沪杭甬铁路GPS静态控制测量及其数据处理数字测图毕业论文1 精品.docx
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沪杭甬铁路GPS静态控制测量及其数据处理数字测图毕业论文1精品
黄河水利职业技术学院
毕业论文
沪杭甬铁路GPS静态控制测量
及其数据处理
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黄河水利职业技术学院毕业设计登记表
年月日
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专业
工程测量
班级
工程测量0908班
设计题目
沪杭甬铁路GPS静态控制测量及其数据处理
指导教师意见：
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指导教师签名：
沪杭甬铁路GPS静态控制测量
及其数据处理
苏润全
（黄河水利职业技术学院，河南开封475003）
摘要
随着科学技术的不断向前发展，社会的不断进步，现代国家建设进入了一个新的阶段，许多新的施工项目对生产要求以及自动化流程、生产过程控制、产品质量检验与监测等有了更高的要求。
在当前形势下出现许多先进的地面测量仪器，为工程测量提供了先进的技术工具和手段，如：
光电测距仪、精密测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、数字水准仪、激光准直仪、激光扫平仪等，为工程测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了有利的条件，改变了传统的工程控制网布网、地形测量、道路测量和施工测量等的作业方法。
我国基础建设进行的如火如荼，在大型铁路施工项目中，工程测量更是不可缺，而传统工程测量技术越来越不能满足当前工程精度要求，及其效益的提高。
随着科学技术的进步以及工程测量的发展，高精度、高效率的GPS测量技术正逐步取代传统的测量工具，可以说GPS的出现给测绘领域带来了根本性的变革。
GPS系统的建立为测绘工作提供了一个崭新的定位测量手段。
由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而在城市与工程控制网的建立、更新与改造中得到了日益广泛的应用。
应用GPS建立控制网，通常是采用载波相位的相对定位方法得到GPS基线向量，GPS控制网就是由GPS基线向量构成的测量控制网。
与常规地面控制网相比，GPS控制网的数据处理有其自身的特点，其数据处理主要包括基线解算、网平差两部分，对于GPS工程控制网，还应考虑将坐标成果转换到工程实用的坐标系中。
本文阐述了GPS系统的由来及特点，系统的基本构造以及定位原理，误差来源以及应用。
基于其在现实生活中的不断应用，探讨了GPS测量技术在工程测绘中的应用。
并介绍了GPS静态数据处理的全过程，直到最后成果的输出验收。
[关键词]：
GPS控制测量；数据处理；成果检验
目录
第1章绪论1
1.1测量任务概述1
1.1.1任务概述1
1.1.2测区概述1
1.2GPS系统的组成1
1.3GPS应用2
1.4GPS测量的技术特点3
第2章GPS静态测量布网方式及精度要求5
2.1GPS静态测量的含义5
2.2GPS测量的精度指标5
2.3GPS网的图形设计6
2.3.1GPS网形设计的一般原则6
2.3.2GPS网的链接方式7
2.3.3GPS图形设计注意事项8
2.4GPS控制测量的外业工作8
2.4.1选点与埋设标志8
2.4.2外业观测9
第3章静态数据处理10
3.1华测X90仪器介绍10
3.2数据处理过程10
3.2.1任务的建立10
3.2.2坐标系统的建立11
3.2.3数据的导入13
3.2.4基线的处理14
3.2.5网平差16
第4章数据成果检查及输出19
4.1成果检查19
4.1.1基线向量及改正数、（Tau）检验19
4.1.2X平方检验19
4.1.3平面距离平差值21
4.1.4平面坐标22
4.1.5高程拟合坐标22
4.2成果提交23
4.2.1成果输出23
4.2.2坐标输出成果23
第5章总结24
参考文献25
致谢26
附录一27
附录二30
附录三31
第1章绪论
1.1测量任务概述
1.1.1任务概述
本次实习期间，主要的实习项目是GPS静态测量，工作的具体地点位于浙江省绍兴市以及宁波等地区，主要的工作是沪杭甬铁路的静态控制测量工作，我们位于GPS组所以测量工作就落在了我们五个测量人员的身上，我们克服重重困难最后顺利的完成了任务。
1.1.2测区概述
本测区沪杭甬铁路位于西起杭州市，东到上海，是全国铺展高铁项目的一个分枝，沪杭甬高速铁路是浙江开建的第一条高速铁路，途经嘉兴、杭州、绍兴、宁波四个地市，全长248公里。
