测绘工程毕业论文--gps定位系统在公路工程控制测量中的应用-视距测量程序

测绘工程毕业论文--gps定位系统在公路工程控制测量中的应用-视距测量程序内容摘要：

一个测站上对一个目标进行两次观测求差其目的是消除公共误差提高定位精度利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量这种差分技术已经用于静态相对定位 该部分所讲述的差分 GPS 定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测根据基准站已知精密坐标计算出 基准站到卫星的距离改正数并由基准站实时地将这一改正数发送出去用户接收机在进行 GPS 观测的同时也接收到基准站的改正数并对其定位结果进行改正从而提高定位精度 GPS 定位中存在着三部分误差一是多台接收机公有的误差如卫星钟误差星历误差二是传播延迟误差如电离层误差对流层误差三是接收机固有的误差如内部噪声通道延迟多路径效应采用差分定位可完全消除第一部分误差可大部分消除第二部分误差视基准站至用户的距离 差分可分为单基准站差分具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种 第四节 GPS 导航定位误差 一 与 GPS 卫星有关的 误差 与 GPS 卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差 1 卫星钟差 由于卫星的位置是时间的函数因此 GPS 的观测量均发精密测时为依据而与卫星位置相对应的信息是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的在 GPS 定位中无论是码相位观测或是载波相位观测均要求卫星钟与接收机时钟保持 严格的同步实际上尽管 GPS 卫星均设有高精度的原子钟铷钟和铯钟但是它们与理想的GPS 时之间仍存在着难以避免的偏差和漂移这种偏差的总量约在 1ms 以内 对于卫星钟的这种偏差一般可由卫星的主控站通过对卫星钟运行状态的连续监测确定并通过卫星的导航电文提供给接收机经钟差改正后各卫星之间的同步差即可保持在 20ns 以内在相对定位中卫星钟差可通过观测量求差或差分的方法消除 2 卫星轨道偏差 估计与处理卫星的轨道偏差较为困难其主要原因是卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响而通过地面监测站以难以充分可靠的测定这作用力并掌握它们的 作用规律目前卫星轨道信息是通过导航电文等到的 应该说卫星轨道误差是当前 GPS 测量的主要误差来源之一测量的基线长度越长此项误差的影响就越大 在 GPS 定位测量中处理卫星轨道误差有以下几种方法 21 忽略轨道误差 这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准不再考虑卫星轨道实际存在的误差所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中 22 采用轨道改进法处理观测数据 这种方法是在数据处理中引入表征卫星轨道偏差的改正参数并假设在短时间内这些参数为常量将其与其它求知数一并求解 23 同步观测值求差 这一方法是利用在两个或多 个观测站一同对同一卫星的同步观测值求差以减弱卫星轨道误差的影响由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响具有系统误差性质所以通过上述求差的方法可以明显的减弱卫星轨道误差的影响尤其当基线较短时其效用更不明显 这种方法对于精度相对定位具有极其重要的意义 二 与卫星信号传播有关的误差 与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应电离层折射的影响 S 卫星信号的其它电磁波信号一样当其通过电离层时将受到这一介质弥散特性的影响便其信号的传播路径发生变化当 GPS 卫星处于天顶方向时电离层折射对信号传播路径的影 响最小而当卫星接近地平线时则影响最大 为了减弱电离层的影响在 GPS 定位中通常采用下面措施利用双频观测由于电离层的影响是信号频率的函数所以利用不同频率的电磁波信号进行观测便能多确定其影响而对观测量加以修正因此具有双频的 GPS 接收机在精密定位中测量中得到广泛的应用不过应当明确指出在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期应尽量避免观测在尤其是精密定位测量 利用电离层模型加以修正对于单频 GPS 接收机为了减弱电的影响一般是采用导航电文提供的电离层模型或其它适合的电离层模型对观测量加以修正但是这种模型至今仍在完善之中 目前模型改正的有效率约为 75％利用同步观测值求差这一方法是利用两台或多台接收机对同一卫星的同步观测的求差以减弱电离层折射的影响尤其当观测站间的距离较近时 20km 由于卫星信号到达各观测站的路径相近所经过的介质状况相似因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差便可显著的减弱电离层折射影响其残差将不会超过 0000001 对于单频 GPS接收机而言这种方法的重要意义尤为明显对流层折射的影响对流层折射对观测值的影响可分为干分量与湿分量干分量主要与大气的湿度与压力有关而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关对于干 