gnss测量在工程中的应用本科学位论文.docx
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gnss测量在工程中的应用本科学位论文
毕业论文（设计）
GNSS在开封市夷山大街北延线路
测量中的应用
学生毕业设计指导教师意见
设计课题：
GNSS在开封市夷山大街北延线路测量中的应用
指导教师意见：
是否同意参加答辩：
同意（）不同意（）
指导教师签名：
GNSS在开封市夷山大街北延线路测量中的应用
摘要
GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。
本文以GNSS在开封市夷山大街北沿线路测量记述了GNSS的原理，GNSS控制网的布设与实施方案，GNSS静态和动态测量的内容、方法和步骤，以及GNSS数据处理软件进行GNSS网的平差计算。
最后分析GNSS在测量中应注意的问题和事项。
关键词：
GNSS，GPS动静态测量，线路平面控制网
1绪论
1.1任务来源
2014年起，开封市将逐步构建“六环、九横、十二纵”大交通体系，实现水系贯通、城墙贯通、城市环道基本贯通，明、后两年“两改一建”要围绕“三贯通一改造”来实施。
如图所示：
开封市将在北至连霍高速、东至京开高速、南至郑民高速、西至郑东高速，面积约350平方公里范围内构建“六环、九横、十二纵”大交通体系。
一环为龙亭北路、内环路、包公湖南路、西坡北街、法院街、西顺城路构成的环形道路；二环为内顺城路构成的环形道路；三环为东京大道、东环路、公园路、滨河路、西环路构成的环形道路；四环为复兴大道、东平路、机场北路、金明大道构成的环形道路；五环为外环快速路构成的环形道路；六环为连霍高速、京开高速、郑民高速、郑东高速构成的环形3道路。
1.2测区概况
本次任务为夷山大街北延工程，位于开封市金明区夷山大街与东京大道交叉口往北至连霍高速公路。
开封市坐落于广袤的豫东平原之上，境内无山，河流、湖泊较多，气候温和，雨量充足，地上地下水资源丰富，自然生态环境较好。
开封古称汴梁，开封是我国七大古都之一，河南省中原城市群和沿黄“三点一线”黄金旅游线路三大中心城市之一。
全市总面积6444平方公里，人口480万，其中耕地面积363.4千公顷，市区面积359平方公里，市区人口80万，辖尉氏县、杞县、通许县、兰考县、开封县五县和鼓楼区、龙亭区、禹王台区、顺河回族区、金明区五区。
开封界于东经113°51′51″—115°15′42″，北34°11′43″—35°11′43″。
海拔69米至78米。
工程位于开封市境内，属豫东黄河冲击平原，地势较平坦，唯有起伏，该路段位于黄河附近的自然灌溉区，沿线多为水稻田，旱田，沿线地表土为低液限黏土和含有有机质低液粘土。
该路段所处大区按公路自然区别为东部湿润季节，冻区中的鲁豫轻冻区。
1.3任务概述
为了进行工程规划建设，需要在夷山大街北延工程为中心，约3K㎡的范围内选点并布设国家GPS控制网，然后用GNSS静态定位测得各点的平面坐标和高程。
第二步要用GNSS动态定位的方法测量并在南方Cass测图软件上画出夷山大街北延工程的1:
1000带状地形图，要求宽度为150m，最后将夷山大街北延工程的20m红线画在电子地图上。
1.4技术要求
GNSS测量控制网技术设计的主要依据是GNSS测量规范（规程）。
GNSS测量规范（规程）是国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，目前GNSS网设计依据的测量规范（规程）有：
①1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》；
②各部委根据本部门GNSS工作的实际情况制定的其它GNSS测量规程或细则；
③本次毕业设计的任务书及指导书。
1.5仪器的选择
（1）GNSS静态定位测量
外业：
GPS接收机4台，基座四个，，三脚架四个，小钢尺四把，电池若干，观测手薄若干页。
内业：
计算机四台，移动硬盘一个。
（1）1:
1000GNSS动态带状地形图测量
外业：
GNSS-RTK接收机三台，对中杆三根，电子手薄三个，皮尺一把，水泥钉若干，斧头一把，油漆一盒。
内业：
计算机四台，移动硬盘一个。
1.6作业流程
为了更好的组织任务的实施计划，并使内、外业工作能够合理协调，更加直观形象的显示出大致工作，现制订如下工作流程表：
GPS静态测量
数字地图绘制
全站仪补测
碎步点测量
数据传输及处理
静态外业观测
踏勘选点
GPS控制网的布设
GPS-RTK测量
检查验收
成果汇交
图1.6工作流程图
1.7测量外业管理
①测量外业作业前，测量人员必须明确测量任务和设计意图。
②测量外业作业要认真、仔细、随时检查，做好原始记录，做到测量成果具有可追溯性，原始记录本分类归档保存。
③测量外业数据、外业观测记录进行100％复核，确保原始记录及外业结果正确无误。
④测量外业实行测量人员签名校核制度，并进行自检、互检、专检。
⑤外业观测结束，要做好与其它人员的交接工作。
1.8测量内业管理
①确保数据的完整无误。
②运用专用软件进行数据处理。
③计算过后又专业老师进行校验检查方可投入使用。
1.9测量人员安全防护
进入测量现场，测量人员必须穿戴好制服，在遇到危险的环境时要在确保自己安全的情况下在进行测量工作，自觉遵守《安全条例》。
1.10测量仪器安全防护
阳光下以及雨天，测量仪器配备测量专用伞。
不可摔仪器，以及恶意的损坏仪器。
严格按照操作规程作业，做好仪器设备的保养、周检、年检工作，并定期对仪器设备的各项性能指标进行检查。
1.11本次设计目的和意义
①总结在校期间的学习成果，在掌握工程测量专业各门课程的基础上，是所学的理论知识得到巩固、扩大、深入和系统化。
②培养综合运用所学知识，解决实际工程问题的能力，掌握GNSS静态和动态测量的内容、方法和步骤。
③训练和提高编写设计文件的能力，采用GNSS数据处理软件进行GNSS控制网的平差计算，以适应控制，工程测量和GNSS测图的需要。
④提高独立钻研问题的能力，培养严肃认真，爱护仪器设备和实事求是的工作态度。
2GPS测量原理
2.1GPS原理
2.1.1GPS系统的组成
