gps定位系統在工程控制測量中的應用畢業設計-資料下載頁

【導讀】GPS即全球定位系統是美國從上世紀70年代開始研制，歷時20年，本文介紹了GPS的特點、發展及應用、GPS的組成及工作原理，外業。測量、工作流程、GPS基線解算的基本原理等。

　　

【正文】 GPS 網建成為廉有監測三維形變功能的控制網。這樣監測 GPS網既可以為城市建設提供發現隱患、預防災害的極有價值的信息，也有利于充分發揮 GPS網在城市建設中的作用。 采用分級布網的方案 分級布網是建立常規測量控制網的基本方法，由于 GPS 測量具有許多優越性，所以并不要求 GPS 網按常規控制網分很多等 級布設，但有計劃地分級布設 GPS 網，有利 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 20 于測區的近期需要和遠期的發展。例如，大城市的 GPS 控制網可以分為三級：首級網中相鄰點的平均距離大于 5km；次級網中相鄰點平均距離為 1km5km；三級網相鄰點平均距離可小于 1km，且可采用 GPS 與全站儀相結合的方法布設。對于小城市，分兩級布設 GPS 網即可。 為提高 GPS 網的可靠性，各級 GPS網必須布設成為由獨立的 GPS 基線向量邊（簡稱為 GPS 邊）構成的閉合圖形網，閉合圖形可以是三邊形 、四邊形或多邊形，也可以包含一些附和路線，但網中不允許存在支線。 （二） GPS 測量的精 度標準 GPS 測量的精度標準常用網中相鄰點之間的距離中誤差表示，其形式為 σ = a + bd （ ） 式中 σ ———— 距離中誤差， mm a———— 固定誤差， mm b———— 比例誤差系數， 106 d———— 相鄰點的距離， km 國家測繪局 1992 年制訂的我國第一部《 GPS 測量規范》，將 GPS 的測量精度分為 AE5 級（見表 31）。其中 A， B兩級一般是國家 GPS 控制網，而 C， D， E3 級則是針對局部性 GPS 網規定的，在 GPS 網的技術設計中，應 根據測區大小 和 GPS 網的用途來設計網的等級和精度標準。 表 31 GPS 的測量精度 A B C D E 固定誤差 a/mm ? 5 ? 8 ? 10 ? 10 ? 10 比例誤差系數b/106 ? ? 1 ? 5 ? 10 ? 20 相鄰點最小距離/km 100 15 5 2 1 相鄰點最大距離/km 2020 250 40 15 0 相鄰點平均距離/km 300 70 1510 105 52 （三）坐標系統和起算數據 GPS 采用的 1984 年世界大地坐標系（ world geodetic system， WGS84 坐標系）是一個協議坐標系，其空間直角坐標系的原點是地球的質心， Z 軸指向國際時間局（ ）定義的地極方向。而實用上需要得到的是參心坐標系，在我國即 1980 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 21 年國家大地坐標系和 1954 年北京坐標系（或地方獨立坐標系）的坐標，“參心” 意指參考橢球的中心。為此，在 GPS網的技術設計中，必須有 GPS 網的成果所采用的坐標系和起算數據，即 GPS 網所采用的基準，或稱之為 GPS 網的設計基準。 GPS 網的基準與常規控制網的基準類似，包括位置基準 、方位基準和尺度基準。GPS 網的位置基準，通常都是由給定的 起算點坐標確定；方位基準可以通過給定起算方位角決定，也可以 GPS 基線向量的方位為方位基準；尺度基準可以由地面的電磁波測距邊確定，或由兩個以上的起算點之間的距離確定，也可以由 GPS 基線向量的距離確定。 二、 影響 GPS 測量技術設計的因素 GPS 外業涉及面很廣，因而外業階段的技術設計是一個復雜的技術管理問題，經綜合大致有以下一些因素應加以考慮： 同測站有關的因素網點密度；布網方案；時段分配、重復設站和重合點的設計。 同觀測衛星有關的因素觀測衛星數；衛星信號質量；圖形強度因子；衛星高度角；星歷來源。 同 儀器有關的因素接收機，用于精密相對定位時至少為兩臺；天線，若天線設計質量和穩定性欠佳，會帶來一系列的誤差；記錄設備，可以是盒式數據磁帶或軟磁盤。 后勤方面的因素動用接收機臺數及其來源和使用期間；測區內各時段，機組的調度；其他外業裝備，主要是效能工具和通訊設備。 三、 GPS 控制網的圖形設計 對于常規方法布設的三角網、三邊網或導線網，圖形設計是非常重要的一項工作。