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GPSRTK用于图根控制的研究的本科毕业论文
1绪论
1.1研究目及意义
GPS（GlobalPositioningSystem），即全球卫星定位系统，自问世以来，作为测量定位新技术，广泛应用于陆海空领域的导航和为测量，在大地测量及工程测量应用领域中产生了前所未有的影响，该系统可以在全球范围内全天候地为地面目标提供信息，从而确定该目标在地面上的精确位置、速度、运行方面等参数。
随着GPS技术的不断发展，其应用已遍及各种测量领域，特别是GPS实时动态插分RTK（RealTimeKinematic）技术的迅速发展和完善，在常规测量领域里越来越得到广泛的应用。
目前国内外GPS的应用领域主要分为导航与测绘两个方面。
（1）如今在导航领域，GPS技术根据需要已经开发出非常完善且功能强大的交通导航系统，主要功能包括信息查询、车辆跟踪、话务指挥、出行路线规划、紧急援救等。
（2）在大地测量、地籍测量、资源勘探中，GPS与传统的测量手段相比，也有着巨大的优势；在工程测量中，GPS可以用来建立各种道路工程控制网及测定控制点等；GPS技术同时也被应用于其他大型工程的控制测量中，其检测精度达到了毫米级，具有明显的经济和社会效益。
现今静态GPS越来越多地应用于高精度控制网的建立方面，采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度，与常规测量方法比较，静态GPS具有以下特点：
（1）操作简便，数据处理能力强。
常规的水准仪、经纬仪进行测量时，都要用笔进行现场的记录，并进行数据的限差计算。
RTK测量只要事先设定限差就可以对数据自动的进行取舍和记录。
测量结果可以直接导入计算机，不需人工输入。
（2）作业效率高，使用人员少。
常规的水准仪、经纬仪和全站仪等测量仪器，在进行测量时均需要经常地搬站，而且完成一项任务通常需要3、4个人一起工作。
GPSRTK技术在一般情况下，仅需一人操作，几秒钟就可取得坐标值。
在平坦地区，一次可测完半径为3．5～7kin的测区范围。
在山区时，可加设中转站，降低了搬站次数，提高了工作效率。
（3）与传统测量比较，作业条件要求减少。
传统的常规测量需要观测点间通视，并且还要在白天等有利的观测条件时观测等；而RTK受通视条件、能见度、气候、季节等因素影响和限制小，适于全天候作业等。
（4）作业自动化、集成化程度高、适用范围广。
常规测量仪器只能在某种工程中适用，而RTK以其独有的特点，在地形测绘、工程放样等方面均可独立完成。
（5）定位精度高，数据可靠，没有误差积累。
常规测量方法的作业中，路线往往都是连续的，误差很容易一站一站的积累下去。
RTK测量的是独立的点位，测量点之间不存在联系，因此误差不会积累。
常规测中人的操作占主导地位，难免会出现较大的偏差。
而RTK测量是自动进行的，过程中不需人为的读数等操作，所以测量数据比较稳定和可靠。
GPSRTK由于其不需要数据后处理就能得到厘米级的实时定位数据的特点，在测绘领域中大放异彩，与常规测量技术相比，它使测量工程缩短了工期，降低了成本，减少了人员的投入，使测量变得更加方便简单。
目前GPSRTK在测绘领域中已经应用于生产的方面有地形图测绘，碎部测量，道路中桩测量放样，横断面测量，纵断面地面线测量等，在满足测量精度的同时，也大大提高了作业效率，备受测量人士的青睐。
随着GPS应用领域的进一步扩展，既能满足实时测绘，又能满足精密导航的GPS技术成为人们研究的重点，为此开发出了实时载波相位差分GPS技术，也就是RTK（RealTimeKinematic）技术。
GPSRTK定位是基于GPS载波相位观测值的实时动态测量技术，它是由一台或多台基准站接收机、一台以上流动站接收机以及用于数据传输链组成的定位系统。
在GPSRTK作业模式下，基准站接收机借助数据链将其观测值及坐标信息发送给流动站接收机，流动站将采集到的GPS观测数据和接收来自基准站的数据组成差分观测值进行实时处理，求得流动站点的三维位置（X、Y、Z）。
GPSRTK的测量成果的精度与全站仪相比较不及全站仪，可靠性同样不及全站仪。
GPSRTK虽然作业实时快速，但是由于RTK的局限性，在不利情况下电子手簿上显示的高精度往往不能代表该RTK测量成果的精度，它缺少必要的检核条件，因此其测量成果的真实精度有多高，需要分析检验，也就是数据质量需要检核，因此这也就决定了RTK成果有必要进行检测与分析，如果轻易相信接收机手簿上的精度显示，采用这样的数据势必会影响施工的质量，造成重大的经济损失。
特别是稳定性方面观测数据的误差具体多大，或者从理论上来评价还值得研究，加之目前行业对RTK测量还没有一个统一的作业规范，因此在其测量精度和作业方式上众说纷纭，对GPSRTK测量结果的精度进行检测是十分必要的，是有其现实意义的，本论文正是基于这一点来提出研究。