GPS（GlobalPositioningSystem）是美国研制的导航、授时和定位系统。
它由三部分构成（如图2.1所示）：
一是地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下向卫星注入导航电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上；三是用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
用户只需购买GPS接收机，就可享受免费的导航，授时和定位服务。
GPS系统的空间部分有21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个相对于赤道的倾角为55度的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地面的平均高度为20200km，运行周期为12恒星时。
GPS卫星星座均匀覆盖着地球，可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少4颗GPS卫星。
图2.1GPS的系统组成
2.1.2GPS测量的坐标系统
（1）WGS-84坐标系
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系统的全称是WorldGenocidalSystem-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
WGS-84系所采用椭球参数为：
a=6378137mf=1/298.257223563
（2）1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。
该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：
a=6378245mf=1/298.3
（3）1980年西安大地坐标系
1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差是在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。
1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数采用了IAG1975年的推荐值，它们是：
a=6378140mf=298.257.椭球参数如表2.2所示
表2.1椭球参数表
WGS-84
北京54
西安80
长半轴
6378137.0
6378245．0
6378140．O
扁率
1.0/298.257223563
1．0／298．3
1．0／298．257
第一偏心率
0.00669437999014132
0.0066934216229659
0.006694384999588
椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。
（4）站心地平直角坐标系
以测站Pi在参考椭球体的法线方向为Z轴，以测站大地子午线北端与大地地平面交线为X轴，大地平行圈东端与大地地平面交线为Y轴，构成站心空间直角坐标系。
由于这种坐标系与测区很好的结合，所以经常被采用。
2.1.3GPS工作原理
，GPS系统包括三大部分:
地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分,各部分均有各自独立的功能和作用,同时又相互配合形成一个有机整体系统。
对于静态GPS测量系统,GPS系统需要二台或二台以上接收机进行同步观测,记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间的精密WGS-84坐标系统的基线向量,经过平差、坐标转换等工作,才能求得未知的三维坐标。
现场无法求得结果,不具备实时性。
对于动态GPS测量，基准站把接收道的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息（如基站坐标天线高等）都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。
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并将基准站的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得未知点的坐标
2.1.4GPS的应用
GPS定位系统的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。
GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，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。
（1）GPS在大地测量中的应用
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，也可用于改造和加强原有的国家大地控制网；可用于建立陆地海洋大地测量的基准，进行海洋测绘和高精度的海岛陆地联测；用于监测地球板块运动和地壳形变；在建立城市测量和工程测量的平面控制网时GPS已成为主要方法；GPS还可用于测定航空航天摄影的瞬间位置，实现仅有少量的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。
（2）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、飞机场轴线定位、地铁精密导线测量、隧道贯通测量、电网GIS数据采集等精密工程。
（3）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。
可以极大地减少地面控制点的数目，缩短成图周期，降低成本。
（4）在其他领域中的应用
