【正文】 GNSS工程控制網(wǎng)精度估算程序研制畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 控制網(wǎng)研究的目的和意義 1 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀 2 本文研究的主要內(nèi)容 3第2章 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——GNSS 4 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)概述 4 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)——GPS 4 GPS的組成 4 GPS衛(wèi)星信號(hào) 5 俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GLONASS 6 歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GALILEO 7 北斗雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——RDSS 7 本章小結(jié) 7第3章 GNSS工程控制網(wǎng)的布設(shè) 8 GNSS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì) 8 GNSS控制網(wǎng)的布網(wǎng)方式 8 GNSS網(wǎng)的布設(shè)原則 9 GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 GPS測(cè)量的特點(diǎn) 10 GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo) 10 優(yōu)化設(shè)計(jì)的分類和方法 13 優(yōu)化設(shè)計(jì)的分類 13 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 14 布設(shè)GNSS測(cè)量控制網(wǎng)的工作步驟 15 本章小結(jié) 15第4章 平面控制網(wǎng)精度估算的原理 17 GNSS網(wǎng)平差的分類 17 平面控制測(cè)量精度評(píng)估 17 平面控制網(wǎng)精度評(píng)估的理論依據(jù)——參數(shù)平差 18 平面控制網(wǎng)的精度評(píng)定 19 本章小結(jié) 20第5章 基于MATLAB的GNSS控制網(wǎng)精度估算程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 MATLAB軟件的概述 21 MATLAB軟件的生產(chǎn)與發(fā)展 21 MATLAB的特點(diǎn) 21 GNSS網(wǎng)精度估算程序設(shè)計(jì) 22 本章小結(jié) 27結(jié)論 29參考文獻(xiàn) 30致謝 32附錄 33第1章 緒 論 控制網(wǎng)研究的目的和意義近年來，隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長，鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化建設(shè)速度加快。在現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)中，常規(guī)測(cè)量方法建立測(cè)量控制網(wǎng)已經(jīng)慢慢被取代。其主要原因：一是用常規(guī)測(cè)量方法建立控制網(wǎng)費(fèi)時(shí)間費(fèi)精力、投資大、工作效率低，很難滿足現(xiàn)代化建設(shè)高速發(fā)展的要求；二是在高樓林立的繁華街道上，用常規(guī)測(cè)量方法布設(shè)首級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)，其精度很難達(dá)到大比例尺數(shù)字測(cè)量對(duì)首級(jí)控制網(wǎng)的要求，也難以滿足控制點(diǎn)間相互通視的要求。GNSS是所有在軌工作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱呼，包括美國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS、歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GALILEO（伽利略）、以及我國北斗雙星導(dǎo)航系統(tǒng)（RDSS系統(tǒng)）、WAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、DORIS星載多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)、PRARE精確距離及其變率測(cè)量系統(tǒng)、QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)、GAGANGPS靜地衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)，以及尼日利亞運(yùn)用通信衛(wèi)星搭載實(shí)現(xiàn)的NICOMSAT1星基增強(qiáng)。GNSS定位技術(shù)的主要特點(diǎn)是可在全球任何地方、任何時(shí)間、全天候進(jìn)行導(dǎo)航定位，采樣率高、定位精度高、定位速度快、產(chǎn)生的費(fèi)用低、操作簡單，并以這些優(yōu)良特性在測(cè)繪、土木等眾多行業(yè)與領(lǐng)域中得到了廣泛而又有利的應(yīng)用，特別是在測(cè)繪領(lǐng)域中的變形測(cè)量、精密工程測(cè)量和大地測(cè)量中更是發(fā)揮重要的、而又無法取代的作用。利用GNSS技術(shù)建立工程控制網(wǎng)也已在測(cè)繪生產(chǎn)單位得到廣泛應(yīng)用。GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)滿足測(cè)繪工程精度要求，在此基礎(chǔ)上，選擇合適的網(wǎng)型，制定相應(yīng)的觀測(cè)方案和作業(yè)方案，降低建網(wǎng)費(fèi)用。當(dāng)前生產(chǎn)單位大都采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)范設(shè)計(jì)，穩(wěn)妥但欠缺靈活。論文主要借助計(jì)算機(jī)，編制GNSS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)程序，對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)滿足工程精度要求，經(jīng)濟(jì)合理的GNSS控制網(wǎng)。對(duì)于測(cè)量工作者來說在設(shè)計(jì)GNSS控制網(wǎng)的過程中，經(jīng)常會(huì)考慮這樣的情況，設(shè)計(jì)方案實(shí)施后能否達(dá)到工程要求的問題。如果不能滿足工程要求，就要修改GNSS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，直到滿足工程要求為止。