【導(dǎo)讀】測繪工程畢業(yè)論文--GPS定位系統(tǒng)在公路工程控制測量。GPS即全球定位系統(tǒng)是美國從上世紀(jì)70年代開始研制歷時(shí)20年耗資200億。美元的美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)前GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測量資源勘查。地殼運(yùn)動(dòng)地籍測量等領(lǐng)域特別是在測量領(lǐng)域本文介紹了GPS的特點(diǎn)發(fā)展及應(yīng)用。GPS的組成及工作原理外業(yè)測量工作流程GPS基線解算的基本原理等根據(jù)GPS測。量的技術(shù)特點(diǎn)論述了GPS在307國道實(shí)際測量工作中的應(yīng)用。第二部分主要講述了視距測量的原理然后根據(jù)視距測量的原理編寫了用視。距測量中的三種視距計(jì)算方法傾斜視距三角高差水平視距。關(guān)鍵詞GPS307國道工程控制測量視距測量。二我國的GPS定位技術(shù)應(yīng)用情況4. 第一節(jié)GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成6. 二GPS地面監(jiān)控部分7. 一與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差18. 二接收機(jī)及附屬設(shè)備的檢驗(yàn)與維護(hù)34. 按目前的方案全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約202萬千米的衛(wèi)星。應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明GPS相對(duì)定位

　　

【正文】 步環(huán)異步環(huán)檢驗(yàn)應(yīng)選擇一組完全獨(dú)立的基線構(gòu)成環(huán)進(jìn)行檢驗(yàn)應(yīng)符合限差要求 三補(bǔ)測與重測 為了滿足成果的精度和統(tǒng)一年性當(dāng)一個(gè)控制點(diǎn)不能與兩條合格獨(dú)立基線相連接時(shí)則必須在該點(diǎn)上補(bǔ)測或重測不少于 一條獨(dú)立基線 四 GPS 網(wǎng)平差處理 當(dāng)各項(xiàng)質(zhì)量檢核符合要求時(shí)應(yīng)以所有獨(dú)立基線組成閉合圖形進(jìn)行控制網(wǎng)平差平差時(shí)應(yīng)遵循以下規(guī)定 1 各觀測時(shí)段均首先進(jìn)行一個(gè)起算點(diǎn)的三維無約束平差基線向量的改正數(shù) VΔ xVΔ yVΔ z 的絕對(duì)值均≤ 42mm 2 在三維無約束平差確定的有效觀測量基礎(chǔ)上應(yīng)在陽泉市礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)下進(jìn)行約束平差在基線向量的改正數(shù)與剔除粗差后的無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差 d VΔ xdΔ ydΔ z 均≤ 28mm 約束點(diǎn)的已知點(diǎn)坐標(biāo)已知距離已知方位可作為強(qiáng)制約束的固定值平差結(jié)果應(yīng)輸出陽泉市礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)同 時(shí)應(yīng)輸出基線向量改正數(shù)基線邊長及成果的精度信息 五 GPS 高程擬合方法 高程擬合采用附加地形改正的曲面擬合法本項(xiàng)目導(dǎo)線網(wǎng)聯(lián)測四等精度以上水準(zhǔn)點(diǎn) 4座且分布均勻通過 4個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)正常高與三維平差得到的同名點(diǎn)大地高做比較來檢核高程異常值變化確保高程成果的精度滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求由于本測區(qū)地形多為山地高程起伏大又由于 GPS 高程擬合受地形變化的影響大擬合精度存在不穩(wěn)定因素對(duì)全網(wǎng)的高程精度會(huì)有所影響在時(shí)間和其它條件具備的情況下可以考慮對(duì)部分控制點(diǎn)采用直接水準(zhǔn)方法以提高全網(wǎng)的高程成果精度滿足后期施工的要求 第五章 GPS 基線 解算的基本原理 第一節(jié) 基線解算原理 一 基線解算 基線解一般采用差分觀測值 GPS 載波相位測量值可以在衛(wèi)星間或接收機(jī)間求差 也可以在不同歷元間求差 在衛(wèi)星間求一次差 在接收機(jī)間求一次差以及在不同歷元間求一次差是常見的三種求一次差的方法 對(duì)載渡相位測量的一次差還可以繼續(xù)求差 稱為求二次差 常見的求二次差的方法也有三種 即在接收機(jī)和衛(wèi)星間求二次差 在接收機(jī)和歷元間求二次差以及在衛(wèi)星和歷元間求二次差 二次差還可以繼續(xù)求差 稱為求三次差 求三次差的方法只有一種 ．