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；在水下地形测量中应用GPS卫星定位技术，可以快速、高精度地测定测深仪的位置；还有在公安、交通系统中给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力；在农业领域中应用差分技术对土壤养分分布调查、监测作物产量、合理施肥、精确农业管理以及在林业管理和旅游中的应用。
今后，GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。
2.1.5GPS的特点
GPS定位技术自从应用于测量工程，就以其特有的自动化、全天候、高精度的显著优势令经典大地测量刮目相看，具体表现在以下几个方面：
（1）选点灵活
在经典大地测量中，即要求点位之间的良好的通视条件，又要求点位形成良好的图形结构，这是长期困扰选点工作的难题，而GPS定位既不要求点位之间通视，又对点位图形结构没有过苛要求，使点位的选择极为灵活。
（2）精度高
实践已经证明，在1000km的距离上，相对定位精度可以达10-8；在100~500km的距离上，相对定位精度可以达到10-6—10-7；在小于50km距离上，相对定位精度可以达到10-6。
而另一方面，又无须建造测量高标。
它们的优越性是经典大地测量工作无法攀比的。
（3）操作简便
GPS定位的自动化程度很高，作业人员只限于安置仪器、开关仪器、量取仪器高和监视工作状态，其他如卫星捕获、跟踪观测、数据采集等均由仪器自动完成，加之仪器本身质量轻，体积小，携带方便，大大降低了作业难度，提高了功效。
其次，GPS定位的结果，可以直接提供点的三维坐标，不仅可以精确确定点的平面位置，也为研究大地水准面的形状和确定地面点高程开辟了新途径。
（4）全天候作业
GPS定位不受天气条件制约，可以在任何时间、任何地点从事作业，加之观测时间缩短、速度加快，便利了人们对测量工程的统筹安排，使工程计划具有较大的可行性，为准确、快速地提供测绘成果成为可能。
随着科学技术的进步和应用需求的增加，GPS已从当初的性能单一发展到今天的广泛应用。
GPS以其独特的、强大的功能，涉足于国民经济的各个领域。
尤其是近几年来向消费市场发展的势头很强，它已进入我们的日常工作、学习、生活和娱乐之中。
GPS已成功地应用于大地测量和城市控制网；正在试验应用于民用飞机的航线导航和精确进场着陆；应用于陆地车辆的智能交通指挥与管理；应用于地球资源勘察、大型工程项目设计测量与形变监测；应用于航测与卫星遥感等。
GPS技术的高精度和自动化深刻地影响着地球动力学、大地测量学、天文学及其相关学科领域，它在这些基础学科的应用研究与开拓工作方面都取得了迅速的发展和卓越的成就，展示了GPS巨大的优势和潜力。
在21世纪GPS将继续成为军民两用的系统，既要更好地满足军事需要，也要扩展民用市场和应用的范围。
GPS技术在各方面的应用正在蓬勃发展，可以相信，它正在向军用、民用及其他各个领域不断渗透与应用，也必将朝者更宽广的范围和更深刻的层次迅速发展。
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，从其发展趋势看，GPS卫星定位技术也更加深入和普及测绘领域，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
2.2GPS静态原理
GPS测量工作与经典大地测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。
其中：
外业工作主要包括选点（即观测站址的选择）、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。
如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：
技术设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理。
GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，对这项工作总的原则是，在满足用户要求的情况下，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和实施。
2.2.1作业模式
GPS测量的作业模式是指利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。
它主要由GPS接收设备的软件和硬件来决定。
不同的作业模式其作业的方法和观测时间亦有所不同，因此亦有不同的应用范围。
2.2.2GPS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GPS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，GPS网的图形设计和GPS网的基准设计。
2.2.3测量的精度标准
对GPS网的精度要求，主要取决于GPS网的用途。
精度指标通常均以GPS网中相邻点之间的距离误差来表示，其形式为
（2.1）
其中，——GPS网中相邻点间的距离误差（mm）；
——与接收设备有关的常量误差（mm）；
——比例误差（ppm）；
——相邻点间的距离（km）。
根据GPS网的不同用途，其精度可划分为如表1—1所列的五类标准。
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。
表2.2不同级别GPS网的精度标准
类别
测量类型
常量误差
（mm）
比例误差
（ppm）
A
地壳形变测量或国家高精度GPS网
≤5
≤0.1
B
国家基本控制测量
≤3
≤1
C
控制网加密，城市测量，工程测量
≤10
≤5
D
控制网加密，城市测量，工程测量
≤10
≤10
E
控制网加密，城市测量，工程测量
≤10
≤20
2.2.4GPS网的图形设计
GPS网的图形设计虽然主要决定于用户的要求，但是经费、时间和人为的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与GPS网的设计有关。