GNSS測(cè)量控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)良情況，以及按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施的合理程度都將直接影響工作的生產(chǎn)效率和勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于常規(guī)測(cè)量所用的工程控制網(wǎng)，測(cè)量工作者是能夠憑借著自己多年的工作經(jīng)驗(yàn)使控制網(wǎng)精度滿足工程所要達(dá)到的要求，不需要進(jìn)行實(shí)測(cè)后再改變方案。這在測(cè)量工作中也是比較弱的地方。然而GNSS測(cè)量控制網(wǎng)對(duì)于測(cè)量工作者來說是一個(gè)新領(lǐng)域的工作，為能提高勞動(dòng)強(qiáng)度和工作效率，測(cè)量人員希望自己的方案能夠得到有效的檢驗(yàn)。 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀工程控制網(wǎng)是針對(duì)某項(xiàng)工程專門布設(shè)的控制網(wǎng)，它主要分為：為施工前勘測(cè)設(shè)計(jì)階段建立的測(cè)圖控制網(wǎng)、為工程建筑物放樣提供控制點(diǎn)的施工控制網(wǎng)、還有在施工以及運(yùn)營階段為檢測(cè)施工建筑物的變形狀況的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展以及現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的飛速發(fā)展，使得工程控制網(wǎng)的研究轉(zhuǎn)向科學(xué)化，合理化，經(jīng)濟(jì)化?？臻g測(cè)量技術(shù)使得測(cè)量學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。信息時(shí)代的控制測(cè)量儀器和測(cè)量系統(tǒng)已形成數(shù)字化、智能化和集成化的新的發(fā)展態(tài)勢(shì)，空間測(cè)量和地面測(cè)量相結(jié)合和測(cè)量系統(tǒng)互補(bǔ)也出現(xiàn)了新的格局。工程控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)在空間技術(shù)的出現(xiàn)也發(fā)生了革命的變化，從傳統(tǒng)的三角測(cè)量控制網(wǎng)向GPS控制網(wǎng)轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)的平差技術(shù)到現(xiàn)代的平差技術(shù)轉(zhuǎn)化。測(cè)量儀器從光學(xué)儀器向電子測(cè)量儀器的轉(zhuǎn)化，精度的提升使得控制網(wǎng)布設(shè)的難度也大大的降低。距離方面幾十米到現(xiàn)在的千米級(jí)。控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)，一直得到大地測(cè)量學(xué)者們的重視和關(guān)注。直至20世界50年代，已形成了一套經(jīng)典的設(shè)計(jì)理論和方法。這種方法，主要是建立在大地網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以技術(shù)規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如在三角網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，是根據(jù)圖上設(shè)計(jì)的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)和已知的觀測(cè)精度，去對(duì)所設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)中的推算元素的精度進(jìn)行估算，求出控制網(wǎng)最弱邊的精度，以及方位和坐標(biāo)的精度，看是否能達(dá)到規(guī)范中相應(yīng)等級(jí)的精度要求。若得出最弱邊的相對(duì)精度能滿足有關(guān)規(guī)范對(duì)某一等級(jí)控制網(wǎng)的精度要求，且保證控制網(wǎng)具有一定的幾何圖形和強(qiáng)度以及必要的尺度和定向控制即可，顯然它未顧及控制網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，只對(duì)推算元素的精度進(jìn)行了估算，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是不全面的。隨著電子計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)理論的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)也跟著發(fā)展起來，它不同于經(jīng)典的規(guī)范化設(shè)計(jì)，而是一種更為精密、更為科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。它可能同時(shí)顧及全部質(zhì)量設(shè)計(jì)指標(biāo)，借助優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法，通過精密的計(jì)算獲得最合理的設(shè)計(jì)方案。即從多個(gè)可能的設(shè)計(jì)方案中找出一個(gè)最優(yōu)的可行方案。此法不足之處在于計(jì)算工作量較大，對(duì)于大規(guī)模的控制網(wǎng)而言，計(jì)算費(fèi)用較高。對(duì)于小規(guī)模的控制網(wǎng)，如某些工程控制網(wǎng)、形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)，它往往要求設(shè)計(jì)某種特定的精度結(jié)構(gòu)，采用嚴(yán)格的優(yōu)化設(shè)計(jì)是完全必要且可行的[1]。趙長勝教授于2003年發(fā)表的GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為了在GPS設(shè)計(jì)時(shí)能夠取得到最佳的設(shè)計(jì)方案，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，他采用可視化語言Visual Basic編寫了“GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有網(wǎng)形設(shè)計(jì)、可靠性估算、精度估算、誤差可視化、圖形顯示與繪制、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、換帶計(jì)算、不同投影面之間的換算和數(shù)據(jù)查詢等功能[2]；劉立龍等人也對(duì)GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分析了控制網(wǎng)的精度指標(biāo)[3]。通過以上研究人員的研究成果可以看出，他們都在控制網(wǎng)的精度上做了很大的貢獻(xiàn)，本文則試圖通過GPS網(wǎng)整體平差的原理來估算GPS網(wǎng)點(diǎn)位、邊長和方位的精度，通過計(jì)算機(jī)編程序來實(shí)現(xiàn)GPS測(cè)量控制網(wǎng)的精度估算。 本文研究的主要內(nèi)容1．首先課題研究的是GNSS控制網(wǎng)精度估算，然而GPS是GNSS中的一種常見的定位系統(tǒng)，在我們通常的學(xué)習(xí)與工作中大都以GPS為主，所以本文以GPS平面控制網(wǎng)為例來研究GNSS工程控制網(wǎng)的精度估算。2．