【正文】 GNSS工程控制網精度估算程序研制畢業(yè)設計目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 控制網研究的目的和意義 1 控制網設計的研究現(xiàn)狀 2 本文研究的主要內容 3第2章 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)——GNSS 4 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)概述 4 全球導航定位系統(tǒng)——GPS 4 GPS的組成 4 GPS衛(wèi)星信號 5 俄羅斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)——GLONASS 6 歐洲衛(wèi)星導航系統(tǒng)——GALILEO 7 北斗雙星導航定位系統(tǒng)——RDSS 7 本章小結 7第3章 GNSS工程控制網的布設 8 GNSS網的技術設計 8 GNSS控制網的布網方式 8 GNSS網的布設原則 9 GPS控制網的優(yōu)化設計 10 GPS測量的特點 10 GPS控制網的優(yōu)化設計指標 10 優(yōu)化設計的分類和方法 13 優(yōu)化設計的分類 13 優(yōu)化設計的方法 14 布設GNSS測量控制網的工作步驟 15 本章小結 15第4章 平面控制網精度估算的原理 17 GNSS網平差的分類 17 平面控制測量精度評估 17 平面控制網精度評估的理論依據——參數(shù)平差 18 平面控制網的精度評定 19 本章小結 20第5章 基于MATLAB的GNSS控制網精度估算程序設計與實現(xiàn) 21 MATLAB軟件的概述 21 MATLAB軟件的生產與發(fā)展 21 MATLAB的特點 21 GNSS網精度估算程序設計 22 本章小結 27結論 29參考文獻 30致謝 32附錄 33第1章 緒 論 控制網研究的目的和意義近年來，隨著城市建設的迅速發(fā)展，社會經濟的快速增長，鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化建設速度加快。在現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設中，常規(guī)測量方法建立測量控制網已經慢慢被取代。其主要原因：一是用常規(guī)測量方法建立控制網費時間費精力、投資大、工作效率低，很難滿足現(xiàn)代化建設高速發(fā)展的要求；二是在高樓林立的繁華街道上，用常規(guī)測量方法布設首級測量控制網，其精度很難達到大比例尺數(shù)字測量對首級控制網的要求，也難以滿足控制點間相互通視的要求。GNSS是所有在軌工作的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的總稱呼，包括美國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS、歐洲衛(wèi)星導航系統(tǒng)GALILEO（伽利略）、以及我國北斗雙星導航系統(tǒng)（RDSS系統(tǒng)）、WAAS廣域增強系統(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量系統(tǒng)、QZSS準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)、GAGANGPS靜地衛(wèi)星增強系統(tǒng)，以及尼日利亞運用通信衛(wèi)星搭載實現(xiàn)的NICOMSAT1星基增強。GNSS定位技術的主要特點是可在全球任何地方、任何時間、全天候進行導航定位，采樣率高、定位精度高、定位速度快、產生的費用低、操作簡單，并以這些優(yōu)良特性在測繪、土木等眾多行業(yè)與領域中得到了廣泛而又有利的應用，特別是在測繪領域中的變形測量、精密工程測量和大地測量中更是發(fā)揮重要的、而又無法取代的作用。利用GNSS技術建立工程控制網也已在測繪生產單位得到廣泛應用。GNSS控制網的布設應滿足測繪工程精度要求，在此基礎上，選擇合適的網型，制定相應的觀測方案和作業(yè)方案，降低建網費用。當前生產單位大都采用經驗設計和規(guī)范設計，穩(wěn)妥但欠缺靈活。論文主要借助計算機，編制GNSS控制網設計程序，對控制網進行優(yōu)化，設計滿足工程精度要求，經濟合理的GNSS控制網。對于測量工作者來說在設計GNSS控制網的過程中，經常會考慮這樣的情況，設計方案實施后能否達到工程要求的問題。如果不能滿足工程要求，就要修改GNSS控制網的設計方案，直到滿足工程要求為止。GNSS測量控制網設計方案的優(yōu)良情況，以及按照設計方案實施的合理程度都將直接影響工作的生產效率和勞動強度，對于常規(guī)測量所用的工程控制網，測量工作者是能夠憑借著自己多年的工作經驗使控制網精度滿足工程所要達到的要求，不需要進行實測后再改變方案。