测绘工程专业毕业设计（论文）-GPS控制测量及其数据处理

测绘专业毕业设计（论文）-GPS控制测量及其数据处理 江西理工大学2006届本科生毕业论文 江 西 理 工 大 学 本 科 毕 业 设 计(论文)任 务 书 环境与建筑工程 学院 测绘工程 专业 02 级(06 届)1 班 学生 题 目: GPS控制测量及其数据处理 专题题目(若无专题则不填): 主要内容: 1、 GPS基本原理。 、GPS测量中误差来源及其处理办法。 2 3、GPS数据处理中的粗差问题研究。 4、GPS数据处理中起算点精度问题。 5、GPS数据处理实例(江西赣江井冈山一级水电站首级(四等)控制测量 工程)(中海达GPS及其配套处理软件) 主要(技术): 参照相关的规范规程 周次 工作内容安排 备注 设计根据大纲，到现场实习或实验，获取一教师指导部分人 些现场工作经验，同时获取设计的部分资料在校实习 和数据。 5,8 资料检索，确定设计论文题目，拟定设计大 纲。 9,11 进行设计并编程、计算。 教师指导 12,13 完成设计计算并进行计算分析。 独立完成 14,15 提交论文初稿，教师批阅，进行论文设计和教师指导 计算的完善，完成设计必要的图件绘制工 作。 16 定稿抄写论文，做好论文答辩的准备工作。 独立完成 17,18 指导教师审阅论文，给定评语，组织论文答 辩。 主要参考文献和书目: [1] 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民. GPS测量原理及应用 [M]. 2003，武 1 江西理工大学2006届本科生毕业论文 汉大学出版社，武汉 [2] 谢世杰，种绍龙，袁铭。论GPS测量中的多径误差 [J]。 2003，测绘通报 [3] 杨润书。GPS网平差软件(GPSurvey)中的观测量权配置 [J]。1999， 测绘通报 [4] 刘大杰，施一民，过静珺。全球定位系统的原理与数据处理 [M]。 1996， 同济大学出版社，上海 [5] 陶本藻。GPS网数据处理几个问题 [M] 。2003， 现代侧绘 [6] 李德仁。误差处理和可靠性理论[M]。1988，测绘出版社，北京 [7] 国家技术质量技术监督局.全球定位系统(GPS)测量规范[S]。2001，中国标准出版社，北京 [8] 国家建设部.全球定位系统城市测量技术规程[S]。1997，中国建筑工业出版社，北京 [9] 靳永滨。析观测值平差改正数的精度[J]。2000，四川测绘， (4)。 [10] 曾旭平。GPS滑坡监测及数据处理研究。2000，硕士论文 [11] 刘经南、桑古章、宋成弊、蔡宏样。GPS网布设计与数据处理[M]。1992， 武汉侧绘科技大学，武汉 [12] 杨润书。GPS基线解算的优化技术[J]。2005，测绘通报 相对定位的数学模型[M]。1998，测绘出版社 [13] 魏子卿、葛茂荣。GPS [14] 董世清、李志成，GPS 测量控制网起算点的兼容性分析[J]。2003.4，四川侧绘， [15] 水利部福建水利水电电勘测设计研究院。江西赣江井岗山一级水电站工程 测绘技术要求。2006.3 指导教师签字: 年 月 日 教研室主任签字: 年 月 日 教学院长签字: 年 月 日 2 江西理工大学2006届本科生毕业论文 江 西 理 工 大 学 本科毕业设计(论文)开题报告(综述) 环境与建筑工程 学院 测绘工程 专业 02 级(06 届)1 班 学生 叶繁 题 目:GPS控制测量及其数据处理 本课题研究的现状: 全球定位系统(Global Positioning system-GPS)是随着现代科学技术的迅速发展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统。GPS技术具有高精度、全天候、全球性和点间无须通视等优点，现已广泛用于测量的各个领域，为国家经济建设做出了重大贡献。特别是实时动态GPS的出现，给测绘界带来了重大变化，测量人员可边走边测，大大提高了测绘的经济效益。GPS在各种工程项目中的测量已基本上替代了原有效率低下的测角量距，无论是测图、控制或者放样，GPS都是当今主要的测量工具，GPS控制网是现阶段主要的布网形式，研究区域GPS控制网布网方案、精度估算和优化设计以及GPS数据处理是测绘工作者面对的重要科研课题。 课题价值和现实意义: 由于GPS技术具有全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，使得它在测绘工作中的地位越来越重要，加上现在的GPS接收机的价格越来越合理，同时计算机的发展也进一步推动了GPS应用的推广。随着GPS设备、功能、技术的不断进步与完善，在各种工程测量领域里，测量工作者已不满足于只将GPS用作控制测量。特别是近几年来高精度GPS实时动态定位技术(RTK)的快速发展，由于它能够实时地提供在任意坐标系中的三维坐标数据，方便快捷的运用于各个工程领域。本课题就区域GPS测量及其数据处理方面作了一些讨论和研究，适合一些测绘工作者作为参考资料，并且能在本文的提示下有所启发，以便对使用GPS技术有更好或者突破性的建议，为测绘事业做出更大的贡献。 设计(论文)提纲: 3 江西理工大学2006届本科生毕业论文 文摘 英文文摘 第一章:概述 1.1GPS定位技术的发展 1.2GPS定位系统的组成与建立 1.3GPS定位系统在不同领域的应用 第二章:GPS测量误差来源及改正 2.1GPS误差源的分类 2.2与卫星有关的误差 2.3卫星信号的传播误差 2.4与接受设备有关的误差 第三章:GPS控制网起算点精度的检核方法探讨 3.1GPS控制网的设计 3.2现行规范、规程检核起算数据的方法 3.3检核地面起算点精度方法的探讨 3.4算例 第四章:GPS数据处理中的粗差问题研究 4.1GPS数据粗差处理方法 4.2观测量误差对改正数向量的影响 4.3基于相关理论的粗差分析 第五章:江西赣江井冈山一级水电站工程GPS观测数据处理实例 5.1测区概况及已有资料 5.2软件处理GPS野外数据过程 5.3成果输出 第六章:结论与建议 参考文献 致谢 主要参考文献和书目: [1] 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民. GPS测量原理及应用 [M]. 2003，武汉大学出版社，武汉 [2] 谢世杰，种绍龙，袁铭。论GPS测量中的多径误差 [J]。 2003，测绘通报 [3] 杨润书。GPS网平差软件(GPSurvey)中的观测量权配置 [J]。1999， 测绘通报 [4] 刘大杰，施一民，过静珺。全球定位系统的原理与数据处理 [M]。 1996， 同济大学出版社，上海 [5] 陶本藻。GPS网数据处理几个问题 [M] 。2003， 现代侧绘 [6] 李德仁。误差处理和可靠性理论[M]。1988，测绘出版社，北京 [7] 国家技术质量技术监督局.全球定位系统(GPS)测量规范[S]。2001，中国标准出版社，北京 [8] 国家建设部.全球定位系统城市测量技术规程[S]。1997，中国建筑工业出版社，北京 [9] 靳永滨。析观测值平差改正数的精度[J]。2000，四川测绘， (4)。 [10] 曾旭平。GPS滑坡监测及数据处理研究。2000，硕士论文 4 江西理工大学2006届本科生毕业论文 [11] 刘经南、桑古章、宋成弊、蔡宏样。GPS网布设计与数据处理[M]。1992， 武汉侧绘科技大学，武汉 [12] 杨润书。GPS基线解算的优化技术[J]。2005，测绘通报 [13] 魏子卿、葛茂荣。GPS相对定位的数学模型[M]。1998，测绘出版社 [14] 董世清、李志成，GPS 测量控制网起算点的兼容性分析[J]。2003.4，四川侧绘， [15] 水利部福建水利水电电勘测设计研究院。