研究控制網(wǎng)的精度，就要研究控制網(wǎng)的布設(shè)方法、設(shè)計(jì)的目標(biāo)、設(shè)計(jì)方案、精度估算。模擬GPS觀測(cè)過程，根據(jù)已有的網(wǎng)的圖件和已知起算數(shù)據(jù)和觀測(cè)邊長進(jìn)行圖上設(shè)計(jì)GNSS控制網(wǎng)；利用參數(shù)平差的方法列出測(cè)邊網(wǎng)的誤差方程和系數(shù)陣的逆陣，然后再求得參數(shù)函數(shù)的中誤差進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的精度估算；通過MATLAB軟件來編制程序估算控制網(wǎng)精度，優(yōu)化觀測(cè)方案。3．本文通過控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)平差法計(jì)算的精度估算，利用MATLAB軟件所計(jì)算出來的精度結(jié)果，來評(píng)定點(diǎn)位、邊方位和邊長的精度。第2章 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)概述美國GPS系統(tǒng)技術(shù)的不斷提高與應(yīng)用的廣泛普及，使人們愈來愈深刻地認(rèn)識(shí)到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有無可比擬的卓越性能和難以想象的寬廣應(yīng)用領(lǐng)域。然而，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)畢竟是由美國國防部控制的系統(tǒng)，它的可能性、完好性、連續(xù)性均存在隱患，為彌補(bǔ)這一缺陷，也為了打破由一兩個(gè)國家軍事部門獨(dú)霸衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)的被動(dòng)局面，充分滿足各國民用核軍事的需要，從20世紀(jì)90年代中期開始，國際民航組織、國際移動(dòng)衛(wèi)星組織、歐洲空間局等倡導(dǎo)并研究發(fā)展完全由民間控制的、多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同構(gòu)成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS。GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。國際GNSS系統(tǒng)是個(gè)多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜組合系統(tǒng)。各種衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是由空間衛(wèi)星部分（衛(wèi)星星座）、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)——GPS GPS的組成GPS是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速；用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分所組成。1．空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為用于導(dǎo)航工作的衛(wèi)星，3顆為隨時(shí)啟用的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道傾角為的軌道面上，并繞地球運(yùn)行，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，相鄰軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)之差為60176。衛(wèi)星的運(yùn)行周期為11時(shí)58分。衛(wèi)星同時(shí)在地平線以上至少要有4顆，最多可達(dá)11顆。這樣的布設(shè)方案將保證在世界任何地方，任何時(shí)間，都可進(jìn)行實(shí)時(shí)三維定位。 2．地面監(jiān)控部分支持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的地面設(shè)施稱為地面監(jiān)控部分。根據(jù)其作用的不同，分為主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站三種。主控站有一個(gè)，設(shè)在美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)資料，推算出衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)及導(dǎo)航電文通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時(shí)，它還提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟用備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。注入站有三個(gè)，它們分別位于南大太平洋的阿松森群島（Aseencion）、印度洋的迭哥伽西亞（Diego Gareia）、南太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalem），注入站的作用是將主控站推算出的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的改正數(shù)等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)中去。監(jiān)控站有五個(gè)，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Gareia）、卡瓦加蘭（Kwajaiein），監(jiān)控站的主要任務(wù)是完成對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)觀測(cè)，并監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)連同當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)資料和時(shí)間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。3．用戶部分GPS的用戶部分由用戶及GPS接收機(jī)等儀器設(shè)備組成。它的作用是捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號(hào)。對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理，測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線間傳播時(shí)間。能譯出GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算接收機(jī)天線的三維位置、速度和時(shí)間。 GPS衛(wèi)星信號(hào)GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由以下三部分組成。1．載波載波是可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波。GPS衛(wèi)星所用兩種頻率的載波信號(hào)，由于它們均位于載波的L波段，故分別稱為L1載波和L2載波。，；。它們的頻率分別是基本頻率（）的154倍