這在測量工作中也是比較弱的地方。然而GNSS測量控制網對于測量工作者來說是一個新領域的工作，為能提高勞動強度和工作效率，測量人員希望自己的方案能夠得到有效的檢驗。 控制網設計的研究現(xiàn)狀工程控制網是針對某項工程專門布設的控制網，它主要分為：為施工前勘測設計階段建立的測圖控制網、為工程建筑物放樣提供控制點的施工控制網、還有在施工以及運營階段為檢測施工建筑物的變形狀況的變形監(jiān)測網。由于現(xiàn)代科學技術水平的發(fā)展以及現(xiàn)代測繪技術的飛速發(fā)展，使得工程控制網的研究轉向科學化，合理化，經濟化?？臻g測量技術使得測量學的發(fā)展進入了新的階段。信息時代的控制測量儀器和測量系統(tǒng)已形成數(shù)字化、智能化和集成化的新的發(fā)展態(tài)勢，空間測量和地面測量相結合和測量系統(tǒng)互補也出現(xiàn)了新的格局。工程控制網的設計在空間技術的出現(xiàn)也發(fā)生了革命的變化，從傳統(tǒng)的三角測量控制網向GPS控制網轉型，從傳統(tǒng)的平差技術到現(xiàn)代的平差技術轉化。測量儀器從光學儀器向電子測量儀器的轉化，精度的提升使得控制網布設的難度也大大的降低。距離方面幾十米到現(xiàn)在的千米級?？刂凭W的設計，一直得到大地測量學者們的重視和關注。直至20世界50年代，已形成了一套經典的設計理論和方法。這種方法，主要是建立在大地網的精度標準的基礎上，以技術規(guī)范作為設計依據，如在三角網的技術設計時，是根據圖上設計的網型結構和已知的觀測精度，去對所設計的控制網中的推算元素的精度進行估算，求出控制網最弱邊的精度，以及方位和坐標的精度，看是否能達到規(guī)范中相應等級的精度要求。若得出最弱邊的相對精度能滿足有關規(guī)范對某一等級控制網的精度要求，且保證控制網具有一定的幾何圖形和強度以及必要的尺度和定向控制即可，顯然它未顧及控制網的可靠性和經濟性，只對推算元素的精度進行了估算，其設計目標是不全面的。隨著電子計算機和數(shù)學理論的廣泛應用，現(xiàn)代控制網優(yōu)化設計也跟著發(fā)展起來，它不同于經典的規(guī)范化設計，而是一種更為精密、更為科學的設計方法。它可能同時顧及全部質量設計指標，借助優(yōu)化設計的數(shù)學方法，通過精密的計算獲得最合理的設計方案。即從多個可能的設計方案中找出一個最優(yōu)的可行方案。此法不足之處在于計算工作量較大，對于大規(guī)模的控制網而言，計算費用較高。對于小規(guī)模的控制網，如某些工程控制網、形變監(jiān)測網，它往往要求設計某種特定的精度結構，采用嚴格的優(yōu)化設計是完全必要且可行的[1]。趙長勝教授于2003年發(fā)表的GPS控制網優(yōu)化設計系統(tǒng)，為了在GPS設計時能夠取得到最佳的設計方案，減少勞動強度，提高工作效率，他采用可視化語言Visual Basic編寫了“GPS控制網優(yōu)化設計系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有網形設計、可靠性估算、精度估算、誤差可視化、圖形顯示與繪制、坐標系統(tǒng)轉換、換帶計算、不同投影面之間的換算和數(shù)據查詢等功能[2]；劉立龍等人也對GPS控制網優(yōu)化設計進行了研究，分析了控制網的精度指標[3]。通過以上研究人員的研究成果可以看出，他們都在控制網的精度上做了很大的貢獻，本文則試圖通過GPS網整體平差的原理來估算GPS網點位、邊長和方位的精度，通過計算機編程序來實現(xiàn)GPS測量控制網的精度估算。 本文研究的主要內容1．首先課題研究的是GNSS控制網精度估算，然而GPS是GNSS中的一種常見的定位系統(tǒng)，在我們通常的學習與工作中大都以GPS為主，所以本文以GPS平面控制網為例來研究GNSS工程控制網的精度估算。2．研究控制網的精度，就要研究控制網的布設方法、設計的目標、設計方案、精度估算。模擬GPS觀測過程，根據已有的網的圖件和已知起算數(shù)據和觀測邊長進行圖上設計GNSS控制網；利用參數(shù)平差的方法列出測邊網的誤差方程和系數(shù)陣的逆陣，然后再求得參數(shù)函數(shù)的中誤差進行GPS控制網的精度估算；通過MATLAB軟件來編制程序估算控制網精度，優(yōu)化觀測方案。3．本文通過控制網的優(yōu)化設計和參數(shù)平差法計算的精度估算，利用MATLAB軟件所計算出來的精度結果，來評定點位、邊方位和邊長的精度。第2章 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)——GNSS 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)概述美國GPS系統(tǒng)技術的不斷提高與應用的廣泛普及，使人們愈來愈深刻地認識到衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有無可比擬的卓越性能和難以想象的寬廣應用領域。