因此论文主要研究以下两个方面：
（1）图根控制：
对GPSRTK获得的图根控制点的坐标的精度及可靠性进行研究；
（2）理论价值：
通过实际例子得到的数据进行比对，得出结论。
1.2国内外研究现状
GPS实时动态差分RTK技术是近年来出现的测量高新技术，实践证明其应用能大大提高工作效率，减轻劳动强度，成果质量可靠等，从而提高经济效益，给测绘工作带来了巨大的影响。
由于RTK容易受到卫星状况、外界环境等影响，加上不能像静态GPS测量有检核条件，因此RTK有其局限性，故RTK测量成果的精度和可靠性都需要进行验证。
针对GPSRTK的精度可靠性的研究，很多学者提出了很多精度分析的方法，比如列举影响GPSRTK测量的因素，提出改善影响因素条件来提高精度，如郭建东等[1]采用的方法是把数据和控制点进行对比，看看它们误差的差别。
但由于进行GPSRTK测量的时候，各点之间孤立，构不成几何图形，缺少检核条件，点位坐标接收精度的可靠性无法验证，很难估计，用坐标或边长差值的大小来判断测量成果的可靠性，但究竟多大的差值才能说明其精度可靠，并没有一个量度指标，黑志坚[2]出了测量成果的坐标检测法精度估计和测量成果的边长检测法精度估计的两种方式，有一定的理论和工程指导意义。
郭建东等的已知点位比较法，即作为测量起算数据的高级控制网，一般用静态GPS获得，具有很高的可靠性，可以通过将己知点纳入到测量链中的方式进行检查。
罗满建等[3]实际工程来验证精度，用静态观测值和真实值来对比GPSRTK的成果，从而来检核RTK数据。
潘宝玉[4]论正确求解坐标转换参数，合理设置基准站和限制作业半径，还有观测卫星的图形强度要高等来提高GPSRTK成果的精度。
不少学者对数据检验也提出了一些方法，如宋良学、王传海等[5]对精度进行了分析，还对可靠性来进行研究，通过改善影响GPSRTK的数据精度的因素来提高准确性，讨论GPSRTK的点的准确度和误差。
还有文章只从GPSRTK的技术上来研究其精度的问题。
朱正华等[6]出了五个方法来对GPSRTK的成果数据进行质量控制，如快速静态比较法，这种方法是在进行观测的同时，对某些点再进行一次快速静态观测，事后对这些点的成果和快速静态成果进行比较分析，通过两种作业模式的比较，来检查动态初始化的可靠性以及数据链的稳定性，从而检查成果是否有质量问题。
复测比较法：
这种方法有两方面的含义：
其一，是在每次迁移基准站后先复测前一基准站上已测过的点1-3个，并现场比较其成果，从而判断数据链工作的可靠性，确认没有问题以后，才进行新的观测；其二，是在每次重新初始化成功后，先复测附近已测过的点l-3个，现场比较其成果，从而判断这次的初始化是否正确可靠，确认初始化没有问题以后，才进行新的观测。
其次还有电台变频法：
其原理就是这种方法是在测区内建立两个或两个以上的参考站，每个参考站都用各自不同的频率发射差分改正数据；流动站进行观测时，其电台配有变频开关，可以选择接收不同的参考站发射的差分改正数据，从而在每个点上实时地接收某一个参考站的差分改正数据，即可获得1个成果。
此后电台切换为另一个频率，又可接收到另一个参考站的差分改正数据，得到同一点的另一个成果，实时地比较多个成果的数据，就可以判断这次观测有无质量问题，该方法具有实时性，是数据质量检核的一个创新。
其他还有穿线比较法，这种方法和复测比较法略有不同，是在某一部分测区的测量基本完成后，重新布测1条测量链，用于对整个测区内的成果进行质量控制，该测区内每一条测量链上取1个点，组成新的l条测量链，即根据新布测的新链的成果来判断该测区内全部的测量链是否有质量问题。
张志勇[7]分别在不同的已知点上做基站从而对比测量结果的质量；但通过GPSRTK获得的点的坐标的成果质量还不可靠。
赵军[8]RTK测量的过程中，发现RTK工作时存在时间段的影响。
张子江[9]GPS测量数据来检核RTK数据的精度，从而对RTK的精度做了一些重要的分析，张孝军[10]表探讨了基站距离对GPSRTK测量精度的影响，对本文研究精度有很好的指导意义，总之这些学者为检核GPSRTK数据结果的精度和可靠性研究都提了很多值得借鉴的方法，为继续研究GPSRTK数据结果的精度分析有一定的指导意义。
在探讨GPSRTK定位的精度分析中，国外的研究学者对GPSRTK测量过程进行了分析，如Jaysatalich[11]对天宝的GPS仪器进行RTK测试，发现其仪器的精度在正常情况下，观测的距离可以达到10km，平面的精度都在厘米级；El-Mowafy[12]过研究高度角与GPSRTK的结果的误差大小关系，发现高度角对RTK测量结果有很大的影响，从而来研究RTK的精度问题，A．Nickitopoulou，K.Protopsalti，S．Stiros[13]过分析GPS在建筑物测量时来研究GPS测量数据的精度，并分析高度角大小对GPS测量成果的影响，从而来分析结果的准确性，JinjunGuo[14]过研究GPSRTK在桥梁中的应用，继而来研究探讨RTK成果的精度，得到了一些重要的结论，总之很多国内外学者都对RTK测量结果进行精度与可靠性的研究，这些研究成果都值得参考与学习，为今后研究分析RTK的精度有着重要的意义。
