控制测量毕业设计汇编.docx

1、控制测量毕业设计汇编*毕 业 设 计设 计 题 目：*控制测量学 生 姓 名： * 专 业 班 级： * 指 导 老 师： * 系 主 任： * 评 阅 人： 2015年 5 月摘 要 全球卫星定位系统GPS是近年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。目前，GPS技术在中国市政工程和交通管理中的应用还刚刚起步，随着中国经济的发展，GPS技术的应用研究的逐步深入，其在市政工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。本文介绍了，系统的工作原理，

2、系统的技术要求，的外业组织及方案制定，的数据处理。其中重点介绍了系统的工作原理，的技术要求，的定位测量设计及的外业实施方案制定。详细阐述了GPS全球定位系统在静态控制网点位测量方面的稳定、准确、快速等优点。 关键词：GPS全球定位系统 静态定位 控制网 Abstract The global positioning system GPS is the most recent development since the foundation of the significance ofthe high technology, global, versatility, day of navigat

3、ion and positioning, timing, speed advantage in many fields will get more and more widely. In developed countries, GPS technology has been usedin transportation and transportation engineering. At present, the GPS technology in China road engineering and traffic management application hasjust begun,

4、along with the development of Chinas economy, the highway construction and GPS technology rapid application research, its application in engineering and will be more widely and deeply, and play a bigger role.The paper introduces the work principle, GPS, GPS system requirements, theGPS system and the

5、 scheme, the GPS data processing. Which introduced theworkingprinciple, the GPS system GPS technology requirements, GPS positioning measurement system design and implementation scheme of GPS. Expounded the global positioning system (GPS) in static control node location measurement of stable and accu

6、rate, rapid, etc.Keywords: global positioning system (GPS) static positioning control 第一章 项目概述第一节 项目介绍1）为了搞好湖南省*工作，并满足*基本建设的需要，衡东县人民政府（以下简称“甲方”）委托湖南地质测绘院对衡东县吴集镇实施1：2000数字化地形图测绘。本次具体测绘范围及技术要求由衡东县国土局提出。（2）主要工作内容： GPS布网面积约15k，衡东县*及周边地区1:2000全野外数字化地形图测绘，测绘面积约10k。（3）测区概况：该测区东西宽约4.5km,南北长约2km。东部测区为山区，西部测区

7、少部分居民地。吴南公路、衡炎高速穿插其中，交通较为便利。测区基本为山区，通视困难，给测绘工作带来了很大的困难。第二节 项目施测任务 一、施测原因近几年，自然能源可持续发展的趋势，由于其它因素周遍环境也发生了很大变化，为了对现在的地形有个具体全面的了解，以便能更好规划居民土地利用和建设更加合理化，因此决定这次测量的必然性。二、具备资料本地区的地形图及航拍资料。三、施测目的通过测量工作，最终根据数据绘制成图，从而对测区的地形及周围情况有了最新的了解，在以后利用合理规划方面有了可靠的依据。第三节 项目测量基本情况一、测区平面控制情况（一）平面控制资料：为了满足测区控制需要，经实地踏勘，点位保存完好，

8、可以使用。根据测图面积、测图比例尺的要求，可采用上述三点的坐标成果作为本次平面控制网的起算数据。其坐标系统为1954年北京坐标系。（二）高程控制资料：1985 国家高程基准，成果为二等水准精度，部分山区点为三等三角高程精度（见备注）。参考椭球： 54 椭球高程基准： 1985 国家高程基准中央子午线：1122130 投影面： 920m (正常高)二、作业依据北京54 坐标，中央子午线为111，高程为1985 国家高程基准本。北京54 椭球，中央子午线1122130，投影面920 米（正常高），高程为1985 国家高程基准。坐标系统满足投影长度变形值不大于1cm/km 的要求，成果精度为二等。测

9、量作业的主要技术依据包括:（1）中华人民共和国国家标准全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314-2001）。（2）中华人民共和国国家标准地质矿产勘查测量规范（GB/T134-2001）。（3）中华人民共和国行业标准测绘产品检查验收规定（CH100295）。（4）中华人民共和国行业标准测绘产品质量评定标准（CH100395）。第二章 GPS全球定位系统的基本原理第一节 GPS全球定位系统组成及特点GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图1所示，在待测点Q设置GPS接收机，在某一时刻同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻

