测绘本科毕业论文gps汇编.docx
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测绘本科毕业论文gps汇编
存档编号
华北水利水电大学
NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower
毕业论文
题目:
GPS工程控制网的布设研究
学院资源与环境学院
专业测绘工程
姓名刘富强
学号201001106
指导教师周建业
完成时间2014.05
教务处制
独立完成与诚信声明
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毕业设计(论文)作者签名:
导师签名:
签字日期:
签字日期:
目录
中文摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1GPS技术的发展1
1.2GPS工程控制测量的现状2
1.3本文主要研究的问题2
第二章GPS定位原理4
2.1GPS系统介绍4
2.2GPS定位原理4
2.3GPS的特点7
第三章GPS控制网的布设8
3.1GPS网的基本形式8
3.1.1三角网8
3.1.2环形网8
3.1.3附和线路和星形网8
3.2GPS网的图形设计8
3.3GPS布设的一般原则12
3.4GPS控制网的优化设计13
3.4.1GPS网的基准设计13
3.4.2GPS网的精度设计15
3.5控制网的点位选择16
3.6数据处理与坐标转换16
第四章大同矿区GPS控制网设计实例18
4.1任务来源及工作量18
4.2测区概况19
4.3布网方案19
4.3.1技术设计的依据与基准设计19
4.3.2方案设计的技术分析20
4.3.3GPS网的设计及施测方法20
4.4方案比较23
结论27
展望28
参考文献29
致谢30
附录31
附录一外文文献31
附录二外文翻译39
附录三毕业论文任务书43
附录四开题报告46
GPS工程控制网的布设研究
中文摘要
20世纪70年代,由美国国防部建立的GPS全球定位系统,与传统的测量技术相比较,具有用途广、精度高、速度快、站间无须通视、操作简便、全天候作业、可提供三维坐标等特点。
因此,当GPS建成后,很快在全世界得到了非常广泛的应用。
在工程测量领域,除地下工程测量以外的其他各种工程测量的传统测量技术,正在逐渐被GPS测量技术取代。
其中,以GPS静态相对单位方法为手段的地面控制测量和以实时载波相位差分(RTK)定位方法为手段的施工测量、地形测量以及地籍测量等GPS测量技术的应用尤为广泛。
在工程测量中GPS技术已在许多工程测量领域中获得应用,如桥梁工程和隧道工程,铁路、公路等各种线路工程,水利工程,管道工程等。
随着GPS技术在工程测量中的逐渐应用,GPS技术在工程控制网的布设中也被广泛应用,应用GPS测量建立工程程控制网也已基本取代了传统的控制网建立方法,而研究怎样合理的布设GPS控制网对保证控制网的精度,降低建网费用具有重要意义。
全面系统地研究GPS工程控制网的布设,探讨工程控制网的设计方法,提出GPS工程控制网的布网方法,能够提高作业效率,降低作业成本。
为我们在实际工作中提供更多方便和节省人力、物力。
也为我们对GPS工程控制网的布设研究有进一步的认识和理解。
关键词:
GPS技术、工程控制网、布设
StudyonthearrangementofGPSengineeringcontrolnetwork
Abstract
Inthe1970ofthe20thcenturybytheUnitedStatesDepartmentofDefensedevelopGPSglobalpositioningsystem,comparedwiththetraditionalmeasurementtechniques,withwide,highprecision,fastspeedwithoutintervisibilitybetweenstations,easy,around-the-clockoperation,whichprovidesfeaturessuchasthreedimensionalcoordinates.Therefore,whentheGPSbuiltquicklytoaverywiderangeofapplicationsthroughouttheworld.Inthefieldofengineering,andvariousotherprojects,exceptforundergroundengineeringsurveyingmeasurementsmeasuringtechniqueoftraditional,isgraduallysupplantedbyGPSmeasurementtechniques.Amongthem,bymeansofGPSstaticrelativeunitmethodofgroundcontrolsurveyandrealtimecarrierphasedifference(RTK)positioningmethodsformeansofconstructionsurveying,topographicandcadastralsurveyingapplicationofGPSmeasurementtechniqueisparticularlyextensive.GPSinengineeringsurveytechnologyhasbeenappliedinmanyfieldsofengineeringsurvey,suchasbridgesandtunnels,railways,roadsandotherengineering,hydraulicengineering,plumbingandsoon.WiththegradualapplicationofGPStechnologyinengineeringsurveying,GPStechnologyintheconstructioncontrolnetworklayouthasalsobeenwidelyapplied,usingGPSmeasurementstoestablishprojectprocesscontrolnetworkhasbeenbasicallyreplacesthetraditionalmethodofestablishingcontrolnetwork,andstudyhowreasonablearrangementtoguaranteetheprecisionofcontrolnetworkofGPScontrolnetwork,reducingnetworkcostsisofgreatsignificance.ComprehensiveviewofGPSengineeringcontrolnetworklayoutofadiscussionondesignmethodoftheengineeringcontrolnetwork,presentednetofGPSengineeringcontrolnetwork,toimproveoperationalefficiencies,andreducedcostofoperation.Wehaverealworktoprovidegreaterconvenienceandsavingsinmanpowerandmaterialresources.StudyofGPSengineeringcontrolnetworklayoutforusagreaterawarenessandunderstanding.