对此应当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下尽量减少消耗。
为了满足用户的要求，设计的一般原则是：
①GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性。
②GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合。
重合点一般不应少于3个（不足时应联测）且在网中应分布均匀，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
③GPS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（或相当精度的方法）进行联测，或在网中设一定密度的水准联测点，以便为大地水准面的研究提供资料。
④为了便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方。
⑤为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
方位点与观测站的距离，一般应大干300米。
根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形。
图形的基本形式如下：
（1）三角形网
GPS网中的三角形边由独立观测边组成。
根据经典测量可知，这种图形的几何图形几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效的发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。
同时，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
但其观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长，因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高，接收机数目在三台以上时，才单独采用这种图形。
见图1-1。
（2）环形网
环形网是由若干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，这种网形与经典测量中的导线网相似，图形的结构比三角形稍差。
此时闭合环中所含基线边的数量决定了网的自检能力和可靠性。
一般来说，闭合环中包含的基线边不能超过一定的数量。
根据有关规范，对闭合环中基线的边数有以下限制；
最简独立闭合环或符合路线边数的规定
表2.3路线边数规定表
级别
A
B
C
D
E
路线边数
≤5
≤6
≤6
≤8
≤10
环形网的优点是观测工作量较小，且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。
作为环形网特例，在实际工作中还可以按照网的用途和实际的情况，采用所谓附合线路。
这种附合线路与经典测量中的附合导线相似。
采用这种图形的条件是，附合线路两端点间的已知基线向量，必须具有较高的精度，另外，附合线路所包含的基线边数，也不能超过一定的限制。
见图1-2。
图2.4三角形网图2.5环形网图2.6星形网
（3）星形网
星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力较差。
这种网的主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。
因此在快速静态定位和动态定位等快速作业模式中，大多采用这种网形。
它广泛用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。
见图1-3。
三角形和环形网，是大地测量和精密工程测量中普遍采取的两种基本图形。
用户还可以根据实际情况采用上述两种图形的混合网形。
2.2.5基线长度
GPS接收机对收到的卫星信号量测可达毫米级的精度。
但是，由于卫星信号在大气传播时不可避免地受到大气层中电离层及对流层的扰动，导致观测精度的降低。
因此在GPS测量中，通常采用差分的形式，用两台接收机来对一条基线进行同步观测。
在同步观测同一组卫星时，大气层对观测的影响大部分都被抵消了。
基线越短，抵消的程度越显著，因为这时卫星信号通过大气层到达两台接收机的路径几乎相同。
因此，建议用户在设计基线边时以20公里范围以内为宜。
基线边过长，一方面观测时间势必增加，另一方面由于距离增大而导致电离层的影响有所增强。
2.2.6GPS网的基准
在全球定位系统中，卫星主要视作位置已知的高空观测目标。
所以，为了确定接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常归化到统一的地球坐标系统。
现在全球定位系统采用的WGS－84坐标系统，是一个精确的全球大地坐标系统。
而我国的国家大地坐标系采用的是1954北京坐标系及1980西安坐标系。
通常在工程测量中，还往往采用独立的施工坐标系。
因此，在GPS测量中必须确定地区性坐标系与全球坐标系的大地测量基准之差，并进行两坐标系统之间的转换。
中海达HD2003后处理软件很方便就可实现WGS－84、54坐标系、80坐标系中空间直角坐标、大地坐标及高斯平面直角坐标之间的转换，并且可以采用高斯投影或UTM投影在任何独立坐标系中进行网平差处理。
2.3GPS-RTK动态原理
2.3.1GPS动态定位（测量）
GPS动态定位（测量）是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，这些状态参数包括三维坐标、三维速度和时间七个参数。
（1）GPS动态定位的应用
导航–探险、车辆、船舶、航空器等
跟踪、监控与调度–车辆、船舶、航空器等
制导–武器制导、自动驾驶等
定轨–卫星、航天器等
姿态确定–卫星、航天器、航空器等
测量–测图、放样、监测等
导航，是测得运动载体的状态参数，并导引运动载体准确地运动到预定的后续位置。
（2）GPS动
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