即在接收機(jī) 衛(wèi)星和歷元間求三次差考慮到 GPS 定位 的誤差源 實(shí)際上經(jīng)常采用的求差法只有三種 即在接收機(jī)間求一次差 在接收機(jī)和衛(wèi)星間求二次差以及在接收機(jī) 衛(wèi)星和歷元間求三次差 圖 5 1 圖 51 求 一次 差 二 次 差 三 次 差示 意 圖 較為常用的差分觀測值為雙差觀測值 即由兩個(gè)測站 接收機(jī) 的原始觀測值分別在測站和衛(wèi)星間求二次差后得到的觀測值 圖 5 1 雙差觀測值可以表示成下面的形式 式 中為在接收機(jī) j 和 i 至衛(wèi)星 P 和 q 之間的二次差虛擬觀測值 為衛(wèi)星 P和 q 至接收機(jī) J 和 i 之間的距離二次差 為在接收機(jī) J 和 i 至衛(wèi)星 q 和 P 之間的電 離層延遲之二次差 為在接收機(jī) j 和 i 至衛(wèi)星 q 和 P 之間的對(duì)流層延遲之二次差 為在接收機(jī) J和 i至衛(wèi)星 q和 P之間的整周未知數(shù)之二次差 分別為接收機(jī) ij的鐘差 分別為第 pq顆衛(wèi)星信號(hào)傳到接收機(jī) i所用的時(shí)間 分別為第 Pq顆衛(wèi)星信號(hào)傳到接收機(jī) j所用的時(shí)間 若在某一歷元中對(duì) 4顆衛(wèi)星進(jìn)行了同步觀測則每個(gè)歷元在兩個(gè)測 站上共有 8 個(gè)載波相位觀測值可以組成 4個(gè)一次差觀測值和 3 個(gè)二次差觀測值 在進(jìn)行基線解算時(shí) 電離層延遲和對(duì)流層延遲一般并不作為未知參數(shù) 而是通過模型改正或雙頻改正將它們消除 因此基線解算時(shí)一般只有兩類參數(shù)一類是測站的坐標(biāo)參數(shù)數(shù)量為 3 基線解算時(shí)將一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)作為已知值固定 另一類是 整周未知數(shù) 數(shù)量為 n1 為同步觀測衛(wèi)星總數(shù) 二 GPS 基線解算的分類 采用靜態(tài)相對(duì)定位方法進(jìn)行控制點(diǎn)加密 實(shí)際上是用多臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行同步觀測 以便確定各點(diǎn)間的相對(duì)位置 所謂同步觀測 是指在多個(gè)點(diǎn)上設(shè)置接收機(jī) 同時(shí)在相同時(shí)段內(nèi)連續(xù)跟蹤 觀測相同的若干顆衛(wèi)星 同步觀測時(shí)間段簡稱時(shí)段 當(dāng)有多臺(tái) GPS 接收機(jī)進(jìn)行了一個(gè)時(shí)段的同步觀測后 每兩臺(tái)接收機(jī)之間就形成一條基線向量 我們將這種兩點(diǎn)間的 相對(duì)位置量稱為基線向量坐標(biāo) 對(duì)應(yīng)于兩點(diǎn)間的長度稱為基線長度 所有同步觀測的基線向量數(shù)為 m m 一 1 ／ 2 圖 5 2 其中最多可以選出相互獨(dú)立的同步觀測基線數(shù)為 m 一 1 條 圖 53 圖 52 同步觀測測站個(gè)數(shù)與基線向量的關(guān)系 圖 53 同步觀測測站個(gè)數(shù)與相互獨(dú)立的基線向量數(shù)的關(guān)系 獨(dú)立基線的選取有多種選擇 關(guān)鍵是要保證所選的獨(dú)立基線不能構(gòu)成閉合環(huán) 凡是構(gòu)成了閉合環(huán)的同步基線是函數(shù)相關(guān)的 同步觀測獲得的獨(dú)立基線雖然不具有函數(shù)相關(guān)的特性 但它們是誤差相關(guān)的 基線解算一般分為單基線解和多基線解算 1 單基 線解 所謂單基線解算 就是不顧及同步觀測基線間的誤差相關(guān)性 對(duì)每一條基線單獨(dú)進(jìn)行解算 由于其基線解算結(jié)果無法反映同步基線間誤差的相關(guān)性 所以不利于 GPS 網(wǎng)平差處理 2 多基線解 多基線解的解算是在顧及了同步觀測基線間誤差相關(guān)性的情況下對(duì)同步觀測的所有基線一并計(jì)算由于多基線解在解算時(shí)考慮了同步觀測基線間的誤差相關(guān)性所以在理論上是嚴(yán)密的有利于 