一级点选埋

（1）各等级GPS点位密度应满足表（1-1）的基本要求。

（2）GPS点位应选在交通便利的地方，便于作业观测及其它测量手段利用。

（3）点位周围应视野开阔、便于操作，视场内不应有高度角大于15°的成片障碍物，点位应远离有整片幕墙玻璃的高大建筑物，远离大片平静水面，以降低多路径效应对GPS卫星信号的影响。

（4）点位应远离高压线和大功率无线电发射源，离高压线的水平距离不小于50m，而与无线电发射源的水平距离不小于200m。

（5）选点时每整幅1∶500图内（40cm×50cm）应有一个GPS一级点（包含GPSD级控制点），GPSD级点之间不要求通视，但每个GPS一级点需两两通视，即每个GPS一级点需有相邻的二个同级或高级点作为通视方向。

当个别点地处复杂地区，通视困难时允许只有一个相邻点通视。

（6）GPSD级补埋点与GPS一级控制点的标石制作规格、标石埋设均按《城市测量规范》的要求执行。

GPSD级点标石的柱石顶面应刻绘“GPSD”以及埋石年代，并描绘红漆。

GPSD级点无论是新埋设点还是利用旧标石，均需在点旁埋设警示（调查区内）。

（7）GPSD级点与GPS一级点应尽量布设在平地或小山包上，便于三、四等水准联测。

（8）不论新埋点或利用原有旧点，均应在实地绘制点之记和标志委托保管书。

新补埋的D级点点之记除按《城市测量规范》要求绘制外，还应标明交通路线。

标志委托保管手续由委托方办理。

1.3.3GPS控制网外业观测

（1）外业GPS观测采用双频接收机，接收机应在使用前一年内进行检定，并提交检定合格证明资料。

（2）GPS观测采用快速静态定位模式进行作业，观测要求应满足规定。

观测时，应视卫星信号情况、点位环境和基线长度等因素的影响，必要时适当延长观测时间。

（3）观测过程中，人员应尽量不靠近天线，且不要在天线附近走动和使用对讲机，使用对讲机应离天线10米以上。

（4）雷雨天气应停测，并卸下天线。

（5）正确量取并记录天线高，并要求测前、测后量取两次，取平均值为天线高，两次量取差值不得超过3mm，否则应重新设站观测。

天线高记录不得划改。

（6）在GPS观测时，每个测站均要求用观测手簿进行记录，记录内容为：

点名、点号、观测者、记录者、天气、日期、时间、时段、天线高，接收机编号、天线编号等，并将特殊情况记录在备注栏内，不要求记录气象元素。

1.3.4GPS基线向量解算及检核

GPS观测数据的记录，存贮及格式转换，须严格保证数据的正确与可靠。

GPS观测数据应转换成RINEX标准格式数据，然后采用严密、可靠的GPS基线处理软件（如Leica公司的SKI-PRO软件）解算和检核GPS基线向量。

（2）由若干条非同步边组成的异步环，其坐标差分量闭合差按公式（1-2）进行计算并执行：

Wx≤2

σWy≤2

σWz≤2

σ（1-2）

式中：

n为闭合环边数；

σ为GPS基线空间距离标准差，其数值计算参见公式（1-1）及表（1-1）。

（3）同一条基线边任何两个时段的成果互差，即重复基线互差，应小于接收机标称精度的2

倍。

其中接收机标称精度按公式∶±

计算。

1.3.5GPS网平差计算

（1）GPS网平差计算应使用严密、可靠的GPS测量基线平差计算软件（如同济大学测量系提供的TGPPSW软件包）进行，以非同步观测的GPS基线向量作为观测值，并兼顾地面起始坐标，采用三维严密平差方法进行平差计算。