素有“浙江第一路”之称。
它不仅是浙江接轨大上海的“黄金通道”，还是“宁波—舟山港”、绍兴中国轻纺业货物集疏运输的“主渠道”。
沿线还分布着萧山、海宁、慈溪等浙江2/3的全国社会经济综合。
它也是国内第一条在不中断交通、不对车辆进行分流的情况下，按照“边营运、边施工”方式实施拓宽改造的高速铁路。
1.2GPS系统的组成
GPS定位系统由三部分组成，即GPS卫星（空间部分）、地面监控系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分）。
一．空间部分
1.GPS卫星
GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。
太阳能电池为卫星提供工作用电。
每颗卫星装有微型处理器、大容量的存储器和四台原子钟（发射标准频率、提供高精度的时间标准）。
GPS卫星的基本功能是：
（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；
（2）进行部分必要的数据处理工作；
（3）通过高精度的原子钟提供精密的时间标准；
（4）向用户发送导航电文与定位信息；
（5）在地面战的指令下卫星姿态和启用备用卫星。
2．GPS卫星星座
GPS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个轨道平面内，每个轨道平面内分布由4颗卫星。
卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55度，卫星平均高度约为20200km，卫星运行周期为11h58min。
二．地面监控部分
GPS的地面监控部分主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。
控制站位于科罗拉多斯普林斯（ColoradoSprings）的联合空间执行中心（CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基础上，及大西洋的阿松森（Ascension）岛、印度洋的的哥加西亚（DiegoGarcia）和太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein），五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。
地面监控部分总的功能是：
确定卫星轨道；保持GPS系统处于同一时间标准；监视卫星“健康”状况。
1.监测站
监测站为数据采集中心，它的设备及相应功能包括：
（1）双频GPS接收机：
对卫星进行连续观测和检测卫星工作状态；
（2）高精度原子钟：
提供时间标准；
（3）若干台气象数据传感器：
收集当地的气象资料；
计算机：
将以上资料进行处理、存储并传送给主控站。
2．主控站
主控站为地面控制系统的调度指挥中心，主要设备为大型电子计算机。
主控站的主要功能是：
（1）根据各监测站送来的资料，编制导航电文，送往注入站；
（2）提供GPS系统的时间基准，送往注入站；
（3）调度卫星（调整失轨卫星、启用备用卫星）。
3．注入站
注入站向每颗GPS卫星输入导航电文及控制指令。
主要设备包括一台直径为3.6m的天线、一台S波段的发射机和一台计算机。
其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统。
1.3GPS应用
一．主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。
例如：
（1）船舶远洋导航和进港引水
（2）飞机航路引导和进场降落
（3）车自主导航
（4）地面车辆跟踪和城市智能交通管理
（5）紧急救生
（6）个人旅游及野外探险
（7）个人通讯终端（与手机,PDA,电子地图等集成一体）
二。
GPS应用于授时校频
（1）电力,邮电,通讯等网络的时间同步
（2）准确时间的授入
（3）准确频率的授入
三。
GPS应用于高精度测量
（1）各种等级的大地测量,控制测量
（2）道路和各种线路放样
（3）水下地形测量
（4）地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测
（5）GIS应用
（6）工程机械（轮胎吊,推土机等）控制
（7）精细农业
1.4GPS测量的技术特点
GPS在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统能为全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。