10、接收机天线中心（测站点）至卫星的距离1、2、3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j1，2，3，从而由下式解算出Q点的三维坐标（X，Y，Z）： 图2-1 GPS定位原理 相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：一、测量精度高GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1106，在大于1 000 km的基线上可达1108。二、测站间无需通视GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。三、观测时间短随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20

11、 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。四、仪器操作简便目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。五、全天候作业GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。六、提供三维坐标GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。 第二节 GPS全球定位系统理论1、坐标系统地球坐标系统又可进一步分为参心坐标系统和地心坐标系统1.1参心坐标系 我国历史上出现的参心大地坐标系，主要有BJZ54（原）、GDZ80和BJZ54等三种。建立一个参心

12、大地坐标系，必须解决以下问题：1）确定椭球的形状和大小；2）确定椭球中心的位置，简称定位；3）确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；4）确定大地原点。解决这些问题的过程，也就是建立参心大地坐标系的过程。1.1.1 1954年北京坐标系（BJZ54（原）1954年总参谋部测绘局在有关方面的建议与支持下，采取先将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉林、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部地区一等锁。这样传算过来的坐标，定名为1954年北京坐标系。1.1.2 1980年国家大地坐标系（GDZ80）为了进行全国

13、天文大地网整体平差，采用新的椭球参数和进行新的定位与定向，来弥补因1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准面拟合不好等缺点，所以建立我国新的大地坐标是必要的、适时的。 a、椭球的参数在几何大地测量学中，通常用椭球长半径a和扁率f两个参数表示椭球的形状和大小，但是从几何和物理两个方面来研究地球，仅有两个参数是不够的。1967年国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第十四届大会上，开始采用这四个参数全面描述地球的几何特性和物理特性。这四个量通常称为基本大地参数。在四个基本参数中，长半径a通常由几何大地测量提供，但是GM（G是地球引力常数）利用卫星大地测量学可精确测定至千

14、万分之一。地球自转角速度w由天文观测确定，它们的精度都比较好。地球的质量M虽难测定，通过观测人造地球卫星，确定与a等价的二阶带谐系数j2，其精确度提高了二个数量级。这些参数，可以充分地确定地球椭球的形状，大小及其正常重力场，从而使大地测量学与大地重力学的基本参数得到统一。b、 起始天文子午线1884年国际经度会议决定，以通过英国格林尼治天文台艾黎仪器中心的子午线作为全世界计算天文经度的起始天文子午线。起始天文子午线与赤道的交点E，就是天文经度零点。c、 我国1980年国家大地坐标系的建立1978年4月，我国在西安召开了全国天文大地网整体平差会议，在会议上决定建立我国新的国家大地坐标系。有关部门

15、根据会议记要，开展并进行了多方面的工作，建成了1980年国家大地坐标系（GDZ80）大地坐标系的原点，设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇，在西安以北60km，简称西安原点。1980年国家大地坐标系的椭球短轴平行于由地球质心指向我国地极原点JYD1968.0的方向，起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准。1.1.3 1954年新北京坐标系（BJZ54）尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性 ，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。40年来，数十万个国家控制点都是在这个系统内完成计算的，一切测量工程和测绘成

16、果均无例外地采用着这个系统。为了既体现1980年国家大地坐标系的严密性，又照顾到1954年原北京坐标系的实用性，有的部门和单位想出一种两全其美的办法，于是就产生了1954年新北京坐标系。1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。所以说，新北京坐标系的成果实际上就是从1980年大地坐标系整体平差成果转换而来的。1.2 地心坐标系1.2.1 建立地心坐标系的意义和方法地心坐标系中的“地心”二字意指地球的质心。在地心空间大地平直角坐标系中用XD、YD、ZD表示点的位置，地心大地坐标系中用LD、BD