良好的圖形設計可以減少野外選點的工作量，節省造標的經費，也為得到較高精度的成果打下基礎。由于 GPS 的同步觀測不要求通視，因此， GPS 網的圖形設計也 具有很大的靈活性。衛星定位測量控制網的布設，應符合下列要求： 1 應根據測區的實際情況、精度要求、衛星狀況、接收機的類型和數量以及測區已有的測量資料綜合設計。 2 首級網布設時宜聯測兩個以上高等級國家控制點或地方坐標系的高等級控制點；對控制網內的長邊，宜構成大地四邊形或中點多邊形。 3 控制網應有獨立觀測邊構成一個或若干個閉合環或附合路線；各等級控制網 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 22 中構成閉合環或附合導線的邊數不宜多于 6條。 4 各等級控制網中獨立基線的觀測總數，不宜少于必要觀測基線數的 倍。 5 加密網應根據工程 需要，在滿足本規范精度要求的前提下可采取比較靈活的布網方式。 6 對于采用 GPSRTK 測圖的測區，在控制網的布設中應顧及參考站點的分及位置。 四、技術指標 衛星定位測量的主要技術要求 1 各等級衛星定位測量控制網的主要技術指標，其主要技術要求見表 3— 2： 表 32衛星定位控制網的主要技術要求 等級 平均邊長（ km） 固定誤差 A （ mm） 比例誤差系數 B（ mm/km） 約束點間的邊長相對中誤差 約束平差后最弱邊相對中誤差 二等 9 ≤ 10 ≤ 2 ≤ 1/250000 ≤ 1/120200 三等 ≤ 10 ≤ 5 ≤ 1/150000 ≤ 1/70000 四等 2 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 1/100000 ≤ 1/40000 一級 1 ≤ 10 ≤ 20 ≤ 1/40000 ≤ 1/20200 二級 ≤ 10 ≤ 40 ≤ 1/20200 ≤ 1/10000 2 各等級控制網的基線精度，按下式計算。 ? = 22 )( dBA ?? 式中 ? ——— 基線長度中誤差（ mm）； A ——— 固定誤差（ mm）； B ——— 比例誤差系數（ mm/km）； d ——— 平均邊長（ km）。 3 衛星定位測量控制網觀測精度的評定，應滿足下列要求； 1 控制網的測量中誤差，按下式計算； m= ][31 nWWN 式中 m ———控制網的測量中誤差（ mm）； N ———控制網中異步環的個數； n ———異步環的邊數； W ———異步環環線全長閉合差（ mm）； 2 控制網的測量中誤差，應滿足相應等級控制網的基線精度要求，并符合下式 的規定。 m≤ ? 第二節 GPS 控制網的外業設計 一、選點要求 由于 GPS 測量觀測站之間不 — 定要求相互通視，而且網的圖形結構也比較靈活，所以選點工作比常規控制測量的選點要簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結果的可靠性有著重要的意義，所以在選點工作開始前，除收集 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 23 和了解有關測區的地理情況和原有測量控制點分布及標架、標型、標石完好狀況，決定其適宜的點位外，點位的選擇應符合下列要求。 衛星定位測量控制點的選定，應符合下列要求 ； 1 點位應該在土質結實、穩固可靠的地方，同時要有利于加密和擴展，每個控制點至少應有一個通視方向。 2 點位應選在視野開闊，高度角在 15 度以上的范圍內，應無障礙物；點位附近不應有強烈干擾接收機衛星信號的干擾源或強烈反射衛星信號的物體。 3. 選定能便于長期保存，穩定堅固的地方設點，國家和地方基準點應埋設固定的標石或儀器墩用于安置接收機天線、墩標設于 樓頂時，要對大樓的穩定性和形變定期監測。 4. GPS 網點應避開高壓輸電線、變電站等設施，其最近處不得小于 100m，同時距離省市級強輻射電臺、 電視臺、微波中繼站不得小于 300m，需要在這些地點設站時，必須在停止播發的時間段上進行定位作業。 5. 交通便利點位離開附近可通輕便車的道路不應超過 500m，且在點位 30m 內有足夠的空間安置接收機和方便操作進行。 6 充分利用符合要求的舊有控制點。 二、埋石 由于時間要求，埋石擬與選點同時進行。根據現場具體情況，采用埋預制標石和現澆混凝土兩種形式，不管采用哪種形式標石及標志規格應符合規范要求。埋設時坑底填以沙石，搗固夯實，考慮到天氣的因素，現澆混凝土應適當添加防凍劑并應做好防凍措施。 