相对于常规的测量方法来讲，GPS测量主要有以下一些特点。
1.功能较多、应用广泛GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。
因此它不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时。
2.定位精度高GPS的大量工程应用表明，其相对定位精度在50km以内，相对定位精度可达1×10-6~2×10-6，100~500km可达到10-7，1000km以上可达到10-9。
在300~1500m工程精密定位中，lh以上观测的解，其平均平面误差小于1mm。
GPS在高层建筑的基准传递中，其绝对位置平面精度优于+5mm，高程精度优于+8mm。
3.观测时间短利用GPS可进行实时导航定位，这对高动态运动载体的导航显得尤为重要。
当用GPS接收机作静态相对定位（边长小于15km）时，采集1h之内的数据，即可获得较高的定位精度。
两台仪器每天正常作业至少可测定4条基线。
如果采用快速静态定位模式，对于双频接收机，仅需采集5min左右时间；对于单频接收机，只要能观测5颗卫星，也仅需要采集15min左右的时间。
可见，利用GPS技术建立控制网，能大大缩短观测时间，提高作业效益。
随着GPS系统的不断完善，软件与硬件的不断更新，目前，20Km以内相对静态定位，仅需15～20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15hm以内时，流动站观测时间只需1~2min；动态相对定位测量时，流动站出发时观测时间只需1~2min，然后随即定位，每站观测时间仅需几秒钟。
4.操作简便在操作上，GPS测量的自动化程度非常高，有的已达到“傻瓜化”的程度，操作员只需要安装并开关仪器、采集环境的气象数据、量取仪器高度和监视仪器工作状态，其他工作则由GPS接收机自动完成，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等。
假如在一个测站上需要作较长时间的连续观测，通过网络或其他通讯方式，将所采集的观测数据传送到数据处理中心，不需要任何人员人值守，就可以实现全自动化的数据采集与处理。
在结束观测的时候，也只需关闭电源，收好接机，便完成野外数据采集任务。
此外目前的接收机体积也越来越小，重量亦越来越轻，便于携带和搬运。
5.观测站之间无需通视相对于传统测量技术而言，GPS测量不要求观测站之间相互通视，只需保持观测站15°以上的空间开阔即可，因此可不再需要建造觇标。
它的这一优势能大量节省造标费用（造标费约占总费用的30％—50％）。
同时由于无需点间通视，点位位置可根据需要灵活布设，也可省去传统测量控制网中的传递点、过渡点的测量工作，使得选点工作变得非常灵活。
6.全球全天候作业由于GPS卫星数目较多，且分布合理，所以地球上何地点，均可连续地同步观测至少4颗卫星。
从而保障了全球全天候连续的三维定位。
通常情况下，除雷雨天气不宜观测，一般不受天气状况的影响。
由此看来GPS测量技术的发展相对于传统测量技术来说是一次重大突破。
7.提供全球统一的三维地心坐标传统测量控制是将平面和高程采用不同的方法分别施测。
而GPS测量在精确测定观测站平面位置（二维坐标）的同时，还可以精确测定观测站的大地高程。
这种能够提供全球统一的三维地心坐标的特点，为确定地面点的高程和大地水准面的形状研究开辟了新途径，同时也为其在航空摄影测量、航空物探及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。
8.经济效益高国内外大量的GPS测量实践表明，用GPS建立大地控制网，仅需常规方法的1/3费用。
这是因为GPS具有定位速度较快的特点，因而使工期大大缩短；另外GPS另定位不要求测站间相互通视，不必建立大量费时、费力、费钱的视标。
目前三台GPS测地型接收机价格已接近—台全站仪的价格，因此其经济效益将日趋显著。
第2章GPS静态测量布网方式及精度要求
2.1GPS静态测量的含义
这种模式采用两台（或两台以上）GPS接收机，分别安置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时段根据基线长度和测量等级观测相应的时间。
这种模式一般可以达到5mm十1ppm的相对定位精度。
2.2GPS测量的精度指标
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。
其形式是表2.1
表2.1相邻点间基线长度的精度要求
级别
固定误差（mm）
比例误差（ppm）
AA
≤3
≤0.01
A
≤5
≤0.1
B
≤8
≤1
C
≤10
≤5
D
≤10
≤10
E
≤10
