1、武汉大学毕业论文（设计）题 目： 静态 GPS 在线路控制测量中的应用 专 业： 测 绘 工 程 作 者： 导 师： 年 月 日目录 3引言 51.工程 概况 62. 仪器设备和软件 .62.1 选定仪器设 备和软件 62.2 北极星 9600 型 GPS 特色 62.3 北极星 9600 型 GPS 系统组成 72.4 测量系统的主要技术参数 73. 网的设 计和观测 .83.1 GPS 布网 83.2 GPS 观测 94. GPS 数据处理 104.1 数据 处理 .104.2 观测质量的检核 .114.2.1 同步环检验 .114.2.2 异布 环检验 .114.3 提高 GPS 控制测
2、量质量及精度的体会与建议 .125.线处理的基本原理和操作 .125.1 确定合适的历元间隔 .135.2 如何确定合适的参考卫星、高度截止角 .155.3 如何剔除无效历元 .166.测设成果 .176.1 GPS 点 WGS-84 坐标系自 由网平差 176.1.1 GPS 点 WGS-84 坐标 系坐标平差及精度 176.1.2 GPS 点 WGS-84 坐标系大地坐标及其精度 186.2 GPS 点 54 系二维约束平差 187. 结束语 18参考文献 .19静态 GPS 在线路控制测量中的应用摘 要本文介绍了静态 GPS 测量技术在福建省厦门至沙县高速公路线路控制测量中的应用，全面叙
3、述了导线的布设、观测；仪器设备和软件的选择；外业数据的处理；基线处理的基本原理和操作等，对于今后长线路利用静态 GPS 做线路测量有一定的指导和借鉴。关键词 静态 GPS ; 控制测量； 线路； 应用5引 言随着福建省海西经济建设的蓬勃发展，原有的一些低等级，低标准的公路已经无法满足日益增长的车流量，因此修建高等级，高时速的客货共线路是福建省交通事业的重中之重。到 了 2009 年 ， 各 觉 得 技 术 条 件 已 经 成 熟 ， 就 开 始 积 极 呼 吁 推 进 福 建省 厦 门 至 沙 县 高 速 公 路 的 立 项 。 既有福州至厦门是福建省最繁忙的干线之一,其中厦门至泉州州段尤为紧
4、张,运输能力处于超饱和状态,运输质量难以进一步提高,特别是节假日期间因增开大量客车,货车被迫全面停开,严重制约区域经济的发展。随着国民经济的快速发展, 福建省厦门至沙县高速公路通道的客货运量将有较大幅度增长,经济增长方式的转变对客货运输质量也提出了更高的要求。新建福建省厦门至沙县高速公路,实现客货分线运输,是彻底解决通道运能矛盾,提高运输质量的最有效途径。为了指导和控制福建省厦门至沙县高速公路的施工，满足业主对测量精度的要求，线路的控制由静态 GPS 来观测，下面以福建省厦门至沙县高速公路为例简单介绍一下。61.工程概况建成的福州至厦门高速公路是福建省公路高速客运网主骨架之一，福厦线途经泉州、
5、莆田、福州三市。根据规划，福建省主干线包括三横两纵。新建福建省厦门至沙县高速公路是在福建省规划三横两纵的延伸部分，由福建省交通设计规划院设计全长124.319 公里,起讫里程为 DK68+081DK192+400，线路位于泉州、三明市境内，分别经过泉州市的德化县、安溪县、三明市的大田县、尤溪县、沙县。计划工期 24 个月，工程总造价 13 亿元, 线路布设于丘陵地区，本工程的特点是工期紧、任务重、重难点工程多、技术标准高、特别对测量精度要求更高。2.仪器设备和软件2.1 选定仪器设备和软件结合业主的对测量精度的要求及本工程的特点，在仪器的选择上我们采用南方测绘仪器有限公司生产的北极星 9600
6、 型 GPS 测量系统，该仪器为 12 通道单頻接收机，其静态相对定位精度为： 静态基线 （5mm +1ppmD）。北极星 9600 型 GPS 测量系统配备有 Planning 星历预报软件（可预报 30 天内测区各测点一天 24 小时的卫星分布状况及健康状况）、南方后处理解算软件（包含数据传输、基线向量处理、GPS 网平差软件等功能），完全能够满足我标段 GPS 控制测量数据处理的要求。 GPS 施测和数据处理时采用的其它设备有对讲机、移动电话、电脑和必要的交通工具等。22 北极星 960 型 GPS 特色 9600 智能一体化 GPS 接收机的问世，给广大 GPS 用户带来了惊喜。轻巧的