（2）GPSD级网平差时将杭州市区GPSC级控制网点作为起算的固定点，采用三维严密约束平差方法进行平差计算，获得杭州坐标系成果。

将浙江省GPS基础控制网点作为起算的固定点，采用三维严密约束平差方法进行平差计算，获得1954年北京坐标系、1980西安坐标系成果。

（3）等级控制网平差计算完成后，应进行控制网精度评定、统计计算，精度统计包括以下内容：

a控制网中同级相邻点间最小、最大距离;

b最弱边相对中误差;

c最大非同步观测基线向量边独立闭合环或附合路线边数;

d独立基线构成的独立环坐标分量闭合差和全长闭合差及限差;

e无约束平差中基线向量改正数绝对值及限差;

f约束平差与无约束平差同名基线改正数较差及限差。

第二章网的设计和特点

2.1GPS网的技术设计

GPS网的技术设计是GPS测量工作实施的第一步，是一项基础性工作。

这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行，其主要内容包括精度指标的确定，网的图形设计和网的基准设计。

2.1.1GPS网的构网特点及方式

GPS网的没计需要考虑诸多因素，其核心是如何高质量低成本完成既定的测量任务。

GPS网的设计包括网形构造、精度、基准等方面的设计，此外，对于外业工作具体实施，还应考虑观测时段、时间、测站位置的选择，接收机的类型及数量，交通后勤等因素。

目前的GPS控制测量，基本上都是采用相对定位的测量方法。

这就需要两台以及两台以上的GPS接收机在相同的时间段内同时连续跟踪相同的卫星组，即实施所谓同步观测。

同步观测时各GPS点组成的图形称为同步图形。

不同台数GPS接收机同步观测一个时段，便组成以下各种同步图形结构。

总之，当T台接收机同步观测获得的同步图形由n条基线构成，其中n为

n=T（T-1）/2（2-1）

同步图形是构成GPS网的基本图形。

而在组成同步图形的n条基线中，只有（T-1）条足独立基线，其余基线均为非独立基线，可由独立基线推算得到。

由此，也就在同步图形中形成若干坐标闭合差条件，称为同步图形闭合差。

由于同步图形是在相同的时间观测相同的卫星所获得的基线解构成的，基线之间是相关的观测量。

因此，同步图形闭合差不能作为衡量精度的指标，但它可以反映野外观测质量和条件的好坏。

在GPS测量中，与同步图形相对应的，还有非同步图形或称为异步图形，即由不同时段的基线构成的图形。

由异步图形形成的坐标闭合差条件称为异步图形闭合差。

当某条基线被两个或多个时段观测时，就形成r重复基线坐标闭合差条件。

异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件足衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标。

（1）GPS网的构网方式

GPS网是由同步图形作为基本图形扩展延伸得到的，当采用不同的连接方式时，网形结构随之会有不同形状。

GPS网的布设就是如何将各同步图形合理地衔接成一个有机的整体，使之达到精度高，，可靠性强，且作业量和作业经费少的要求。

GPS网的布设按网的构成形式分为：

星形网、点连式网、边连式网、网连式网。

按其作业方式可分为：

同步作业方式网、基准站同步作业方式网（作业时始终保持静止的仪器站称为基准站）、快速定位作业方式。

下面我们按照布网的形状，逐一讨论各种构网方式的优劣

（2）星形网

星形网的图形在作业中只需要两台GPS接收机。

作业简单，是一种快速定位作业方式，常用在快速静态定位和准动态定位中。

但由于各基线之间不构成任何闭合图形，所以其抗粗差的能力非常差。

一般只用在工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等一些精度要求较低的测量中。

（3）点连式网

所谓点连式网，就是相邻同步图形间仅由一个公共点连接成的网。

任一个由m个点组成的网，由T台接收机观测，则完成该网至少要n个同步图形：

n=l+INT[（m—T）/（T—1）]（T一1）（2-2）

例如，当m=30时，采用3、4、5台接收机最少同步图形分别为15、l0、8。

网的必要观测基线数为m-1。

而网中n个同步图形总共有n×（T-1）条独立基线。

显然，以这种方式布网，没有或仅有少量的异步图形闭合条件。

因此，所构成的网形抗粗差能力仍不强，特别是粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。

在这种网的布设中，可以在n个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，使网的可靠性得到改善。

（4）边连式网

边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过2个公共点相连，即同步图形由1条公共基线连接。

任一个由m个点构成的网，若用T台（T≥3）接收机采用边连式布网方法进行观测，则完成该测量任务的最少同步图形个数n为

n=1+INT[（m-T）/（T-2）]（T≥3）

相应观测获得的总基线数为n×（T-1）·T/2

其中独立基线数为n×（T-1），而网的多余观测基线数为n×（T-1）～（m-1）。

比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的GPS网的几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。