≤20
一．GPS的精度要求一
国家测绘局1992年制定的我国第一部《全球定位系统（GPS）测量规范》将GPS的测量精度分为AA、A、B、C、D、E六级。
其中A、B两级一般是国家GPS控制网。
我国的国家GPS网就是按照这一精度标准设计的。
C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的如下表2.2所示：
表2.2GPS网相邻点的平均边长km
级别
AA
A
B
C
D
E
平均距离
1000
300
70
10--15
5--10
0.2--5
注：
相邻点最小距离可为平均距离的1/3-1/2,最大距离可为平均距离的2一3倍
二．GPS的精度要求二
为了适应生产建设的需要，有关部门制定了《全球定位系统城市测量技术规程》，按城市或工程GPS网中相邻点的平均距离和精度划分为二、三、四等和一、二级，在布网时可以逐级布网、越级布网或布设同级全面网，如表2.3所示：
表2.3GPS的精度要求
级别项目
二等
三等
四等
一级
二级
固定误差a/mm
≤10
≤10
≤10
≤10
≤15
比例误差系数b/ppm
≤2
≤5
≤10
≤10
≤20
相邻点平均距离/km
9
5
2
1
1
闭合环或附合路线的边数/条
≤6
≤8
≤10
≤10
≤10
2.3GPS网的图形设计
2.3.1GPS网形设计的一般原则
（1）GPS网一般采用独立观测边构成的闭合图形。
例如，三角网、多边形或附合线路，以增加几何强度和检核条件，提高网的可靠性。
在设计观测图形时，必须充分考虑加强异步环的检查。
实践表明，设计异步环可以检查诸多观测误差（仪器对中整平误差、不同时段的观测误差、大气变化的影响等）对观测成果的影响，同时可避免粗差的存在。
（2）GPS网作为测量控制网，其相邻点间基线向量的精度应分布均匀。
（3）GPS网点应尽量与原有地面控制点相重合。
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。
同时GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点应根据要求用水准测量方法（或相当精度的其他方法）进行联测，或在网中布设一定密度的水准联测点，以利于可靠地确定GPS网与地面网的转换参数。
（4）为了便于GPS测量的观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通便利的地方。
为了便于用经典方法来南侧或拓展，可在GPS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不应超过300m。
根据GPS网的不同用途，GPS网的独立观测边应构成一定的几何图形。
GPS控制网应构成尽可能多的闭合图形，为此，要把网中处于边缘的观测点用独立基线连接起来，已构成全封闭图形，如三角形，有时根据实际需要，也可布成环形图。
GPS网应由一个或若干独立观测环构成，也可采用附合线路形式构成。
各等级GPS网中每个闭合环或附合线路中的边数应符合下图的规定。
非同步观测的GPS基线向量边，应按设计的网图选定，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路如表2.4所示：
表2.4闭合环或附合线路边数规定
等级
二等
三等
四等
一级
二级
闭合环或附合线路的边数（条）
≤6
≤8
≤10
≤10
≤10
目前的GPS控制测量，基本上都是采用静态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。
同步观测是和GPS点组成的图形称为同步图形。
2.3.2GPS网的链接方式
（一）点连式
观测作业方式：
相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。
这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-1个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得1+s·（m-1）个点，如图2.5所示：
特点：
作业效率高，图形扩展迅速。
缺点：
图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
图2.5点连式图形
（二）边连式
观测作业方式：
相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。
这样，当有m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-2个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得2+s·（m-2）个点。