7、一体化设计能让您充分感受到休闲测量的快乐，没有电缆，没有电池，没有天线，任何东西都已内置在一个小小的主机壳里，宽大的液晶显示屏还可让您在采集数据时查看星历情况、卫星分布。该机适合于不同层次用户，既可当傻瓜机使用，也可使用内置采集器来进行 GPS 数据采集工作。另外，采用双电源系统，可以自动切换到另一块电池中供电，从而保证不间断测量工作。9600 高达 16M 的内存，能连续存储约二十天的采集数据。723 北极星 9600 型 GPS 系统组成 9600 型 GPS 测量系统可分为硬件、软件两个部分，具体组成如下： 硬件：9600 接收机 （内置测量型天线及抑制多路径板） 原装进口 OEM 板和
8、 CPU； 9600 单片机内置采集器（内置采集软件）； 可充电电池及充电器； 铝或木三脚架； 数据传输电缆。 软件：包括数据传输软件（计算机与 9600 主机通讯软件）、GPS 数据处理系统（包含基线向量处理、闭合差自动搜索、网平差、高程拟合以及图形输出等功能）。 为达到高精度的大地测量要求，9600 型 GPS 测量系统采用静态相对定位模式。此时外业部分需两台或两台以上 GPS 接收机。同时，为方便野外观测，提高野外作业的效率，建议用户在条件许可下配置更多 GPS 接收机。我们所提供的标准配置为三台套，用户可视自己需要而增减。 9600 型 GPS 测量系统还可扩展成后差分测量系统。精度可
9、达0.1m1m（精度与作用距离成反比） 。 后差分型测量系统，采用两台以上接收机同时作业观测，其中一台作基准站，一台作移动站。该系统不需要实时数据链通讯就可进行类似于动态的测量，作用距离能达 300 公里以上。数据经过处理可方便的进入 CAD 进行图形编辑，数据成果可导入 Mapinfo 等 GIS 系统。 后差分测量系统设备简单，操作灵活方便，可广泛应用于政府土地管理部门、测量部门、海洋调查、水利水土保持、森林详情普查、地质调查、林业资源勘查、石油、地矿勘探、航道测量、大地测量、控制测量、港口建设规划、航行标志定位设置、海上钻井定位、公路铁路测量、监测等行业。 24 测量系统的主要技术参数
10、9600 接收机： 12 个并行的独立通道、可同时接收 12 颗卫星 L1 载波相位、CA 码伪距，1575.42MHz 扁平有源天线带内装式抑径板 8 根据卫星高度及卫星运行的健康状况自动选择卫星 flash 闪存内存 16M（与优盘同芯片组），可存储连续约 20 天数据量 240*160 的大液晶显示屏 两块高性能锂电池连续工作时间长达 16 小时之久 静态相对定位精度： 静态基线：（5mm+1ppm） 高 程：（10mm2ppm）3.网的设计和观测31 GPS 布网 福建省厦门至沙县高速公路由福建省交通规划设计院负责设计，交规院提供给我标段两类（CPI、CPII）共 52 个控制点，这些
11、控制点位沿线路两侧布设，属线状分布，整个控制网距离较长。为了满足高等控制网的高精度要求，应采用经典三角形网进行观测，三角形网几何结构强，具有良好的自检能力，经平差后网中相邻点间基线向量的精度均匀。同时为了保证网形分布几何强度，我们在适当位置加布了一些增加网形集合强度的转点，这些点虽不会在工程施工中应用到，但是对于完善网形和平差时误差分布起着关键作用。如图（3-1）中 ZD1、ZD2 点就是为了完善网形而特意加入的。图（3-1） 9布网设计中要考虑旧有控制点（有国家或城市测绘成果资料）及其标石的利用。特别是作为 GPS 网平差的约束点、校核点的利用和在网内的位置是否有利于平差精度的控制，如约束点
12、均匀地分布在四周有利于精度的控制。布网应从起算点开始，以边连、点连混合方式连续构成整体网。连接后，应便于组成较长的同步环、异步环及复测基线，使 GPS 网具有较强的几何强度和多余观测及尽量做到重复设站，使 GPS 网具有一定的可靠性，为 GPS 网的整体精度提供保证。点位应选在基础稳定、交通方便、便于安置接收设备、土质坚实的地上或高大稳固的建筑物上，以便长期保存利用。应便于安置接收机设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角应小于 15。应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不得小于 200m；远离高压输电线其距离不得小于 50m。附近不应有强干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开