RTK技术虽然是GPS应用的一个飞跃，极大的拓展了GPS的使用空间，使GPS从只能做平面控制测量的局面中摆脱出来，而开始广泛应用于工程测量，但RTK技术有着一定的局限性，主要表现为：
用户需要架设本地的参考站，使流动站和参考站距离受到限制（<15km）。
网络RTK技术解决了上述局限。
网络RTK系统是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统，网络RTK系统包括3个部分：
控制中心、固定站和用户部分。
控制中心（Controlcenter）为整个系统的核心，它即是通讯控制中心，也是数据处理中心。
它通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS⋯）与移动用户通讯。
由计算机实时控制整个系统的运行。
目前国内很多地方都在建立CORS系统，连续运行跟踪站的建设已经进入蓬勃发展的阶段，因此有必要对网络RTK系统的技术及其应用现状进行一些研究。
1.3论文主要内容
论文主要研究内容：
（1）简要介绍GPSRTK的基本测量原理。
（2）三等导线测量与RTK测量成果对比、检测分析，从而来检测RTK成果的质量。
（3）采用静态GPS测量的方法解算出一些点的精确坐标，用这些比较可靠点的坐标来检核GPSRTK测量成果，检验RTK测量成果的质量。
2GPSRTK定位原理
2.1GPS测量原理
2.1.1GPS系统简介
GPS全球定位系统是美国国防部门主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。
该系统从20世纪70年代开始设计、研制，历经23年进入全功能使用阶段，GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
因此，发展全球定位系统（GPS）已成为美国导航技术现代化的最重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就。
GPS最初主要用于军事和涉及到国家重要利益的民用领域，可实现飞机舰船的导航、目标定位、部队调动、武器的精确制导等。
鉴于GPS巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将GPS向民用领域免费开放，同时在2000年5月1日起停止SA政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高。
现在GPS已发展成为一个高速成长的产业，广泛应用于目标定位、航海航空、测量等民用行业。
目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术等许多领域，如大地测量、资源勘测、航空、卫星遥感、运动物件的定位和测速以及精密时间的传递。
整个GPS系统由三部分组成：
空间部分；地面控制部分；用户设备部分。
（1）空间部分—GPS卫星星座
全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。
卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。
卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55o，各轨道平面升交点的赤经相差60o。
在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30o，轨道平均高度约20200km，卫星运行周期为11小时58分。
因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。
每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可以达11颗。
（2）地面控制部分（地面监控系统）
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。
主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星。
替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。