KeyWords:
GPStechnology,constructioncontrolnetwork,setting
第一章绪论
1.1GPS技术的发展
近年来,随着GPS技术的不断发展,它也逐步应用在很多领域,其中,在测量中的应用也越来越广泛。
80年代初,我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。
十多年来,我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。
80年代中期,我国引进GPS接收机,并应用于各个领域。
同时着手研究建立我国自已的卫星导航系统。
现在GPS技术在我国各行业中的应用越来越广泛。
在大地测量方面,利用GPS技术开展国际联测,建立全球性大地控制网,提供高精度的地心坐标,测定和精化大地水准面。
组织各部门参加1992年全国GPS定位大会战。
在我国建成了平均边长约100km的GPSA级网,提供了亚米级精度地心坐标基准。
此后,在A级网的基础上,我国又布设了边长为30~100km的B级网,全国约2500个点,A、B级GPS网点都联测了几何水准。
这样,就为我国各部门的测绘工作,建立各级测量控制网,提供了高精度的平面和高程三维基准。
目前我国已完成西沙、南沙群岛屿与大陆的GPS联测,使海岛与全国大地网联结成一整体。
在工程测量方面,应用GPS静态相对定位技术,布设精密工程控制网,用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。
加密测图控制点,应用GPS实时动态技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施式放样。
在航空摄影方面,我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。
在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。
我国已经开始用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动,建立了中国地壳形变观测网、三峡库区变形观测网、首都圈GPS形变监测网等。
GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。
此外,在军事国防、智能交能、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业,在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域,也都开展了GPS技术的研究和应用。
在静态技术和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究,研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。
在理论研究与应用开发的同时,培养和造就了一批技术人才和产业队伍。
1.2GPS工程控制测量的现状
工程控制测量是各种工程测量的基础和基准。
现代空间定位技术特别是GPS的发展,提供了一种崭新的控制测量技术手段,使工程平面控制测量发生了革命性的变革。
传统的三角测量、三边测量、边角测量以及导线测量建立高等级控制测量的方法已被GPS测量所替代。
在线路测量中,也经常应用GPS快速定位和技术来进行线路控制测量。
全站仪的发展提高了测角和测距的精度,目前全站仪测角精度达到0.5秒,测距精度达到10-6m,同时自动化程度越来越高。
自动全站仪能自动识别、跟踪和精确照准目标,因此大大简化了仪器的观测操作,在工程测量中得到广泛用。
在小范围高精度的工程控制测量、控制测量加密、城市导线测量和地下工程控制测量中,还是主要采用全站仪布设工程控制网和导线网进行工程控制测量。
几何水准测量仍旧是建立高精度高程工程控制测量的基本方法。
电子水准仪的出现,使几何水准测量向自动化、数字化方向迈进。
全站仪电子测距精度的提高和高灵敏度垂直度盘读数的自动补偿,使三角高程测量精度得到提高,操作更为简单。
采用电子测距三角高程测量在起伏较大的地区代替三、四等几何水准测量,已得到实际应用。
GPS高程测量近几年来受到广泛关注,建立三维GPS控制网,结合精化局部大地水准面,改变了传统的平面和高程控制网分别布设、分别施测和分别处理的状况。
从目前进行的实践可以认为,在局部地区GPS水准能实现厘米级的精度,可代替三、四等水准测量。
GPS技术的发展为控制测量提供了一种新的高精度的测量手段。
GPS测量除布设大范围高精度控制网外,在工程测量、形变监测、地壳运动监测、天文测量等方面也得到了广泛的应用。
由于GPS测量在工程控制网的布设中具有效率高、费用低、工期短、精度高等优越性,因此,在我国应用GPS测量建立这些工程控制网已基本取代了传统的控制网建立方法。
1.3本文主要研究的问题
随着我国经济建设的发展,越来越多的基础工程建设在大力展开,当然最基础的是我们测量方面,因此这也给我们带来机遇和发展。
GPS定位技术的发展,对于传统的测量技术是一次巨大的冲击。
它一方面使经典的测量理论和方法产生了深刻的变革,另一方面也进一步加强了测绘科学与其他学科之间的相互渗透,从而促进测绘科学技术的现代化发展。
现在利用GPS技术进行测量具有精度高、速度快、全天候等特点,因此GPS测量也在普遍的应用。
但是GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作,实施这项工作总的原则是,在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下,尽可能的减少经费、时间和人力的消耗。
因此,对其各阶段的工作都要精心设计,精心组织和实施。
我们就主要通过GPS控制的网形、图形设计、精度、基准设计等方面来研究GPS工程控制网的布设。
第二章GPS定位原理
2.1GPS系统介绍
GPS全称为“导航卫星授时和测距/全球定位系统,全球定位系统(GlobalPositioningSystem简称GPS)是美国国防部从上世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统,历时20年,耗资200亿于1994年全面建成。
该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能。
能为各类用户提供精密的三维坐标、和时间。
GPS系统主要包括三大组成部分:
即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
(1)空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,亦即(21+3)GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,各个轨道平面之间交角60度。
卫星距地面的平均高度为20200km,卫星绕地球运行周期为11小时58分。
地面观测者每天至少可以观测到4颗卫星,最多还可观测到11颗卫星。
(2)地面监控部分GPS工作卫星的地面监控系统主要由分布在全球的1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。
卫星的位置是依据卫星发射的星历,即描述卫星运动及其轨道的参数算得的。
每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准———GPS时间系统。
这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出时钟差。
然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
(3)用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。
其主要任务是:
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出观测站的三维位置,甚至三维速度和时间,最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
2.2GPS定位原理
测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。
与其相似,GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。
简言之,GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。
设想在地面待定位置上安置GPS接收机,同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。