江西赣江井岗山一级水电站工程 测绘技术要求。2006.3 5 江西理工大学2006届本科生毕业论文 指导教师审核意见: 教研室主任签字: 年 月 日 教学院长签字: 年 月 日 注:本表可自主延伸 6 江西理工大学2006届本科生毕业论文 江 西 理 工 大 学 毕业设计(论文)中期进展情况检查表 指导教学生姓名 班 级 师 设计(论文)题目 目 前 已 完 成 任 是否符合任务书要求务 进度 尚 须 完 成 的 任 务 能否按期完成设计 存 存 在 在 的 的 问 问 题 题 和 拟 解 采 决 取 的 办 办 法 法 指 导 教 师 意 见 7 江西理工大学2006届本科生毕业论文 专业(专 业课群) 教学院长签字 负责人 签字 检查日期: 年 月 日 8 江西理工大学2006届本科生毕业论文 江 西 理 工 大 学 本科毕业设计(论文)完成情况登记表 学院 专业 级( 届) 班 学生 题目: 指导教师签名: 年 月 日 完成提纲时间 完成初稿时间 完 成 情 况 完成二稿时间 定 稿 时 间 开题情况 (包括毕 业设计) 期中检查 论文进展 情 况 出 勤 记 录 情 况 备 注 指导次数 指导日期 事 项 及 指 导 内 容 毕 业 设 计 论 文 指 导 情 况 9 江西理工大学2006届本科生毕业论文 前 言 随着高等级道路的兴建，对路线勘测提出了更高的要求，由于线路长且己知点少，因此用常规手段不仅布网困难而且难以满足高精度的要求，而GPS高精度的特点正好可以满足这一要求。目前国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，在杭金衡、沪杭、沪宁、石太等高速公路中都应用了定位技术建立首级控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内绝对点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时大大的提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中，由于无需通视，可构成较强的图形结构特别是对常规测量中无检核的支点的量测提供了方便。首先用常规测量建立了高精度的边角网，然后利用GPS技术对该网进行检测，GPS检测网达到了毫米级精度，与常规测量的结果符合较好，取得了较好的效果;GPS技术用于控制网的建立具有精度高、无需通视、速度快等优点，节省了许多人力和物力，保证了工程的进度，取得了良好的经济和社会效益。GPS以同样的优点应用于航测像片外部控制点的测定。近年来航测在铁路、公路建设中发挥了重要的作用，目前的航测成图对每对像对都需要一定量的外部共同控制点，以进行像片的内业纠正工作，而用常规方法测定这些点的平面位置和高程需要很多过渡点，不仅时间长，而且精度不能保证，另外还会出现不少无检核的支点，易发生错误。利用GPS测定航测外控点可直接在外控点间构成网型，精度高、速度快且可以适当加入检核条件，具有较高的可靠性。 实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。 测量前需要在一个控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需2,10s)进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。 动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2,4s，精度就可以达到1,3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点。 对于在长江、黄河上修建的大跨径桥梁，采用传统光学仪器和全站仪来定位是比较困难的，因为江面过宽、雾气较大，易造成仪器读数误差。另外，江面情况变化多端、观测浮标位置飘浮不定，影响定位精度。GPS在这方面发挥了一定 10 江西理工大学2006届本科生毕业论文 的优势。因为GPS采用的是空间三点后方距离交会法原理来定位，不受江面外界情况干扰，点与点之间不要求必须通视，两三分钟测一个点，简捷方便，精度高，大大提高了作业效率。它的平面坐标定位精度在5mm?1ppm左右，基线长度有几米到几十公里，这完全符合桥梁控制网地要求。同样对隧道控制网、立交控制网也可以采用GPS的方法进行精确定位，效果也不错。 在今后的线路勘测中，静态定位技术的应用将在相当广泛的范围内逐步地取代以往的常规测量方法，从首级控制到一二级导线，从线路导航测控制测量，从隧道外控制到特大桥梁的施工控制测量等。随着应用理论研究的深入以及作业规范的建立和完善，静态将更好的为线路和桥隧工程中的控制测量服务。在工程控制测量中，GPS具有联测远距离已知点和无需点间直接通视等优势，TPS (Total station Position System)全站仪定位系统具有机动灵活，短距离测量速度快，相对精度较高，便于知道等特点。因此，在工程控制网(特别是施工控制网)中，如何发挥GPS和TPS的各自优势，快速布设精度较均匀的综合网，己成为GPS在工程中应用的一个重要研究方向。静态GPS相对定位也是动态差分定位的基础。在动态差分测量中有其中有一个是参考站，它的基准数据往往都是通过静态相对定位获得的，通过静态相对定位可以建立动态差分定位的基准站网络，然后才能进行动态差分定位。 在隧道工程中，大都采用独立坐标系(即以工程施工面为投影面)，此时以常规控制测量进行TPS施工放样不用考虑垂线偏差的影响。而GPS测量属于法线系统，TPS测量属于垂线系统。因此，在隧道施工过程中，如果把洞外的GPS控制测量成果(进洞定向等元素)用TPS引进洞内时，严格讲有垂线偏差的影响问题。为了保证必要的隧道贯通精度，有时必须考虑垂线偏差的影响。 但是，在实际工程中，由于条件的限制，很难保证将隧道洞外定向的两个GPS控制点布设在与隧道施工高程面近似相等的高度上，此时，必须考虑垂线偏差对角度放样的影响。在隧道贯通时，必须保证进洞方向的准确。因为，标高差改正、截面差改正都与观测点至测站点的距离有关，而施工放样过程中观测点至测站点的距离都较短，故这两项改正可忽略不计。观测方向的垂直角较大时，有必要考虑垂线偏差的影响。以前，在GPS技术没有应用于测量领域时，垂线偏差的测定必须有相关的重力资料，没有重力资料的区域，无法求得垂线偏差。因而，在隧道贯通时，多采取削弱垂线偏差影响的措施(如尽量使定向边与隧道施工高程面近似相等的高度上)。现在GPS广泛应用于测量领域，这为垂线偏差的求定提供了很大的方便。 世纪大桥为连接市区与金沙湾之间的一座城市公路桥梁，大桥全长约2262m，其中主桥长636.6m，为钢筋混凝土结构的双塔双索面斜拉桥，主孔跨度340m，主塔塔顶高程为111m。大桥开工前，曾建立了大桥施工控制网，随着大 11 江西理工大学2006届本科生毕业论文 桥施工全面展开，个别点发生了位移，部分点间通视受阻，为确保大桥的施工质量和工期，对该桥平面控制网进行复测和改造。 由于受场地地形限制，致使网形结构较差，同时受施工干扰，中线等几个跨河视线方向无法通视，采用常规三角测量方法难度很大，故在此次复测中应用了GPS测量技术。 在GPS静态测量中，不管接收机天线是架在三角架上还是安置在强制对中墩上，都涉及仪器高的量取问题，而且仪器高的量取高度属于垂线方向上的高程，显而易见仪器高的量取精度对点的测量成果有着直接的影响。由于GPS测量获得的是空间坐标，并且实际点与测量所得点不在一条法线上，那么实际点与测量所得点在椭球面上的投影必不重合，则这两点的平面坐标也不重合。