监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、狄哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、狄哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。
（3）用户设备部分（主要是各种型号的接收机）
GPS接收机可以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，甚至三维速度和时间。
2.1.2GPS系统原理及其特点
GPS系统原理是利用GPS进行定位的基本原理，就是把卫星视为“飞行”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间距离或距离差为观测值，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。
GPS定位的方法主要有两类：
伪距法、载波相位测量法。
下面简要介绍一下这两种定位方法的原理。
（1）伪距法定位原理
GPS定位采用的是被动式单程测距。
由于卫星发射信号时刻由卫星钟确定，接收信号时刻由接收机钟确定，因此在测定卫星至接收机的距离中，不可避免的产生两台钟不同步的误差影响，由卫星钟、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与卫星到接收机的几何距离有一定差值，所以称其为伪距。
伪距法定位原理是：
在某一瞬时利用GPS接收机测定至少四颗卫星的伪距，根据己知的卫星位置和伪距观测值，采用交会法即可求得接收机的三维坐标和时钟改正数。
伪距法定位的数学模型为：
[（
）2+（
）2+（
）2]1/2–cδtk=ρj+δρ
+δρ
–cδtj（2-1）
式中：
j-卫星号；
ρj-接收机距第j颗卫星的伪距，cδtk-接收机钟差；
cδtj-第j颗卫星号瞬间的钟差，δρ
，δρ
-分别为电离层和对流层的改正项。
（2）载波相位定位原理
载波相位测量采用波长较短的非码测量系统，把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。
载波相位测量原理如下：
若卫星S发出一载波信号，该信号在某一时刻在接收机R处产生的相位为ФR，在卫星S处的相位为ФS，若载波相位波长为A，则卫星S至接收机R的距离为ρ=λ（ФS-ФR），但无法测到ФS，如果使接收机的震荡器产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，就使问题迎刃而解，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位就等于卫星处载波信号的相位。
因此载波相位观测量（ФS-ФR）就等于接收机接收到的卫星信号与接收机产生的基准信号的相位之差Ф（rb）-Ф（ra），因此根据某一瞬间的载波相位测量值就可求得该瞬间从卫星到接收机的距离ρ值。
（3）GPS系统基本特点
从1978年发射的第一颗GPS试验卫星至今，人们利用该系统进行了大量的定位应用及相关研究，GPS系统具有以下几个主要特点：
1）全球覆盖连续导航定位。
GPS有24颗卫星，且分布科学合理，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可以连续同步地观测4颗以上卫星，实现全球、全天候连续导航定位。
2）高精度三维定位。
GPS能连续为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。
3）实时导航定位。
利用GPS进行导航定位即可完成一次定位，对高动态用户尤其重要。
4）被动式全天候导航定位。
这种导航定位不仅除蔽性好，而且可以容纳无数多用户。
5）抗干扰性能好、保密性强。
（4）GPS与传统测量技术的比较
GPS定位技术在各种控制测量中得到广泛应用，从1982年第一代测量型无码GPS接收机投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，都得到了蓬勃的发展。
目前，GPS定位技术所达到的定位精度，使测量工作的模式，理念产生了革命性的变化，相对传统的测量技术来说，GPS定位技术主要有以下特点：
1）两站点之间不用通视。
2）GPS测量精度受天气（雨、雪、温度高低和湿度大小）影响很小。
3）GPS测量的速度快于传统测量方式。
4）GPS提供全球统一的坐标结果。
5）GPS测量的数字结果能方便地传输到地图或GIS系统中。
2.1.3GPS网的布设
GPS网的设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网的设计包括网型构造、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。