13、大面积水域。原有旧控制点的利用，应选成果精度符合要求的点，且其点的名称不易改变，对仅有标石无成果或无符合要求的成果时，可借用其标石作为新点选取。点位应考虑日后用常规加密的方便，点位之间最好通视，或至少有一个方向通视。32 GPS 观测 在实际外业观测过程中,使用 8 台北极星 9600 型 GPS 接收机,做为一个同步时段同时进行观测, 有效观测卫星数4 颗, 时段长度45 分钟,如果有的点不搬站, 则不关机，以保证尽可能长的时段长度。外业观测的质量是保证 GPS 测量原始数据的质量的重要环节。为提高其观测精度，在外业观测前要制定科学周密的观测计划。首先通过微机设置测区近似经纬度，作业日期及时
14、间，编制 GPS 卫星可见性预报表，包括可见卫星数、号，卫星高度角、最佳观测卫星组，最佳观测时间，点位精度因子等。根据上述预报选择最佳观测卫星组，最佳观测时间，制定好观测计划。确定每组观测使用接收机的台数和型号。具体还应满足如下要求：全网的同步观测时间均应安排在每天的最佳观测时段，每时段最少跟踪 4 颗卫星，精度因子 PDOP 值均小于 6。在测站上，天线严格整平对中，天线固定标志大致朝北。10每时段观测时间根据规范要求，其时间长短，应根据基线的长短而定，基线长小于 20km 时，观测时间取 90 分钟为宜，数据采集间隔为 10-60 秒，一般采用 15 秒。观测过程中，观测者应坐在接收机旁，
15、头顶不要超过天线，观察数据接收情况，如卫星数、信噪比及精度因子变化及点位周围环境、观测边的长度等因素，灵活掌握观测时间，若出现观测质量不佳的情况应及时联络各测站，可延长观测时间。为确保数据安全，每天的观测数据应及时传输至微机存盘保存。每天测站的点名、点号、仪器高、天线高的输入应准确无误。作业前，对 GPS 观测系统光学对点器进行检校， GPS 观测记录格式按GPS 规程有关规定执行，每时段观测前后各量取天线高各一次，读至 1mm，两次量测较差均不大于 3mm，取平均值作为最后天线高。作业时段及观测时间安排应按预先编制的作业计划/调度表执行。接收机、天线、电缆、电池能否正常工作。温差大的高温高湿
16、天气，天线密封不好可能进水。如果进水，反映在观测中信噪比变小，甚至小于 3。因此一定要注意清除潮气，以免影响观测精度。当 GPS 的精度要求较高时，观测时段的分布尽可能日夜均匀，以减少电离层、对流层的折射影响。在观测过程中, 自始至终有人值守, 并经常检查有效卫星的历元数是否符合要求,否则及时通知其它几台仪器, 延长时段时间, 以保证观测精度。 观测记录应填写齐全完整。4. GPS 数据处理41 数据处理 GPS 基线解算及质量控制要提高 GPS 网基线解算的精度，必须做好观测数据的处理工作，检验每天观测数据的精度和有效性，每天必须及时地对外业观测数据进行计算、检验，即进行基线解算及同步环、异
17、步环坐标分量相对闭合差、复测基线较差的统计和误差衡量，对误差超限的基线进行适当处理或进行复测，以确保外业观测数据的质量和精度。将外业观测的数据利用专用软件及时下载传输入计算机内, 并进行外业数据的检查。根据自动处理基线向量的结果，检查基线向量方差比(Ratio)、中误差(rms)以及天线高等, 方差比3,中误差20mm,参与解算的向量均应符合要求。11具 体 情 况 如 下 ：按 观 测 时 段 组 成 5 个 同 步 环 ， 环 闭 合 差 最 大 1.428 ppm,闭 合 差 最 小 0.123 ppm， 限 差 10ppm。控 制 网 的 三 维 无 约 束 平 差 的 精 度 ：最
18、弱 点 点 位 误 差 : 0.40cm 允 许 误 差 :5 cm最 弱 边 相 对 误 差 ： 1/866000 允 许 误 差 :1/40000控 制 网 的 二 维 基 线 网 平 差 的 精 度 ：最 弱 点 点 位 误 差 : 0.22cm 允 许 误 差 :5 cm最 弱 边 相 对 误 差 ： 1/650000 允 许 误 差 :1/4000042 观测质量的检核 计算同一时段观测值的数据剔除率，其值应小于 10%；根据GPS 规范要求，各级 GPS 基线精度计算公式如下：= （4-22)(bda1）式中：标准差（mm） ；a固定误差10mm；b比例误差系数10ppm；d相邻点