在实际应用中很多情况下最后所需成果为平面坐标，因此有必要讨论一下仪器高的量取精度 对平面坐标成果的影响。我们先了解一下GPS系统的组成、特点及工作原理。 12 江西理工大学2006届本科生毕业论文 第一章 GPS概述 1.1 GPS即全球定位系统简介 全球定位系统(Global Positioning system—GPS)，是随着现代科学技术的迅速发展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统。1957年10月，世界上第一颗人造卫星的成功发射，使得空间科学得以迅速发展，人类进入了一个崭新的时代。为了满足军事部门和民用部门，对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海路空三军，共同研究建立了新一代卫星系统的计划。这就是目前所称的 “授时与测距导航系统/全球定位系统”(Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System-NAVSTAR/GPS)，通常称为“全球定位系统”(GPS)。 GPS历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统(Global Positioning System)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上(每轨道面四颗)，轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断 13 江西理工大学2006届本科生毕业论文 改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。GPS系统的全球主控基站分布图如图1,1: 图 1-1 GPS系统的全球主控基站分布图 1.2 GPS系统的组成 GPS系统包括三大部分:空间部分-GPS卫星星座;地面控制部分-地面监控系统;用户设备部分-GPS信号接收机。 空间部分: 24颗 星广播L1， L2，卫 星轨道， 时间数据及辅助 资料信息 监控部分: 用户部分: 中央控制系统 接收设备 时间同步 接收卫星信号 跟踪卫星定轨 图1-2 全球定位系统(GPS)构成示意图 14 江西理工大学2006届本科生毕业论文 1.2.1 GPS卫星星座 GPS工作卫星及其星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度， 同一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。 在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗， 最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗 GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做"间隙段"。但这种 时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时动态观测。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。 1.2.2 地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射 述卫星运动及其轨道的 的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，的星历即 是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 1.2.3 GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是:能够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， 位置，甚至三维速度和时间。 接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构 分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成 两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方， 用电缆线将两者连接成一个整机。也 15 江西理工大学2006届本科生毕业论文 有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。 1.3 GPS系统的特点 1、定位精度高 -6应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10，100,500KM -9,7可达，1000km可达10。在300,1500m工程精密定位中，1小时以上观测10 的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。 2、观测时间短 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，GPS接收机的观测时间也越来越短。现在20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2分钟完成初始化，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。 3、测站间无须通视 GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。 4、可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。经坐标转换GPS水准可满足四等水准测量的精度。 5、操作简便 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度;接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和、劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。 6、全天候作业 目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 7、功能多、应用广 16 江西理工大学2006届本科生毕业论文 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，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。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。 17 江西理工大学2006届本科生毕业论文 第二章 GPS定位的基本原理及误差来源和影响 利用GPS进行定位的方法有多种，若按参考点的不同位置，则可分为绝对定位和相对定位。绝对定位指的是在地球坐标系统中，确定观测站相对地球质心的位置，这时可认为参考点与地球质心相重合。而相对定位指的是在地球协议坐标系统中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置。按定位时GPS接收机所处的状态，可以将GPS定位分为静态定位和动态定位两类。所谓静态定位， 或更长时间进行观测，以确定一个点在指的是将接收机静置于测站上数分钟至1h WGS---84坐标系中的三维坐标(绝对定位)，或两个点之间的相对位置(相对定位)。