GPS 網(wǎng)平差計(jì)算 三 GPS 基線解算的過程 目前我國使用的絕大部分軟件是接收機(jī)廠家配備的處理軟件 國內(nèi)也于 2O世紀(jì) 9O年代初開發(fā)研制出 GPS數(shù)據(jù)處理軟件 上述軟件 的使用方法雖具有不同的特點(diǎn) 但 GPS 基線解算過程是基本相同的 1 觀測數(shù)據(jù)的讀入 在 GPS 外業(yè)觀測中每天必須把原始觀測數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中 在進(jìn)行基線解算時(shí)需首先讀取這些 GPS 原始觀測數(shù)據(jù)接收廠家配備的 GPS 數(shù)據(jù)處理軟件能讀取本廠生產(chǎn)的 GPS 接收機(jī)的原始觀測數(shù)據(jù) 而不能直接讀取其他廠家生產(chǎn)的 GPS接收機(jī)的原始觀測數(shù)據(jù)如果要處理這些原始觀測數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換目前最常用的格式轉(zhuǎn)換軟件是 RINEX 格式 2 輸入數(shù)據(jù)的檢查 在把原始觀測數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中后就需要對(duì)野外手工輸入的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查 檢查的內(nèi)容有測站名測站坐標(biāo)天線高 包括斜高以及天線高固定偏差 等如有錯(cuò)誤立刻進(jìn)行修改 3 設(shè)置基線解算的參數(shù) 設(shè)置基線解算的參數(shù)是基線解算的一個(gè)重要環(huán)節(jié) 基線解算的參數(shù)包括單基線解與多基線解算衛(wèi)星截止高度角電離層與對(duì)流層改正模型 L1 與 L2 頻率選擇解算模糊度的基線長度單位權(quán)中誤差 RMS 整周模糊度檢驗(yàn)值 RATIO 衛(wèi)星選擇時(shí)段選擇等通過設(shè)定基線解算的控制參數(shù)用以確定基線處理方法和基線的精化處理 4 基線解算 GPS 接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)是接收機(jī)天線至衛(wèi)星的距離和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)而不是常規(guī)測量所測的地面點(diǎn)間 的邊長角度和高差等因此接收機(jī)采集的 GPS 數(shù)據(jù)還需要通過一系列的處理才能得到定位成果 第二節(jié) GPS 測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理 GPS 測量數(shù)據(jù)處理包括觀測值的預(yù)處理基線向量解算和 GPS 向量網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差等步驟 GPS 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理前需要先將接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過傳輸分流解譯成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件 GPS 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是對(duì)野外采集的衛(wèi)星信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯加工與整理分離出各種專用信息文件為嚴(yán)密數(shù)據(jù)處理作準(zhǔn)備預(yù)處理工作包括 1 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn)剔除觀測 j 值中的粗差刪除無用觀測值 2 數(shù)據(jù)格式的 標(biāo)準(zhǔn)化將各類接收機(jī)的數(shù)據(jù)文件加成彼此兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件包括文件記錄格式標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)類型標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)單位標(biāo)準(zhǔn)化和采樣間隔密度標(biāo)準(zhǔn)化等 3 GPS 衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化一般用一多項(xiàng)式擬合觀測時(shí)段內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星軌道位置的地固坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算和分段軌道擬合的標(biāo)準(zhǔn)化 4 診斷整周跳變點(diǎn)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)原始觀測值周跳使原始觀測值復(fù)原 5 星鐘多項(xiàng)式標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星鐘差多項(xiàng)式的擬合及標(biāo)準(zhǔn)化 6 對(duì)觀測值進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正如相對(duì)論改正和大氣折射模型改正預(yù)處理所采用的方法和模型的優(yōu)劣將直接影響最終成果的質(zhì)量是提高 GPS 測量精度的重要環(huán)節(jié)基線解算預(yù)處理完成后就可進(jìn)行基線解算基線解算的過程實(shí)際上是一個(gè)平差的過程差所采用的觀測值主要是雙差觀測值基線解算時(shí)的平差分以下三個(gè)階段進(jìn)行 a 初始平差根據(jù)雙差觀測方程組成誤差方程和法方程后求解待定的未知參數(shù)及其精度信息通過初始平差解算出整周未知數(shù)參數(shù)和基線向量的實(shí)數(shù)解或浮動(dòng)解 b 整周未知數(shù)的確定根據(jù)初始平差結(jié)果使用搜索法將整周未知數(shù)固定成整數(shù) c 確定基線向量的固定解將確定了的整周未知數(shù)作為已知值僅將待定點(diǎn)的坐標(biāo)作為未知參數(shù)再次進(jìn)行平差解算出基線向量的整數(shù)解 即固定解 基線解算是自動(dòng) 完成的對(duì)于 GPS 控制網(wǎng)來說需要從所有基線中選取獨(dú)立基線 組成基線向量網(wǎng)然后才能進(jìn)行 GPS 網(wǎng)平差計(jì)算 GPS 基線解算的質(zhì)量監(jiān)控 基線解算完成后必須對(duì)基線解算進(jìn)行質(zhì)量檢查檢查的內(nèi)容有短基線 一般認(rèn)為小于 20km 的基線 的模糊度是否解出單位權(quán)中誤差 RMS 整周模糊度檢驗(yàn)值 RATIo 相對(duì)定位精度因子 RD0P 等對(duì)于 GPS 網(wǎng)平差來說還需要檢查同步環(huán)閉合差異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差合格的基線才可以使用不合格的基線應(yīng)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行殘差分析然后重新解算重新解算仍不合格的基線需重新測量有些廠家的GPS 數(shù)據(jù)處 理軟件會(huì)把基線解的主要質(zhì)量指標(biāo)顯示在屏幕上以便于檢查 1 單位權(quán)中誤差 RMS RMS 為基線解算時(shí)的單位權(quán)中誤差即 式中 V 為觀測值的殘差 P 為觀測值的權(quán)矩陣 f 為多余觀測數(shù) RMS 表明了觀測值的質(zhì)量與觀測條件好壞無關(guān)它可看作表示內(nèi)符合精度的一項(xiàng)指標(biāo)模糊度檢驗(yàn)值 RATIO RATIO 值反映了所確定出的整周期模糊度固定為整數(shù)的可信度 可靠性 它可表示為 顯然 RATIO 值應(yīng)大于或等于 1 該指標(biāo)與觀測值的質(zhì)量有關(guān)也與觀測條件的好壞有關(guān) RATIO 值越大說明整周模糊度固定為整數(shù)的可信度越高一般情況下RATIO值應(yīng)大于 3雙差解將整周模糊度固定只把測站的坐標(biāo)作為未知數(shù)來平差得到的解叫雙差固定解只要能成功固定整周模糊度雙差固定解的精度最高 2 線長度的中誤差 基線解算后要求基線長度中誤差在標(biāo)稱精度計(jì)算的精度值內(nèi)目前大多數(shù)廠家的軟件規(guī)定的基線長度標(biāo)稱精度為 0． 5～ l0cm 4 1ppm～ 2ppm DD 為基線長度單位 km 小于 10km 的基線中誤差應(yīng)為 0． 01～ 0． 