通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离,据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差δt。
图2-1GPS定位原理
如图2-1,设时刻
在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离
、
、
、
4,通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标
,用距离交会的方法求解P点的三维坐标
的观测方程为:
式中的c为光速,δt为接收机钟差。
由此可见,GPS定位中,要解决的问题就是两个:
一是观测瞬间GPS卫星的位置。
我们知道GPS卫星发射的导航电文中含有GPS卫星星历,可以实时的确定卫星的位置信息。
二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。
站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。
这样利用三颗以上的卫星的已知空间位置就可交会出地面未知点(用户接收机)的位置。
这便是GPS卫星定位的基本原理。
在GPS定位中,GPS卫星是高速运动的卫星,其坐标随时间在快速变化着,需要实时地由GPS卫星信号测量测站至卫星之间的距离,实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值,并标定测站点的定位,依据测距的原理,其定位原理与方法主要由伪距法定位,载波相位测量定位以及差分GPS定位等,在这里就介绍下差分GPS定位原理。
根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类,即:
位置差分、伪距差分和相位差分。
这三类差分方式的工作原理是相同的,即都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。
所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同。
1.位置差分原理。
这是一种最简单的差分方法,任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。
安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的坐标。
由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差,解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的,存在误差。
基准站利用数据链将此改正数发送出去,由用户站接收,并且对其解算的用户站坐标进行改正。
最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差,例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等,提高了定位精度。
以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。
位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。
2.伪距差分原理。
伪距差分是目前用途最广的一种技术。
几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。
国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC-104也采用了这种技术。
在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离,并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。
利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。
然后将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用此测距误差来改正测量的伪距。
最后,用户利用改正后的伪距来解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度。
与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消,但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差用任何差分法都是不能消除的。
用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。
3.载波相位差分原理。
测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度。
但为了可靠地求解出相位模糊度,要求静止观测一两个小时或更长时间。
这样就限制了在工程作业中的应用。
于是探求快速测量的方法应运而生。
例如,采用整周模糊度快速逼近技术使基线观测时间缩短到5分钟,采用准动态,往返重复设站和动态来提高GPS作业效率。
这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。
但是,上述这些作业方式都是事后进行数据处理,不能实时提交成果和实时评定成果质量,很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。
差分GPS的出现,能实时给定载体的位置,精度为米级,满足了引航、水下测量等工程的要求。
位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。
随之而来的是更加精密的测量技术—载波相位差分技术。
载波相位差分技术又称为RTK技术,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。
2.3GPS的特点
(1)观测站之间无需通视。
传统测量要求测站点之间既要保持良好的通视条件,又要保障三角网的良好结构。
GPS测量不要求观测站之间相互之间通视,这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间,同时也使点位的选择变得甚为灵活。
GPS测量虽不要求观测站之间相互通视,但必须保持观测站的上空开阔,以使接收GPS卫星的信号不受干扰。
(2) 定位精度高。
应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10-6,100-500km可达10-7,1000km以上可达10-9。
(3) 观测时间短。
目前,利用经典静态定位方法,完成一条基线的相对定位所需要的观测时间,根据要求的精度不同,一般约为1~3h。
快速相对定位法,其观测时间仅需数分钟至十几分钟。
(4) 操作简便。
GPS测量的自动化程度很高,在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据,而其他观测工作,如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
另外,GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小,因此携带和搬运都很方便。
(5) 全天候作业。
GPS观测工作可以在任何地点、任何时间连续地进行,一般也不
受天气状况的影响。
第三章GPS控制网的布设
3.1GPS网的基本形式
3.1.1三角网
三角网中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。
这种网的几何图形结构强,具有良好的自检能力,能有效地发现观测成果的粗差,确保网的可靠性。
经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
这种网的主要缺点是观测工作量较大,尤其当接收机的数量较少时,将使观测工作的时间大为延长。
因此,通常只有当网的可靠性和精度要求较高时,才单独采用这种图形结构的网。
3.1.2环形网
由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网,称为环形网。
这种网的图形结构强度较三角网差,其优点是观测工作量较小,具有较好的自检性和可靠性。
其缺点主要是非直接观测
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