如图2.6所示：
特点：
作业效率较高，图形强度较强。
图2.6边连式图形
（四）混连式
观测作业方式：
在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种种观测作业方式就是所谓的混连式。
如图2.7所示：
特点：
混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。
图2.7混连式图形
2.3.3GPS图形设计注意事项
（一）布网形式
——AA、A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘点外，每点至少应与3个点相连
——C、D、E级GPS网可布设成多边形或符合导线。
（二）各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数满足下表要求如表2.8所示：
表2.8闭合环和附合导线的边数
级别
闭合环和附合导线的边数
AA
--
A
≤5
B
≤6
C
≤6
D
≤8
E
≤10
2.4GPS控制测量的外业工作
2.4.1选点与埋设标志
由于GPS观测是通过接受天空卫星信号实现定位测量，一般不要求观测站之间互相通视。
而且，由于GPS观测精度主要受观测卫星的几何状况的影响，与地面点构成的几何状况无关，因此，网的图形选择也较灵活。
所以，选点工作较常规控制测量简单方便。
但由于GPS点位的适当选择，对保证整个测绘工作的顺利进行具有重要的影响。
所以，应根据本次控制测量的目的、精度、密度要求，在充分收集和了解测区范围、地理情况以及原有控制点的精度、分布和保存情况的基础上，进行GPS点位的选定与布设。
在GPS点位的选点中做中，一般应注意：
1）点位应紧扣测量目的布设。
例如：
测绘地形图，点位应尽量均匀；线路测量点位为带状点位。
2）点应选在交通方便、便于到达的地方，便于安置接收设备。
视野开阔，视场内周围障碍物的高度一般应小于15度。
3）点位应远离大功率无线电发射源和高压输电线，一面周围磁场对GPS信号的干扰。
4）点位附近不应有对电磁波反射强烈的物体，例如：
大面积水域、镜面建筑物等，以减弱多路径效应的影响。
5）点位应选在地面基础坚固的地方，以便于保存。
6）点位选定后，均应按规定会指点之记，其主要内容包括点位及点位略图、点位交通情况及其选点情况等。
2.4.2外业观测
GPS观测与常规测量在技术要求上有很大的差别，在城市及工程的GPS控制网作业中，观测步骤如下：
1）安置天线：
将天线架设在三脚架上，进行整平对中，天线的定向标志线应指向正北。
2）开机观测：
用电缆将接收机与天线进行连接，启动接收机进行测量；接收机锁定卫星并进行记录数据后，可按操作手册的要求进行输入和查询操作。
3）观测记录：
GPS观测记录形式有以下两种：
一种由GPS接收机自动记录在存储介质上；另一种是测量手薄，在接收机启动前和观测过程中由观测者填写，操作人员只需做好以下操作就好：
各测站的观测员应按计划规定的时间作业，确保同步观测。
确保接收机存储器有足够存储空间。
4）开始观测后，正确输入高度角，天线高及天线高量取方式，观测过程中应注意查看测站信息、接收到的卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。
5）一般来讲，主要注意DOP值的变化，如DOP值偏高（GDOP一般不应高于6），应及时与其他测站观测员取得联系，适当延长观测时间。
同一观测时段中，接收机不得关闭或重启，不得改变采样率、截止高度角等参数；将每测段信息如实记录在GPS测量手簿上。
6）进行长距离高等级GPS测量时，要将气象元素，空气湿度等如实记录，每隔一小时或两小时记录一次。
第3章静态数据处理
3.1华测X90仪器介绍
如图3.1所示，介绍了华测X90仪器的按键操作：
图3.1仪器按键
①电源健：
按一秒即可开机，长按三秒即可关机
②切换健：
刚开机时，主机默认为RTK模式，如果做静态就要通过切换健进行切换：
常按住切换健，此时电台灯长亮，等电台灯不亮，即可松开表明已切换到静态
③电池指示灯：
长亮表示有电，如果不停的闪烁，表示电量不足
④卫星指示灯：
每隔5秒连闪几次，表示有几颗卫星
⑤电台指示灯：
做RTK时，电台指示灯会一秒闪烁一次
⑥数据采集灯：
每隔几秒闪一次，表示在纪录数据，闪烁的间隔即是采样间隔
3.2数据处理过程
3.2.1任务的建立
打开电脑“开始——程序——华测静态处理——静态处理软件”。
如图3.2所示：
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