17、 、HD表示点的位置。由于前者可以通过卫星大地测量获得点的空间三维直角坐标，并不涉及椭球及其定位。但地心大地坐标系则要涉及椭球的大小和定位。所以地心直角坐标系是GPS定位中采用的基本坐标系。1.2.2 地心坐标系的表述形式地心直角坐标系和地心大地坐标系。 1.2.3 WGS84大地坐标系自60年代以来，美国国防部制图局（DMA）为建立全球统一坐标系统，利用了大量的卫星观测资料以及全球地面天文、大地和重力测量资料，先后建成了WGS60、WGS66和WGS72全球坐标系统。于1984年，经过多年修正和完善，发展了一种新的更为精确的世界大地坐标系，称之为美国国防部1984年世界大地坐标系，简称WGS

18、84。WGS84于1985年开始使用，1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图、航测图和大地成果。由于GPS导航定位全面采用了WGS84，用户可以获得更高精度的地心坐标，也可以通过转换，获得较高精度的参心大地坐标系坐标。如图2-2图2-2 地心直角坐标系2、时间系统 1、概述 时间具有“时间间隔”（时间段）和“时刻”两种含意。时间间隔是时间轴上的一个区间，而时刻则只是指某一点。时间分恒星时和太阳时两大时间系统。利用春分点的周时视运动周期来量度地球自转周期而建立的以恒星日为时间单位的时间系统为恒星时系统；以太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期而建立的以太阳日为单位的时间系统为太阳时系统；太

19、阳时又分为真太阳时和平太阳时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。这里所指的平太阳是以赤道为周年视运动轨道、周期等于真太阳周年视运动周期，速度等于真太阳周年视运动平均速度且速度均匀的假设的太阳。地球自转一周平太阳视运动的周期为一个平太阳日，世界时就是以平太阳日为基础的。2、卫星星历卫星的星历就是描述卫星运行轨道和状态的各种参数值，它是计算卫星瞬时位置的依据。卫星星历按其来源的不同，可以分为两种：预报星历（广播星历）和实测星历（精密星历）。2.1 广播星历卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解

20、码即可获得所需要的卫星星历。即广播星历。2.2 实测星历一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料，经过事后处理直接计算的卫星星历，称为实测星历。 我国的GPS卫星跟踪站在“八五”期间已经建成，“九五”期间已向国内用户提供服务。3、GPS卫星信号GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种信号分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位及军事保密的需要。3.1 GPS卫星信号的内容 GPS卫星信号所包含的载波、测距码（包含P码、C/A码）、数据码（导航电文，或称D码）都是在同一个基本频率f0=10.23MHZ的控制下产生的。3.2 GPS卫星信号的产生如图： 图2-33.3测距码的产生P码

21、的周期约38星期，实际应用中采用7天为一周期，即在P(t)=PN1(t)PN2(t+ni t)中取某一段周期为7天的P码，且规定每星期六午夜零点使P码置全“1”状态作为周期的起始点。C/A码码率为1.023MHz，周期为1ms，一周期内有1023个码位。 3.4数据码的产生GPS卫星导航电文主要包括卫星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态和C/A码转换到捕获P码的信息。将这些信息以数据，即以二进制码的形式向用户发送，所以导航电文又称为数据码，即D码。3.5 GPS卫星信号的传播GPS采用了信号扩频调制，把窄带信号扩展到一个很宽的频带上发射出去，以达到抗干扰、保密和省电的目的。采用增大信号频带

22、宽度的办法，可以降低信噪比，换句话说，可以用很小的发射功率获得足够的信息容量，因而可以实现遥远的卫星通讯。第三节 GPS定位方法1、GPS定位概述1.1 根据待定点的运动状态可分为静态定位与动态定位1）静态定位：由于接受机的位置固定不动，就可以进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。2）动态定位：其特点是测定一个动点的实时 位置，多余观测量少、定位精度低。目前，导航型的GPS接受机可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。1.2 根据定位模式可

23、分为绝对定位和相对定位1）绝对定位: 也叫单点定位，就是采用一台接受机进行定位的模式，它所确定的是接受机天线在WGS-84世界大地坐标系统中的绝对位置，所以单点定位的结果也属于该坐标系统。2）相对定位: 也叫差分定位，是至少用两台GPS接收机,同步观测相同的GPS卫星,确定两台接收机天线之间的相对位置(坐标差)。绝对定位的优缺点：优点是只需一台接受机即可独立定位，外业观测的组织及实施较为方便，数据处理也较为简单。缺点是定位精度较低，受卫星轨道误差，钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，精度只能达到米级。所以该定位模式不能满足大地测量精密定位的要求。但它在地质矿产勘察等低精度的测量领域，仍有着广