19、间距离（km）同一条边任意两个时段的成果互差，应小于接收机标称精度的 2 倍。若干个独立观测边组成闭合环时，各坐标分量闭合差应符合下式规定： Wx3 ； Wy3 ； Wz3 （4-2）nnn式中：n闭合环中的边数；相应级别规定的精度(按平均边长计算)三边同步环，第三边处理结果与前两边代数和，其差值应小于下列数值： Wx 5； Wy 5； Wz 5； （4-3333） W= 35 （4-4）22Wzyx式中：相应级别规定的精度(按平均边长计算)。4.2.1 同步环检验 同步观测环是三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。12根据GPS 规程要求，其坐标分量应分别2ppm；全长闭
20、合差应3ppm。4.2.2 异步环检验 在构成多边形环路的基线向量中，只要存在非同步观测基线向量，该多边形环路叫异步观测环。坐标分量闭合差： Wx=Wy=Wz2 （4-5）n异步环全长闭合差: W2 （4-6）343 提高 GPS 控制测量质量及精度的体会与建议对 GPS 网中已知点的坐标的精度要进行认真的分析和检验，避免那些存在较大误差的“已知点”作为平差计算或坐标转换的约束条件，其结果会影响 GPS 测量原有的精度，给 GPS 网的最后结果带来影响。检验方法，一是认真查阅这些已知点的等级、精度等资料，二是通过高精度的测距仪进行测距和已知点计算的边长进行比对，三是对已知点进行分组约束平差试算
21、，找出匹配的平差精度高的已知点。对精度要求高，重点工程的 GPS 控制网的成果的检验，可在其 GPS 网内布设一级光电测距导线，从其测距导线的坐标闭合的相对精度，检验 GPS 测量最后的平面控制成果的精度，同时也检验了已知点的相对精度。采用 GPS 技术进行城市控制测量，具有精度高、灵活性强、工作效率高的特点，不但要求作业人员具有较高的 GPS 测量专业技术水平，而且更要有高度的责任心。这对确保观测数据质量和平差计算成果的精度是至关重要的。因为每一失误都有可能造成观测成果和内业计算成果的错误，造成返工或不可弥补的损失。具体要求是在静态测量中，要保证测站点名、点号、仪器高、天线高输入的正确。在内
22、业平差计算时，要对约束点、校核点、平面坐标和高程的输入进行反复校对，保证其正确无误。在动态测量中，也要求观测者时时保持高度的责任心，如立杆者必须做到气泡居中，点位对中，误差在 1cm 以内方可测量，这是保证动态测量精度的关键，须认真做好。外业施测在在温度比较低（0以下）时，应提前 20 分钟对接收机进行加温预热。这样的观测数据的质量优于未经过接收机预热的观测数据。5.基线处理的基本原理和操作13下面以厦沙线泉州段 S2-1 合同段中的一段控制网为例说明基线处理的基本原则和操作，施工网图如图 5-1 所示：图 5-1上图网中的基线 JD01-2112 这条重复基线解算后的方差比太低，如图 5-2
23、 所示：图 5-2对此观测数据质量差的数据进行重新解算,一般我们采用以下三种措施:1451 确定合适的历元间隔我们可从图 5-1 看到 JD011751-21121751 这条基线约有 1.4km,而同步观测时间有141 分钟,如果使用历元间隔 30 秒来解算,则一共有 282 个历元的数据参与解算，我们可看到图 5-1 解算后方差比较低为 2.0,没达到成为合格固定双差解的条件。由于基线越长，所观测的采集时间也越长，我们野外观测时间有 141 分钟，现调整缩小历元间隔为 10 秒来解算，这时参与计算的一共有 523 个历元的数据，比用历元间隔 30 秒来解算多三倍的数据量。现在用 10 秒间
24、隔来算结果如图 5-3 所示：图 5-315图 5-3-1此时方差比为 1.1,反而比 2.0 更低,我们可查看基线详解图 5-3-1,数据某些时间段出现周跳或中断,数据量多同时也带进了更多的质量差的数据,这时又要求缩小历元间隔。52 如何确定合适的参考卫星、高度截止角如果更改历元间隔来解算无法使基线方差比增加，我们再来选择较好的参考卫星及调整高度截止角。当高度截止角较低时，参与解算的卫星数目多，但低空卫星数据通讯容易被外界干扰，低空卫星质量差的数据较多；当高度截止角较高时，参与解算的卫星数目少，但高空卫星数据通讯不容易被外界干扰，高空卫星质量好的数据较多。如图 5-2 的参考卫星为 14、高