而动态定位至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测历元相应的运动中的点位(绝对定位或相对定位)。 利用接收到的测距码或载波相位均可进行静态定位。但由于载波的波长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及载波相位的观测值精度均取至0.1周(每,2弧度为一周)，则C/A码及载波L1所相应的距离误差分别约为2.93m和1.9mm。因此，利用码相位的伪距测量只能用于单点绝对定位。而载波相位观测量则是目前GPS测量中精度最高的观测量，而且它的获得不受(P码或Y码)保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要的应用是进行相对定位。将两台GPS接收机分别安置在两个不同点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除或减弱多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。 2.1 GPS定位的基本观测量 利用GPS定位，无论采用何种方法，都是通过观测GPS卫星而获得的某种观测量来实现的。我们知道，GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同要求，可以从中获取不同的观测量，其主要包括: ? 根据码相位观测得出的伪距; ? 根据载波相位观测得出的伪距; ? 由积分多普勒计数得出的伪距差; ? 由干涉法测量得出的时间延迟。 不过，当采用积分多普勒计数法进行定位时，其所需的观测时间一般较长(例如数小时)，同时在观测过程中，接收机的振荡器要求保持高度稳定。而用干涉法测量时，所需的设备比较昂贵，数据处理较为复杂。所以，这两种方法，目前在定位中，尚难以获得广泛应用。目前广泛采用的基本观测量主要是码相位观测量和载波相位观测量。 一、码相位伪距观测值 所谓码相位观测，即GPS测量卫星发射的测距码信号(C/A码或P码)，达到用 18 江西理工大学2006届本科生毕业论文 户接收机天线的传播时间，因此用这种观测方法，也称为时间延迟测量。为了测量码信号的时间延迟，需要在用户接收机内复制测距码信号，并通过接收机的时间延迟器进行相移，以使复制的码信号与接收到的相应码信号达到最大相关，即使其相应的码元对齐。为此，所必须的相移量，便是卫星发射的码信号到达接收 ,机天线的传播时间，即时间延迟。在卫星钟与接收机钟完全同步，并且忽略大气折射影响的情况下，所得的时间延迟量乘以光速C，便为卫星信号发射天线至用户接收机天线之间的几何距离 , ,=?c (2-1) , 由于卫星钟、接收机钟的误差及无线电信号经过电离层和对流层的延迟，因此，测出的距离P与实际的卫星到接收机距离有误差。一般称此测量出的距离P为伪距，通过C/A码相位进行测量的为C/A码伪距，对P码相位进行测量的为P码伪距，复制码与接收的测距码相关精度为码元宽的1%。对C/A码来说，由于其码元宽度约为293m，则其观测精度约为2.9m;而P码的码元宽度为29.3m，其观测精度约为0.29m，比C/A码的观测精度约高10倍。所以，有时也将C/A码称粗码，P码称精码。 二.载波相位观测值 载波相位观测，是测量接收机接收到的，具有多普勒频移的载波信号，与接 jjjj,(t)收机产生的参考载波信号之间的相位差。若表示卫星，于历元发射的st ,(t)Tt载波信号相位;表示接受机于历元的参考信号相位(图2-1)，同时考虑iiii 到，接受信号的相位于卫星发射信号的相位相等，则上述相位差可表示为 jjj ,,,(t),,(t)iii 图2-1 载波相位测量观测值 19 江西理工大学2006届本科生毕业论文 由于载波的波长远远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度较码相位观测精度要高。对载波L1而言，其波长为19cm，其相应的观测误差为2.Omm;而对载波L2的相应误差为2.5mm。载波相位观测，是目前最精确的观测方法，它对精密定位工作具有很重要的意义。但是，载波相位观测的主要问题是它无法直接测定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，因而存在整周不确定性问题。另外，在接收机跟踪卫星进行观测的过程中，常常由于多种原因，例如接收机天线被阻挡、外界噪声信号的千扰等，还可能产生周跳现象。不过有关载波相位整周的不确定性问题可以通过数据处理得到解决。同样，在卫星钟与接收机钟严格同步，并忽略大气折射影响的情况下，如果载波的整周数已经确定，则上述载波相位乘以相应的载波波长，也可以确定观测站至所测卫星之间的几何距离。 2.2 GPS定位基本原理 2.2.1 绝对定位原理 绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站，相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。利用GPS进行绝对定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离(或距离差)观测量为基础，并根据己知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。 绝对定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。为此，在一个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于，以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站在平面交线的交点。但是，由于GPS采用了单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟，又难以保持严格同步，所以，实际观测的测站至卫星之间距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响(故习惯上称之为伪距)。关于卫星钟差，我们可以应用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差，一般难以预先准确地确定。所以，通常均把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在1个观测站上，为了实时求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个卫星钟差参数)，便至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星(图2-2) 20 江西理工大学2006届本科生毕业论文 图2-2 GPS绝对定位 应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对位和静态绝对定位。当用户接收设备安置在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有(或很少)多余观测量的实时解。这种定位方法，被广泛地应用于飞机船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感等领域也有着广泛的应用前景。当接收机天线处于静止状态的情况下，用以确定观测站绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。