24、泛的应用前景。1.3 绝对定位、相对定位与动、静态的关系在绝对定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和动态定位两种方式。其中静态相对定位一般均采用载波相位观测值为基本观测量。这种定位方法是当前GPS测量定位中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被普遍采用。1.4 根据获取定位结果的时间可分为实时定位和非实时定位1）实时定位： 是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收天线所在的位置2）非实时定位：又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。1.5 根据用户接收信号的方式可分为主动式测距和被动式测距1）主动式

25、测距：用电磁波测距仪发射测距信号，通过另一端的反射器回来，再由测距仪接受。根据测距信号的往、返传播时间求解出往、返距离2 。由于电磁波测距仪需在测站点上主动发出测距信号，故称这种测距方式为主动式测距。2）被动式测距：发射站在规定的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时间，根据时差t 求得单程距离。由于用户只需被动地接收信号，故称为被动式测距。1.6 根据定位所采用的不同观测量前面所述的静态定位或动态定位，所依据的观测量都是所测的卫星至接收机天线的伪距。但是，伪距的基本观测量又区分为码相位观测（简称测码伪距）和载波相位观测（简称测相伪距）。这样，根据GPS信号的不同观测量，可

26、以区分为四种定位方法:第三章 GPS测量作业的技术要求第一节 作业选点依据1、GPS网精度类级各级GPS网的定位精度，可按相邻间基线向量的中误差来衡量：式中：m。为基线向量中误差；a为固定误差，b为比例误差；D为相邻间距离。各级GPS网最后结果的水平分量的中误差，不得超过下表的规定。表1 GPS测量精度分级表AAABCDE固定误差/mm358101010比例误差系数0.010.11510-2010-20相邻点最小距离 km30010015521相邻点最大距离km20001000250401510相邻点平均距离km100030070151010552表2 不同等级GPS网的精度标准表等级平均距离

27、/kma/mmb/ppm.D最弱边相对中误差二9102112万三510518万四21010145万一级1101012万二级1152011万注：当边长200m 时，以边长中误差20mm 来衡量。2、 GPS网的布设1）所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。2）GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。 3）GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上G

28、PS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。 4）考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为精确求定转换参数，(GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个GPS网的精度、密度设计。3、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WGS84坐标系统，是一个精确的全球大坤坐标系统。而我

29、国的国家大地坐标系采用的是1954年北京坐标系及1980年西安坐标系。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。通过与已知点联测，NEG9600GPS数据处理软件可以很方便地实现WGS-84、北京54坐标系，西安80坐标系中的空间直角坐标、大地坐标及高斯平面直角坐标之间的转换。 第二节 选点埋石1、准备1.1 在编制技术设计书（或大纲）应搜集与工程有关的以下资料测区1：10001：2000地形图；既有各类控制测量资料，包括控制点的平面坐标、高程、坐标系统、技术总结等；测区的气象、地质、地形、

30、地貌、交通、通信及供电等资料；路线走向、线位布设、路线设计数据及大型构造物位置等资料。1.2 按技术设计书（或大纲）要求，进行GPS控制网技术设计2、选点1）选点员应按技术要求进行踏勘，并实地核对、调整、确定点位。点位应有利于采用其他测量方法扩展和联测。对需作水准联测的点位还应踏勘水准路线。2）点位应选在基础稳定，并已于长期保存的地点。3）点位应便于安装接收设备和操作，视野开阔，视场内不应有高度达于15的成片障碍物，否则应绘制点位环视图。4）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体。点位距大功率无线电发射元（如电视台、微波站等）的距离应不小于400m；局220kv以上电力线路的距离不小于50m。5）点位应利与地形勘测防线与施工放样，且距路线中心线不宜小于50m，并不大于300m，对于大型桥梁、互通式立交、隧道等还应考虑加密布设控制网的要求。6）GPS控制点需要设方位点时，其目标应明显，便于观测；与GPS点