三、外業觀 測 外業觀測采用四臺南方測繪儀器公司的 NGS9600 型靜態 GPS~衛星接受機， GPS接收機標稱精度的固定誤差 a≤ 5 mm，比例誤差系數 b≤ 2*10— 6。進行同步觀測。觀測前應對接受機進行各項相關檢驗，確認儀器性能良好。根據 GPS 網形設計編制作業調度表，作好人員和交通工具的配備。觀測者應根據 GPS 作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角 150，時段長度 45min，采樣間隔 10 s。在 4個點上同時安置 4 臺接收機天線 (對中、整干、定向 )，量取天線高，測量氣象數據，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接 收機的提示輸入相關數據，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿和外業觀測記錄，并應隨時監視儀器的狀態，發現不良反應，及時報告或記錄案。觀測要求按照下表進行測量。 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 24 表 33 GPS 測量作業基本技術要求 項目 觀測方法 技術要求 衛星高度角 靜態 ＞ 15 度 有效衛星數 靜態 ＞ 4 顆 平均重復測站數 靜態 ＞ 時段長度 靜態 ＞ 45 分鐘 歷元間隔 靜態 10 秒 圖形強度因子 靜態 ＜ 6 第三節 GPS 控制網的外業實施 一、儀器準備 此次 C 級控制網的建立所采用的儀器是南方 NGS9600 型 GPS 接收機，該接收機是以四臺套進行工作。所以作業以前準備四個三腳架，四臺接收機，四個盒尺。 1 GPS 接收機的選用 對于不同的 GPS 網的類級和控制等級，精度要求不一，此處提出選用接收機的基本要求， GPS 控制測量作業的基本技術要求，應符合表 34 的規定。 表 34 GPS 控制測量作業的基本技術要求 等級 二等 三等 四等 一級 二級 接收機類型 雙頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 雙頻或單頻 儀器標稱精度 10mm+2ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 10mm+5ppm 觀測量 載波相位 載波相位 載波相位 載波相位 載波相位 衛星高度角 （ 0 ） 靜態 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 快速靜態 一 一 一 ≥ 15 ≥ 15 有效觀測衛星數 靜態 ≥ 5 ≥ 5 ≥ 4 ≥ 4 ≥ 4 快速靜態 一 一 一 ≥ 5 ≥ 5 觀測時段長度（ min） 靜態 30～ 90 20～ 60 15～ 45 10～ 30 10～ 30 快速靜態 一 一 一 10～ 15 10～ 15 數據采樣間隔（ s） 靜態 10～ 30 10～ 30 10～ 30 10～ 30 10～ 30 快速靜態 一 一 一 5～ 15 5～ 15 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 25 點位幾何圖形強度因子PDOP ≤ 6 ≤ 6 ≤ 6 ≤ 8 ≤ 8 南方 9600 型測量系統 GPS 測量的工作程序如下圖 31： 圖 31 二、 接收機及附屬設備的檢驗與維護 接收機、天線及其他設備是否完整齊全，可隨時出測。 各設備及電纜外部有無損傷、銹蝕，能否確保安全連接。 充電后信號燈、按鍵、顯示系統以及儀表工作是否正常，可用自測試命令進行測試。 用于 A、 B級的接收機，每年出測前至少檢定一次，按規范要求應在不同長度的標準基線或規定的比較基線或 GPS測量檢驗場上進行測試。 新出廠的 A、 B級 GPS 觀測的接收設備應進行天線相位中心穩定性檢驗，經檢驗或更換插板的接收機，有關檢驗和試測項目需要重新進行。 是 GPS 網的總體設計 實地定點、埋石 GPS 觀測計劃準備 基線向量解算 數據傳輸 野外定位觀測及記錄 GPS 網平差 成果輸出打印 質量合格 否 太原理工大學陽泉學院 畢業論文 26 通風干濕表及空盒氣壓表，至少每三年送檢一次，天線的圓水準氣泡和光學對中器每年至少進行一次檢校。 三、人員組織 每臺接收機必須有一個人進行操作，為了全面加強控制測量工作的領導，測量隊伍還成立了職