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。
GPS控制网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多。
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）为了便于观察，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。
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，即有不同时段的基线构成图形。
GPS的网中的异步环实质上仅起到了多余观测的作用，是剔除粗差的有效手段。
和传统的测量手段相比，GPS外业操作中除了量取天线高度及仪器的对中整平外，几乎没有其它的人为误差因素；对于在较短时间内完成的一段GPS网，系统所引起的粗差会在整个网中体现，而单条基线只要观测条件满足，基线解算良好，应认为其结果可靠。
控制网的可靠性是用于衡量网辨别粗差，抵抗粗差影响能力的度量指标，一般分为内可靠性指标和外可靠性指标。
内可靠性是指在一定的置信水平和检验功效下，可以发现网中存在的粗差的最小值，即当粗差为多大时，可以在网中发现并指出。
外可靠性是指不可发现的粗差对网的坐标未知参数的影响，即未能发现的粗差对测量成果的影响值。
进行控制网的可靠性设计，首先应给出相应的可靠性设计标准，即可靠性指标的确定，由于GPS控制网观测与传统控制网大相径庭，所以，GPS控制网可靠性指标的确定，既有与传统控制网相同的地方，也有许多不同之处。
因此，可根据GPS网的特点，在网的设计阶段考虑网的可靠性，以发现尽可能小的粗差和减少不可发现的粗差对网的坐标未知参数的影响。
GPS网的优化设计中，应当根据网的用途，提出确定网的基准的方法和原则。
我们布设GPS网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。
而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。
在GPS网的整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量和绝对观测量。
在仅含有相对观测量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中作为相关观测量的基线向量唯一地确定。
而网的位置基准，则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。
在GPS网包含点的坐标观测量的情况下，网的位置基准，取决于这些网点的坐标值及其精度。
GPS网的基准设计，一般主要是指确定网的位置基准问题。
通常可根据情况，选取以下方法来确定：
（1）在网中选若干点的坐标值并加以固定。
（2）选网中若干点（直到全部点）的坐标值并给以适当的权。
1）选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权。
2）网中的点均不固定，通过自由网拟合平差，确定网的位置基准。
前两种方法，对平差计算则存在若干约束条件，其约束条件的多少，取决于在网中所选点的数量，这种方法通常称为约束法。
而后两种方法，对GPS网定位的约束条件最少，所以通常称为最小约束法；
约束平差法，在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，其影响程度与约束条件的多少及所取观测值的精度有关。
当网中已知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响。
虽然从理论上说，在网的平差计算中，给所有位置赋以适当的权，是最为严格的方法，但是，如何确定已知位置的权，及其与网中其它观测量权的比例关系，则是一个需要慎重考虑的问题。
以最小约束法进行GPS网的平差，对网的定向与尺度没有影响，也就是说，不管采用上述哪种最小约束法，平差后网的方向和尺度，以及网中元素（边长、方位或坐标差）的相对精度都是相同的，但网的位置及点位精度却不相同。
在一般情况下，对于一些区域性的GPS网，如城市、矿山和工程GPS网，是否精确位于地心坐标系统，并不特别重要，因此，这时应多采用最小约束平差法。
但对于一个大范围的GPS网，而且要求精确地位于WGS-84协议地球坐标系时，或者在具有一组分布适宜的，高精度的已知点时，为改善GPS网的定向和尺度，考虑约束平差法才有意义。
2.2GP
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