这时，由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测后，通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方法，主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。 2.2.2 相对定位原理 相对定位的最基本情况，是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量(图2-3)。当用多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星，可以确定多条基线向量。 图2-3 GPS相对定位示意 21 江西理工大学2006届本科生毕业论文 因为在两个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高定位精度。根据用户接收机在定位过程中所处的状态不同，相对定位有动态和静态之分。静态相对定位，即当设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。为提高相对定位的精度，当前普遍采用的是在观测值之间求差的方法来实现的。 1、站间单差:即对不同测站，同步观测相同卫星所的观测量之差。由于两个测站在同一时刻对某一卫星来说，其卫星钟差、星历误差等于卫星有关的误差是相同的，所以站间单差可以消除与卫星有关的误差。另外，对于两万公里以上的卫星来说，地面站间的距离通常只有几公里至几十公里，因而卫星到两测站之间的路径基本相同，也就是说，大气折射误差对两测站的同步观测值具有一定的相关性。当两测站的距离越小时，其相关性越大。所以，对单差观测量的影响将显著减弱，尤其当基线短于20km时，这种有效性更为显著。 2、星间单差:即在同一测站，不同卫星的同步观测量之差。这样可以使与测站有关的误差，如接收机钟差的影响，大大削弱甚至消除。星间单差可用于单点定位，可提高绝对定位的精度。 3、双差解:即在站间单差的基础上再次在星间求差。在站间求差，可以消除或大大减弱与卫星和传播介质有关的误差影响;而在卫星间求差，由可消除或大大减弱与测站有关的误差影响所以接收机钟差便可忽略。因此，站星双差观测量精度很高，主要用于相对定位。 4、三差解:对二次差继续求差成为三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。三次模型消去了整周未知数，因而可快速提供测站的近似坐标。但是，由于三次求差使观测方程的数目明显减少，这对未知参数的解算可能产生不利的影响。所以在实际工作中，一般不采用三差模型，而多采用站星双差模型。静态相对定位一般采用载波相位观测值为基本观测量，这一方法是当前GPS定位中精度最高的一种方法，广泛地应用于大地测量、工程测量和地壳变形监测等精密定位领域。动态相对定位，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对于基准站的实时位置。根据其采用的观测量不同，动态相对定位又可分为测码伪距动态相对定位和测相伪距动态相对定位。 测码伪距动态相对定位法。目前，其实时定位精度可达米级。以相对定位原 22 江西理工大学2006届本科生毕业论文 理为基础的实时差分GPS，由于可以有效地减弱星历误差、钟差、大气折射误差及SA政策的影响，其定位精度远较伪距动态定位的精度为高，己普遍的应用于运动目标的导航、监测和管理方面。 测相伪距动态相对定位法，是以预先初始化或动态解算载波相位整周未知数为基础的一种高精度动态相对定位法。目前在较小范围内(例如<2Okm),获得了成功的应用，其定位精度可达1—2厘米。 2.2.3 差分GPS定位原理 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即:位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 1、位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的己知坐标是不一样的， 存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100k。以内的情况。 2、伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差 ,,的测量值加以比较。利用一个-滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定位精度。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 3.载波相位差分原理 测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的 ,6,8(10~10)但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时 23 江西理工大学2006届本科生毕业论文 间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术(FARA)使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态(stop and go)，往返重复设站(re-occupation)和动态(kinematic) 来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。差分(GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术——载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为RTK技术(real time kinematic)，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类:修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。 2.3 GPS定位的误差来源和影响 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源，可分为三类:与卫星有关的误差;与卫星信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。 2.3.1与卫星有关的误差 1、卫星钟差 尽管卫星上采用的是原子钟(铯钟和铷钟)，但是，由于这些钟与GPS标准时之间会有偏差和漂移，并且随着时间的推移，这些偏差和漂移还会发生变化。而GPS定位所需要的观测量都是以精密测时为依据。卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。卫星钟偏差总量达lms，产生的等效距离误差可达300km。 GPS定位系统通过地面监控站对卫星的监测，测试卫星钟的偏差。用二项式模拟卫星钟的变化只能保证卫星钟与标准GPS时间同步在20ns之间。由此引起的等效偏差不会超过6m。要P进一步削弱剩余的卫星钟残差，可以通过对观测量的差分技术来进行处理。 2、卫星星历误差 卫星星历是GPS卫星定位中重要数据。卫星星历是由监控站跟踪监测GPS卫星求定的。由于地面监测站测试的误差，以及卫星在空中运行受到多种摄动力影响，地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力，使得测定的卫星轨道会有误差:另 24 江西理工大学2006届本科生毕业论文 外由地面注入站给卫星的广播星历和由卫星向地面发送的广播星历，都是由地面监测的卫星轨道外推计算出来的。