02m 若超過此限基線解算成果的可信度較差 20km 以內(nèi)的基線單額接收機(jī)接收的數(shù) 據(jù)通過差分處理就能保證定位結(jié)果的精度當(dāng)基線長度 大于 20km 時(shí)應(yīng)使用雙頻接收機(jī)觀測以便有效地消除電離層的影響特別是太陽活動(dòng)高峰期時(shí)使用雙頻接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果明顯優(yōu)于單頻接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果使用單頻接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理的基線長度在正常年份比真值約小 05ppm～ 07ppm 在太陽活動(dòng)高峰期的一二月份的中午可達(dá) 3ppm～ 5ppm2020 年就是太陽活動(dòng)高峰期所以經(jīng)常出現(xiàn) GPS 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高的現(xiàn)象 3 雙差固定解與雙差浮動(dòng)解 實(shí)數(shù)解 整周模糊度在理論上是一個(gè)整數(shù)但平差解算得到的卻是一個(gè)實(shí)數(shù)對(duì)于短基線 例如小于 20km 的基線 由于雙差模糊度具有很 好的整數(shù)特性就將整周模糊度確定為整數(shù)在進(jìn)一步平差時(shí)不作為未知數(shù)求解這種解算方法解算出的基線結(jié)果稱為雙差固定解對(duì)于長基線來說由于電層折射誤差衛(wèi)星軌道誤差等難以有救地消除整周模糊度求解精度往往很低這時(shí)將整周模糊度勉強(qiáng)取為整數(shù)對(duì)于相對(duì)定位精度有損無利這時(shí)維持整周模糊度的實(shí)數(shù)解由此而解算出的基線結(jié)果稱為雙差浮動(dòng)解雙差固定解與雙差浮動(dòng)解的向量坐標(biāo)差達(dá)分米級(jí)時(shí)則處理結(jié)果可能有疑原因可能是觀測質(zhì)量不佳一般地短基線的雙差固定解精度高則長基線雙差浮動(dòng)解也為佳 4 同步環(huán)閉合差 同步環(huán)閉合差就是由同步觀測基線所構(gòu)成的閉合環(huán)的閉合 差同步環(huán)閉合差在理論上為零由于觀測等誤差存在實(shí)際上同步環(huán)閉合差不等于零國家測繪行業(yè)的全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范規(guī)定了同步觀測環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差和同步環(huán)閉合差應(yīng)滿足下式 式中 n 為同步閉合環(huán)的邊數(shù)為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度 按平均邊長計(jì)算 分別為 xyz 軸坐標(biāo)分量閉合差 w 為同步環(huán)閉合差同步環(huán)閉合差應(yīng)小于或等于全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范規(guī)定的允許值若同步環(huán)閉合差超限說明組成同步環(huán)的基線中至少一條有問題對(duì)于有問題的基線要?jiǎng)h去如果該基線需要保留就得重新進(jìn)行觀測 5 異步環(huán)閉合差 由非同步觀測基線所組成的閉合環(huán)稱為異步環(huán)其閉合差稱 為異步環(huán)閉合差國家測繪行業(yè)全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范規(guī)定了異步觀測環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差和異步環(huán)閉合差應(yīng)符合下式 式中 n 為異步閉合環(huán)的邊數(shù) 為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度 按平均邊長計(jì)算 分別為 xyz 軸坐標(biāo)分量閉合差 W 為異步環(huán)閉合差若異步環(huán)閉合差超限說明組成異步環(huán)的基線中至少有一條基線質(zhì)量不合格可通過相鄰異步環(huán)或重復(fù)基線查出質(zhì)量不合格的基線并刪除質(zhì)量不合格的基線一般說來異步環(huán)閉合差符合限差要求時(shí)同步環(huán)閉合差一定符合限差要求重復(fù)基線較差 重復(fù)邊互差 不同觀測時(shí)段對(duì)同一條基線的觀測結(jié)果稱為重復(fù)基線這些觀測結(jié)果的差異就是 重復(fù)基線較差國家測繪行業(yè)全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范都規(guī)定重復(fù)基線