（5）网连式网

所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间存在互相重迭的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的一部分。

这种布网方式通常需要4台或更多的GPS接收机，这样密集的布网方法，其几何强度和可靠性指标是相当高的，但其观测工作量以及作业经费均较高，仅适用于网点精度要求较高的测量任务。

2.1.2GPS网的精度设计

精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。

网的精度设计是根据偶然误差传播规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差后预期能达到的精度。

这也常被称为网的统计强度设计与分析。

一般常用坐标的方差-协方差阵来分析，也常用误差椭圆（球）和相对误差椭圆（球）来描述坐标点的精度情况，或用点之间方位、距离和角度的标准差来定义。

对于GPS网的精度要求，较为通行的方法是用网中点之间的距离误差来表示，其形式为

（2-3）

式中，σ为网中相邻点之间距离的标准差（mm）；a为固定误差（mm）；b为比例误差系数（10-6）；d为两点之问的距离（km）。

我国颁发的《全球定位系统（GPS）测量规范》，根据网的不同用途，将GPS网划分成5个等级，其相应的精度如下表。

表（2-1）GPS精度表

级别

测量类型

固定误差a，mm

比例误差系数

A

地壳变形或国家高精度GPS网

≤5

≤

B

国家基本控制测量

≤8

≤1

C

控制网加密，城市、工程测量

≤10

≤5

D

控制网加密，城市、工程测量

≤10

≤10

E

控制网加密，城市、工程测量

≤10

≤20

在GPS网总体设计中，精度指标是比较重要的参数，它的数值将直接影响GPS网的布设方案、观测数据的处理以及作业的时间和经费。

在实际设计工作中，用户可根据所作控制的实际需要和可能，合理地制定。

既不能制定过低而影响网的精度，也不必要盲目追求过高的精度造成不必要的支出。

2.1.3GPS控制网网形设计

由各种构网方式可以看出，在GPS作业前，应设计出一种比较实用的既能满足一定精度和可靠性要求、又有较高经济指标的布网作业计划，这就是GPS网的优化设计问题，本章将就此问题给予专门讨论，在此仅给出网形设计的一般原则：

（1）GPS网中不应存在自由基线。

所谓自由基线是指不构成闭合图形的基线，由于自由基线不具备发现粗差的能力，因而必须避免出现，也就是GPS网一般应通过独立基线构成闭合图形。

（2）GPS网中的闭合条件中基线数不可过少。

网中各点最好有3条或更多基线分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网的精度、可靠性较均匀。

（3）GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。

这样不同接收机数测量构成的网之精度和可靠性指标比较接近。

（4）为了实现GPS网与地面网之间的坐标转换，GPS网至少应与地面网有2个重合点。

研究和实践表明，应有3～5个精度较高、分布均匀的地面点作为GPS网的一部分，以便GPS成果较好地转换至地面网中。

同时，还应与相当数量的地面水准点重合，以提供大地水准面的研究资料，实现GPS大地高向正常高的转换。

（5）为了便于观测，GPS点应选择在交通便利、视野开阔、容易到达的地方。

尽管GPS网的观测不需要考虑通视的问题，但是为了便于用经典方法扩展，至少应与网中另一点通视。

2.1.4GPS网基准的设计

GPS网的基准优化设计主要是对坐标未知参数进行设计。

基准选取的不同将会对网的精度产生直接影响，其中包括GPS网基线向量解中位置基准的选择，以及GPS网转换到地方坐标系所需的基准设计。

另外，由于GPS尺度往往存在系统误差，也应提出对GPS网尺度基准的优化设计。

（1）GPS网位置基准的优化设计

研究表明，GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，使用测量时获得的单点定位值作为起算