使得由广播星历提供的卫星位置与卫星实际位置之间有差值。在无SA技术时广播星历精度为25m(当执行SA技术后，广播星历精 ,6度降到l00m )。广播星历对相对定位影响为。由此可以看到，对于长基线，1，10 广播星历误差将是影响定位精度的重要原因。由于卫星星历误差对相距不太远的两个测站定位影响大体相同，因此，对于基线不很长，采用同步观测求差，就可减弱卫星轨道误差的影响。所以，在实用中，对于不长的基线、定位精度要求不很高的情况下，采用相对定位，广播星历就可以了。但是对于长基线、高精度相对定位，广播星历精度就不够了，需要用精密星历。 2.3.2与卫星信号传播有关的误差 1、电离层折射的影响 从地面向上50km到1000km的大气层顶部都为电离层。在这一层中，由于太阳的作用，是大气层中分之发生了电离，所以在电磁波传播过程中，会使传播的速度和方向发生变化，而产生传播延迟。电磁波传播延迟与传播路经上的电子总量有关，还与电磁波传播到GPS天线的方位有关。水平方向比天顶方向延迟量最大可差3倍。对于电离层延迟的影响可通过以下几种途径解决:利用电离层模型加以改正;利用双频接收机减少电离层延迟;用两个观测站同步观测量求差。 2 、对流层折射的影响 从地面向上40km为对流层，大气层中质量99%都集中在此层中。电磁波在其中的传播速度与频率无关，只与大气的折射率有关，还与电磁波传播方向有关， 0在天顶方向延迟可达2.3m，在高度角时可达20m。减少对流层折射对电磁波延10 迟影响的方法有:模型改正;当基线较短时，利用基线两端同步观测求差。 3.多路径效应影响 GPS定位时，若接收机天线周围有高大建筑物或大面积水域时，建筑物和水面对电磁波有反射作用。天线接收到的信号不但有直接从卫星发射的信号，还有从反射体反射的信号，这两种信号叠加作为观测量，定位会产生误差，该误差为多路径效应。为减少多路径效应的影响，安置天线时，尽量避开强反射物。另外还可选用防多路径效应的天线来减弱多路径效应的影响。 2.3.3与接收设备有关的误差 1.观测误差 观测误差与仪器硬件和软件对卫星信号观测能达到的分辨率有关，一般认为，观测的分辨率误差为信号波长的1%，各种不同观测误差如表2-1 25 江西理工大学2006届本科生毕业论文 表2-1观测误差表 观测误差 信号 波长, P码 29.3m 0.3m C/A码 293m 2.9m 载波L1 19.05cm 2.Omm 载波L2 24.45cm 2.5mm 观测误差还与天线的安置精度有关，即天线的对中误差、天线整平误差及量取天线高的误差。 2.接收机钟差 ,5一般GPS接收机内时标采用的是石英晶体振荡器。其稳定度为(1—5)，，10 ,6若采用温补电路，能达到(1—5)了。若要精度更高，可采用恒温晶体振荡，10 ,9器，但也只能达到(1—5)。但其体积大，耗电量大，并且要长时间预热。，10 早期GPS接收机采用恒温晶体振荡器，目前都用温补晶体振荡器。如果卫星钟与地面接收机钟同步误差为lus,引起的等效距离误差为300m，这个误差很大。解决接收机钟差办法如下:在单点定位时，将钟差作为未知数在方程中求解;在载波相位相对定位中，采用观测值的求差，可以有效消除接收机钟差:在高精度定位时，可采用高精度的外接频标，如铆钟或艳钟，为接收机提供高精度时间标准。 3.载波相位观测的整周未知数 前己指出，载波相位观测法，是当前普遍采用的最精密的观测方法，它可精确的测定卫星至测站之间的距离。但是由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，和从某一起历元至观测历元件载波相位变化的整周数，而无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播路径上变化的整周数。因而在相位伪距观测中，存在整周未知数的影响。另外，载波相位观测，除了上述整周未知数问题外，在观测过程中，还可能发生整周跳变问题。当用户接收机受到信号并实时跟踪〔锁定)后，载波信号的整周数便可由接收机自动地计数。但是在中途，如果卫星信号被阻挡或受到干扰，则接收机的跟踪可能中断(失锁)。而当卫星信号重新被锁定后，被测载波相位的小数部分，将仍和未发生中断前的情形一样，是连续的，可这时整周数却不再是连续的。这种情况称为整周变跳或周跳。 4.天线相位中心的位置偏差 在GPS测量中，其伪距和相位观测量都是测量卫星到接收机天线相位中心间的距离。而天线对中都是以天线几何中心为准。所以，要求天线相位中心应与天线的几何中心保持一致。但是，天线相位中心的瞬时位置会随信号输入的强度和 26 江西理工大学2006届本科生毕业论文 方向不同发生变化，所以观测时，相位中心的瞬时位置与理论上的相应的相位中心不一致。天线相位中心与几何中心的差称为天线相位中心偏差。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏，可达数毫米甚至数厘米。所以对精密相对定位而言，这种影响是不容忽视的。为削弱天线相位中心的影响，在实际测量时，要求天线严格对中、整平，同时还要将天线盘上方向指北(偏差 —5″之内)。 在3 其他误差来源除了上述误差外，还有其他一些可能的误差来源，如地球自转的影响和相对论效应的影响。 27 江西理工大学2006届本科生毕业论文 第三章 GPS在路桥工程中的应用 3.1 GPS检核或加密TPS导线 由于TPS 导线精度的不均匀，并且一般低于GPS测量精度，为了尽量保证新的GPS测量与原TPS测量的一致性，不至于出现两套测量成果，在用GPS检核或加密TPS导线时，应注意在一定的距离间隔内，GPS点要和原TPS导线点重合，使GPS测量成果尽量符合在原TPS导线控制点上。 宁西铁路信阳段施工测量导线，平均约500m设一控制点，并以线路延伸方向为X轴建立工程独立坐标系。在用GPS检测该导线时，约1.5k m间距与导线点重合设站进行静态观测，如图3-1所示。为了增加GPS测量的检核条件，GPS 野外测量方案采用“边连接”的方式，每4次设站加测闭合边。 图3-1 GPS检测TPS导线点示意图 将GPS 测量成果转换到导线的独立坐标系，首先把WGS-84椭球放大为椭球El，并尽量使El椭球面与独立坐标系投影面重合或接近，然后把GPS测量结果转化为E1椭球面上的平面高斯坐标，再分别选D4, D16, D28和D4, D14, D19, D28 为公共转换点，进行二维最小二乘转换，最后求得GPS测量成果与TPS导线测量成果的较差，结果如表3-1所示。 表3-1 坐标转转换公共点 点名 D4 、 D16 、 D28 D4 、D14 、D19、 D28 X(cm) Y (cm) X (cm) Y (cm) ,,,, D4 1.1 7.7 1.3 10.0 D9 1.4 -11.2 1.6 -8.8 D14 0.4 -15.1 0.7 -12.6 D16 -0.3 -15.5 0.0 -13.0 D19 -1.6 -10.6 -1.4 -8.0 D23 -0.4 -3.0 -0.2 -0.4 D28 -0.8 7.8 -0.5 10.6 绝对值 0.9 10.1 0.8 9.1 平均较差 28 江西理工大学2006届本科生毕业论文 从表 3- 1可以看出: 1) 增加 GPS和TPS导线坐标转换公共点，对提高GPS和TPS导线测量成果的一致性有利，但以降低GPS的测量精度为代价。 2)从上述直伸型导线的GPS和TPS测量成果比较来看，Y坐标的分量较差明显大于X坐标分量,由此TPS导线测量精度受角度误差的影响要大于距离。 