然而，GPS衛(wèi)星導航系統(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，為彌補這一缺陷，也為了打破由一兩個國家軍事部門獨霸衛(wèi)星全球導航系統(tǒng)的被動局面，充分滿足各國民用核軍事的需要，從20世紀90年代中期開始，國際民航組織、國際移動衛(wèi)星組織、歐洲空間局等倡導并研究發(fā)展完全由民間控制的、多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)共同構成的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS。GNSS的全稱是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及相關的增強系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設的其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)。國際GNSS系統(tǒng)是個多系統(tǒng)、多層面、多模式的復雜組合系統(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)控部分和用戶設備三部分構成。 全球導航定位系統(tǒng)——GPS GPS的組成GPS是衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是：用戶可以在全球范圍內實現(xiàn)全天候、連續(xù)的、實時的三維導航定位和測速；用戶還能夠進行高精度的時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顆為用于導航工作的衛(wèi)星，3顆為隨時啟用的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道傾角為的軌道面上，并繞地球運行，每個軌道面上有4顆衛(wèi)星，相鄰軌道的升交點赤經之差為60176。衛(wèi)星的運行周期為11時58分。衛(wèi)星同時在地平線以上至少要有4顆，最多可達11顆。這樣的布設方案將保證在世界任何地方，任何時間，都可進行實時三維定位。 2．地面監(jiān)控部分支持整個系統(tǒng)正常運行的地面設施稱為地面監(jiān)控部分。根據其作用的不同，分為主控站、注入站和監(jiān)測站三種。主控站有一個，設在美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據各監(jiān)控站對GPS的觀測資料，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)據及導航電文通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時，它還提供全球定位系統(tǒng)的時間基準，調整衛(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，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)等注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)中去。監(jiān)控站有五個，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Gareia）、卡瓦加蘭（Kwajaiein），監(jiān)控站的主要任務是完成對GPS衛(wèi)星信號的連續(xù)觀測，并監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)，將采集到的數(shù)據連同當?shù)貧庀笥^測資料和時間信息經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接收機等儀器設備組成。它的作用是捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號。對接收的衛(wèi)星信號進行處理，測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線間傳播時間。能譯出GPS衛(wèi)星發(fā)射的導航電文，實時計算接收機天線的三維位置、速度和時間。 GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號由以下三部分組成。1．載波載波是可運載調制信號的高頻振蕩波。GPS衛(wèi)星所用兩種頻率的載波信號，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