25、度截止角设为 20 度时方差比为 2.0,现改为参考卫星 22、高度截止角 35 度时,如图 5-4, 方差比为 9.0,已满足合格固定双差解的条件。图 5-4综上所述确定合适的参考卫星及高度截止角原则：从基线详解中查看采集数据的卫星，从中选取一较好的卫星做为解算时的参考卫星，从而得到更好的解算效果。当基线详解中查看到卫星数目足够多，16适当增加高度截止角，尽量让高空卫星数据进入解算；当基线详解中查看到卫星数目比较少时（最低解算要求 4 颗以上卫星） ，适当降低高度截止角，尽量让多一些卫星数据进入解算。53 如何剔除无效历元从图 5-5，我们看到历元有中断的地方较多，我们双击左状态栏的 211
26、21751.STH数据双击弹出数据编辑框。图中红线代表接收机对卫星 L1 载波信号的跟踪情况，每一条红线对应一颗卫星，卫星序号为图左端所示。红线中断处表示当时卫星信号失锁，为无效历元。删除无效历元时点中 ,然后按住鼠标左键拖拉框选圈住上图中有历元中断的地方即可剔除无效历元,点中 可恢复剔除历元。图 5-5无效历元剔除后将变灰如图 5-6。17图 5-6用以上三种方法综合交叉使用来解算基线合格后要检核异步环、同步环和重复基线限差(限差要求见第四章)合格后才能网平差。所述三种基线解算条件只是一个大致的原则：根据基本原则合理的相互配合进行设置，以使基线解算达到要求。在基线解算中还要求同步环中各条基线
27、解算设置条件尽量保持一致，而修改了基线设置后又很难使其保持一致从而造成闭合环差过大。因此，我们一般只对基线方差比小于解算通过条件的基线进行重解，其他基线不作改动。6. 测设成果基线处理成功后，即可进入软件的网平差界面，进行 WGS-84 坐标系下的自由网平差及二维约束网平差。 61 GPS 点 WGS-84 坐标系自由网平差 6.1.1 GPS 点 WGS-84 坐标系坐标平差及精度 按GPS 规程规定，基线向量的改正数: Vx=Vy=Vz3 （6-1）实测基线 182 条，经检查最大的基线 向量改正数为 17.6mm，完全符合规程要求。18基线的相对精度最低为 1/150576。 6.1.2
28、 GPS 点 WGS-84 坐标系大地坐标及其精度 WGS-84 坐标的点位中误差最大为 5.1mm;最小为 1.0mm。62 GPS 点 54 系二维约束平差 根据设计院提供的已知控制点，进行二维强制约束平差，此次 GPS 网复测，经平差得到结果如下: 边长中误差最大为 9.4mm。边长的相对精度最高为 1/3367601；最低为 1/126957，高于规定 1/12 万的精度，完全符合要求。7. 结束语静态 GPS 在福建省厦门至沙县高速公路控制网布设中的应用，与传统导线测量方法相比较，勘测精度和勘测效率都有了大幅度的提高。GPS 静态、快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各种
29、控制测量，极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。GPS 测量作业效率为常规测量方法的 3 倍以上。当点位测定后回到室内或在野外，不受人为因素的影响，整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算，大大提高了线路测设的精度及工作效率。19参考文献： 1 方辉. GPS 测量原理及应用M. 武汉：武汉测绘科技大学出版社,1998 2 许其风. GPS 卫星导航与精密定位.北京：解放军出版社,1989 3 黄劲松，李征航. GPS 快速静态定位技术. 武汉测绘科技大学学报，1996 4 施闯.大规模高精度 GPS 网平差与分析理论及其应用.北京：测绘出版社，20025 高德慈，文孔越.测量学M. 北京：北京工业大学出版社.19966 李天文.GPS 原理及应用. 北京：科学出版社.2003（21 世纪高等院校教材）7 张正禄.工程测量学. 武汉 ：武汉大学出版社.2005.10 高等学校测绘工程专业核心教材8 张凤举.控制测量学.北京：煤炭工业出版社，1999.7 高等学校规划教材9 国家测绘局颁布.全球定位系统（GPS）测量规范.北京：测绘出版社, 1996