3)实践表明，对与工程级导线，用GPS检测或加密控制点时，符合到原TPS导线点上的间距一般不超过2km为宜。 4)在GPS检测TPS导线时，由于TPS导线误差积累等因素的影响，直接比较两者的坐标差往往不能得出正确的结果(上表显示两种坐标的差异有的达到十几厘米)。一般比较相邻两点间的距离或方向夹角，以检查TPS导线点有无点位移动等粗差，即用GPS坐标进行反算求得相邻点的边长和角度，再与导线平差结果进行比较，两者之差不应大于导线平差后边长及角度与导线平差后边长及角度之差的中误差的两倍，根据此来检测导线中是否含有粗差。表3-2、表3-3分别是边长和角度的检测结果。 表3-2 导线边长检核结果 边号 GPS斜边边长(m) 全站仪斜边边长(m) 较差(m) D4-D9 1956. 3360 1956. 3265 -9.5 D14-D9 1631.6756 1631. 6670 -8 6 D14-D16 727. 1681 727. 1760 7.9 D16-D19 1328. 6962 1382. 7075 11. 3 D19-D23 1459. 5580 1459. 5609 2.9 D23-D28 1482. 1187 1482. 1040 -14.7 D16-D28 4228. 5777 4228. 5809 3.2 D4-D28 8531.9929 8531.9921 -0.8 D4-DI6 4304.5133 4304. 5169 3.3 注: 较差中误差S= 8.2mm 表3-3 导线角度检核结果 角度编号 GPS角度值 全站仪角度值 较差(″) D4-D9-D14 186 35 42.1 186 35 42.4 0.3 D9-Dl4-Dl6 183 35 18.5 183 35 21.7 3.2 D14-Dl6-DI9 170 11 50.1 170 11 59.5 9.4 D16-D19-D23 192 36 1.8 192 36 4.7 2.9 D19-D23-D28 160 57 43.9 160 57 48.3 4.4 D4-D28-D23 009 23 27.8 009 23 17.1 -10.7 29 江西理工大学2006届本科生毕业论文 D4-D16-D14 005 58 26.5 005 58 29.2 2.7 D4-D28-D16 0 53 26.6 0 53 18.6 -8.0 D28-D4-Dl6 0 52 29.9 0 52 22.1 -78 D23-D28-D16 008 30 1.2 008 29 57.5 -3.7 D28-D4-D9 003 20 4.3 003 20 12.7 8.4 注:较差中误差S=6.4″ 由上面的检核结果可以看出该导线是可靠的。 3.2 GPS控制测量和TPS施工放样 在隧道工程中，大都采用独立坐标系(即以工程施工面为投影面)，此时以常规控制测量进行TPS施工放样不用考虑垂线偏差的影响。而GPS测量属于法线系统，TPS测量属于垂线系统。因此，在隧道施工过程中，如果把洞外的GPS控制测量成果(进洞定向等元素)用TPS引进洞内时，严格讲有垂线偏差的影响问题。为了保证必要的隧道贯通精度，有时必须考虑垂线偏差的影响。 由控制测量学可知，当测站和照准目标两点的高程大致相等，则垂线偏差对观测方向值的影响几乎为零。因此，在无法精确求得垂线偏差的情况下，将隧道洞外定向的两个GPS控制点布设在与隧道施工高程面近似相等的高度上，则垂线偏差对测设进洞定向角的影响可大大减弱。目前，大多隧道贯通工程采用此种方法。 图3-2隧道横断面示意图 但是，在实际工程中，由于条件的限制，很难保证将隧道洞外定向的两个GPS控制点布设在与隧道施工高程面近似相等的高度上，如上面的横断面示意图所示。此时，必须考虑垂线偏差对角度放样的影响。在隧道贯通时，必须保证进洞 a方向的准确。设起始方向12的水平观测方向值为,进洞方向13的水平观测方向12 aaAaA值为, 、归算至椭球面上相应大地线的方向值分别为、，由GPS1313131212控制测量确定的放样角为A (A为1至2的的大地方位角与1至3的大地方位角的夹角)，则 30 江西理工大学2006届本科生毕业论文 A = + A (3-1) A1312 由水平观测方向的归算有: ,，,，,A= a+ (3-2) 1231212 ,、,、,其中分别为a的垂线偏差改正、标高差改正、截面差改正。 12312 ,,,A,a，,，,，, (3-3) 1313123 ,,,,、,、,a其中分别为的垂线偏差改正、标高差改正、截面差改正。 12313 因为，标高差改正、截面差改正都与观测点至测站点的距离有关，而施工放样过程中观测点至测站点的距离都较短，故这两项改正可忽略不计。 ,-2可知，1, 3两点在同一水平面上，故为零。 由图33 所以 aa,= + + A (3-4) 13121 由垂线偏差改正公式[6]有: ,,,,,,usin(A,,)tga,,(,sinA,,cosA)tga (3-5) 11212121212 ,A其中为观测方向12的大地方位角;为点1垂线偏差方向的大地方位角;u是 ,12 a点1的垂线偏差，,、分别是垂线偏差的子午分量和卯酉分量;是观测方向,1212的垂直角。 ,A,当观测方向与垂线偏差方向垂直(即- = 90?)时，最大，此时不同的u、,121 a,所相应的,数值如下表3-4所示。 121 表3-4 ,a 112 0? 3? 5? 10? 15? 20? u 5 0? 0.26 0.44 0.88 1.34 1.82 10 0? 0.52 0.87 1.76 2.68 3.6 15 0? 0.79 1.3 2.64 4.0 5.46 31 江西理工大学2006届本科生毕业论文 由上表可看出，当观测方向的垂直角较大时，有必要考虑垂线偏差的影响。 以前，在GPS技术没有应用于测量领域时，垂线偏差的测定必须有相关的重力资 料，没有重力资料的区域，无法求得垂线偏差。因而，在隧道贯通时，多采取削弱垂线偏差影响的措施(如尽量使定向边与隧道施工高程面近似相等的高度上)。现在GPS广泛应用于测量领域，这为垂线偏差的求定提供了很大的方便，只要在测点上布设两GPS基线(两基线夹角以不小于60?为好)，并联测两基线的正常高差，可求定该点的垂线偏差。 3.3 GPS在世纪大桥施工控制网复测中的应用 3.3.1 概述 世纪大桥为连接市区与金沙湾之间的一座城市公路桥梁，大桥全长约2262m，其中主桥长636.6m，为钢筋混凝土结构的双塔双索面斜拉桥，主孔跨度340m，主塔塔顶高程为111m。大桥开工前，曾建立了大桥施工控制网，随着大桥施工全面展开，个别点发生了位移，部分点间通视受阻，为确保大桥的施工质量和工期，对该桥平面控制网进行复测和改造。 改造后的控制问由12个埋石点组成，另外还有3个已知点和2个检测点， 2网的最长边为6789m，最短边为53m，平均边长4000m，面积约为2km。 由于受场地地形限制，致使网形结构较差，同时受施工干扰，中线等几个跨河视线方向无法通视，采用常规三角测量方法难度很大，故在此次复测中应用了GPS测量技术。 3.3.2 GPS网测量 1) 精度指标 根据技术规范和技术设计书，要求该网达到三等三角测量精度，其最弱边相对中误差为1/8万，点位中误差不大于5mm。 2) 外业观测 改造后控制网的选点埋石工作已完成，即点伍已达足够稳定度。使用3台 -6Trimble 4000ssi GP5接收机施测，其标称精度为?(5mm+2?10D)，施测期间天气晴好，仪器对中和天线量高等均按规范要求进行。结合GPS测量规范，选定时段长度为90min，观测时接收卫星个数大于5，几何强度因子PDOP值,4，卫星高度截止角为10?，历元采样间隔为5s。同时在外业观测过程中特别注意检校基座对中设备，并在实际对中时注意检查。全网观测成果的特点如表3-5。 32 江西理工大学2006届本科生毕业论文 表3-5 GPS网复测的特点 总基线同步独立多余基线重复同一点重复设站次数 点向量图形基线向量数 基线 数 总数 个数 向量测量 数 数 17 55 18 36 19 15 一二三四五六 次 次 次 次 次 次 3 3 2 2 6 1 由表3-5可见:重复基线占必要基线的52,，多余观测基线与独立基线之比为1:2，除检测点外不存在一次设站的点，因此该网GPS图形结构坚强，具有良好的精度和可靠性。 3) 数据预处理和质量评价 在每天外业结束后，利用厂家提供的商用基线解算软件解算基线向量，并利用同步环闭合差、异步环闭合差以及重复基线闭合差进行质量检验。 检核结果表明:该网内符合精度和外符合精度优良，观测值中不含有粗差，经平差后可获得良好的结果。 4) 基线长度测定 虽然采用GPS测量不需要测定基线长度，考虑到本次使用仪器的标称精度为 -6?(5mm+2?10D)，为提高施测精度，我们使用捷创力540A全站仪[标称精度为 -6?(2mm+2?10D)]施测两条基线边，基线边按《中短程光电测距规范》施测，同时施测另外两条边作为检核。 5) 平差计算 ? 平差软件:天任勘测科技有限公司开发的Power Adj3.0版商用软件。 ? 已知数据:通过不同平差方式的结果比较，认为3个已知点中，明珠大厦点外来无线电干扰严重，不能使用，另外两点可使用。同时基线边参与约束平差(取墩顶平均高程平面作为边长归算平面。 ? 平差计算:通过同步环、异步环及重复基线闭合差的检验结果，说明基 线向量成果正确，然后在WGS-84坐标系和桥址独立坐标系里分别进行平差; 在桥址坐标系里，利用基线向量成果进行元约束平差和加入两条光电测距边 长的约束平差，通过两次平差结果的比较，可以得出约束平差比无约束平差 在测站间方向、距离中误差及点位中误差的精度方面有所提高，控制点坐标 比较如表3-6，最后成果取用有两条光电测距边的约束平差成果。 表3-6 控制点坐标比较(mm) 点号 DQ JD DQ DQ DQ DQ DQ DQ DQ DQ 14891314151617 X-X -3.2 -2.7 -1.4 2.4 4.8 -0.2 1.7 1.2 -0.6 1.7 21 X-Y 0.3 -0.1 -0.1 0.0 0.9 0.8 -0.6 -0.4 0.4 1.4 21 33 江西理工大学2006届本科生毕业论文 ? 精度评定:平差后，桥中线 (DQ6,DQl5)的边长相对中误差为1/81.3万， 最弱边(DQl4,DQl5)的边长相对中误差为1/13.5万，各点点位中误差如表 4-7所示。 表3-7 控制点点位中误差 DQ JD DQ DQ DQ DQ DQ DQ DQ DQ 14891314151617?2.3 ?2.1 ?1.6 ?1.8 ?2 ?1.5 ?1.7 ?1.6 ?1.3 ?1.4 从表3-7可知，最弱点DQ的点中误差为?2.3mm，平差结果达到前述精度要l 求，能满足大桥施工的需要。 3.4 GPS在路桥工程应用中若干问题的分析 3.4.1 GPS作业中仪器高的量取精度对平面坐标的影响 在GPS静态测量中，不管接收机天线是架在三角架上还是安置在强制对中墩上，都涉及仪器高的量取问题，而且仪器高的量取高度属于垂线方向上的高程，显而易见仪器高的量取精度对点的测量成果有着直接的影响。由于GPS测量获得的是空间坐标，并且实际点与测量所得点不在一条法线上，那么实际点与测量所得点在椭球面上的投影必不重合，则这两点的平面坐标也不重合。在实际应用中很多情况下最后所需成果为平面坐标，因此有必要讨论一下仪器高的量取精度对平面坐标成果的影响。 为此，对宜昌夷陵桥GPS控制网又进行一次数据处理，处理GPS数据首先要输入GPS原始观测数据，在输入原始观测数据时人为地把YQ07点的仪器高改为1.1950m(实际量测的天线高为0.195m，即加粗差lm)，经数据处理(采用ski-prol1版软件)后所得的加粗差的YQ07点和不加粗差的YQ07点的平面坐标(x,y)与大地高H的结果如下表。 表4-8仪器高加粗差的与不加粗差的YQ07点的坐标结果(单位为:_m) 坐 标 x y H 点 不加粗差的YQ07 979.954 141.776 58.4769 加粗差的YQ07 979.949 141.776 57.4775 由上表可看出，对YQ07点的仪器高人为地加长lm后所得的平面坐标与不加粗 34 江西理工大学2006届本科生毕业论文 差所得的平面坐标没什么差别，其差别明显地表现在高程上。也就是说，在实际作业中仪器高的量取精度对平面坐标的影响甚微，完全可以忽略不计。下面从理论上进行推导: 图3-5 如图3-5，设测点m的大地高为H，仪器高量测误差为h，由于仪器高量测误差的影响，点。移至点p。把国家参考椭球放大为E1椭球(中心、轴相、扁率保持不变)，且使E1椭球面过m点再令过点q的法线与El椭球面的交点为q，过m点的卯酉圈与过q点的子午圈的交点为n ,由假设可知，E1椭球的长半径有下面关系式: a ,,/N=/a (3-6) Na 即 , =((H+N) /N)?a (3-7) a 此处a为国家参考椭球长半径，N为相应于该椭球的m点的卯酉圈曲率半径，且 22 (3-8) N,a/1,esinB ,,为相应于E1椭球的m点的卯酉圈曲率半径，且=H+N NN 一般来说，仪器的两高为垂高，由上面假设可知，pm与pq的夹角为u(即垂线偏差)，在微小范围内球面mnq可看成为平面，因而球面三角形mnq可看成是平面直角三角形mnq 则有: mq = h?u (3-9) mn < mq (3-10) nq < mq (3-11) 设点m的大地坐标为(B, L)，点m、点p的经纬差分别为?L, LB，平面坐标差为 35 江西理工大学2006届本科生毕业论文 ?x、?y。则点p的大地坐标为(B+?B, L+?L);设过点二法线与国家参考椭球 ,,的交点为，令过点的卯酉圈半径为R，过点m的卯 mm ,酉圈半径为，则 R ,,/ R = / N (3-12) RN mn= R??L (3-13) ?y=R??L (3-14) ?y < h?u (3-15) 根据由赤道起算的子午线弧长公式可得: lla)点m、点P相应于国家参考椭球的子午线弧长分别为,，且 pm BDEF2l,a(1,e)[C,sin2B，sin4B,sin6B，？] (3-16) m,246 B，,BDEF2l,a(1,e)[C,sin2(B，,B)，sin(B，,B),sin6(B，,B)，？] p,246 (3-17) ,,b)点m、点P相应于El椭球的子午线弧长分别为l、l，且 mm BDEF,2,l,a(1,e)[C,sin2B，sin4B,sin6B，？] (3-18) m,246 B，,BDEF,2,l,a(1,e)[C,sin2(B，,B)，sin(B，,B),sin6(B，,B)，？] p,246 (3-19) 以上式中: e为第一偏心率: 0 = 180/,; , 345175246C1eee ,，，，，？; 464256 315525246Deee,，，，？ ; 416512 1510546Eee,，，，？; 64256 356Fe,，？。 512 故 36 江西理工大学2006届本科生毕业论文 ,X,l,l ,m ,BD2,X,a(1,e)[C,sin2(B，,B),sin2B),2 (3-20) EF，sin4(B，,B),sin6(B，,B)，？]46 ,,nq,l,l ,m ,BD2,,a(1,e)[C,sin2(B，,B),sin2B),2 (3-21) EF，sin4(B，,B),sin6(B，,B)，？]46 由(3-11), (3-20), (3-21)三式得 x