分量的影响可通过地面的大气资料计算湿分量目前尚无法准确测定对于输送短的基线 50km 湿分量的影响较小关于对流层折射的影响一般有以下几种处理方法定位精度要求不高时可不考虑其影响用对流层模型进行改正采用观测量求差的方法与电离层的影响相类似当观测站间相距不远 20km 时由于信号通过对流层的路径相近对流层的物理特性相近所以对同 一卫星的同步观测值求差可以明显的减弱对流层折射的影响多路径效应影响多路径效应亦称多路径误差是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号信号 叠加将会引起测量参考点相位中心点 位置的变化从而便观测量产生误差而且这种误差随天线周围反射面的性质而异难以控制根据实验资料表明在一般反射环境下多路径效应对测码伪距的影响可达到米级对测相伪距的影响可达到厘米级而在高反射环境下不仅其影响将显著增大而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳因此在精密 GPS 导航和测量中多路径效应的影响是不可忽视的目前减弱多路径效应影响的措施有 1 安置接收机天线的环境应避开较强的反射面如水面平坦光滑的地以及平整的建筑物表面等 2 选择造型适宜且屏蔽良好的天线等适当延长观测时 间削弱多路径效应的周期性影响 4 改善 GPS 接收机的电路设计减弱多路径效应的影与 GPS 接收机设备有关的误差主要包括观测误差接收机钟差天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响观测误差观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等根据经验一般认为观测的分辨误差约为信号波长的 1 故知道载波相位的分辨误差比码相位不小由于此项误差属于偶然误差可适当地增加观测量将会明显地减弱其影响接收机天线相对于观测站中心的安置误差主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差在精密定位工作中必须认真仔细操作以尽量减 小这种误差的影响接收机的钟差 尽管 GPS 接收机有高精度的石英钟其日频率稳定度可以达到 10 的11 方但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的由此建立一个钟差模型并表示为一个时间多项式的形式然后在观测量的平差计算中统一求解得到多项式的系数因而也得到接收机的钟差改正载波相位观测的整周未知数 载波相位观测当前普遍采用的最精密的观测方法由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部而无法直接测定开波相位整周数因而存在整周不定性问题此外在观测过程中由于卫星信号失 锁而发生的周跳现象从卫星信号失锁到信号重新锁定对载波相位非整周的小数部分并无影响仍和失锁前保持一致但整周数却发生中断而不再连续所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似在精密定位的数据处理中整周未知数和周跳都是关键性的问题天线的相位中心位置偏差在 GPS 定位中观测值是以接收机天线相位中心位置为准的因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致可是实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化即观测时相位中心的瞬时位置称为视相位中心与理论上的本单位中心位置将有所不同天线相位中心的偏差对相对定位结果 的影响根据天线性能的优劣可达数毫米至数厘米所以对于精密相对定位这种影响是不容忽视的在实际工作中如果使用同一类型的天线在相距不远的两个或多个观测站上同步观测同一组卫星那么便可通过观测值求差以削弱相位中心偏移的影响需要提及的是安置各观测站的天线时均按天线附有的方位标进行定向使之根据罗盘指向磁北极 A B C D E 5 8 10 10 10 5 5 10 10 20 表 31 各级ＧＰＳ网水平分量的中误差 第二节 GPS 网的布设 一 步网 1所选点位要便于低等级常规测量的使用每一个 GPS点应与两个或两个以上的控制点通视困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视否则需埋设方位桩且用 GPS 联测 2GPS 点间距离应按规范要求设计可考虑灵活变动以便于低等级控制点加密小间中距相邻点位应进行直接联测 3GPS 网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环在完成各边的平差后可检验闭合差是否满足相应等级要求一等以上 GPS 网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关二三四等也应有两个以上的闭合环五等网也至少有一个闭合环 4 考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测有利于两系统成果的变换联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围为精确求定 转换参数GPS 网要尽可能多地联测高等级的大地控制点联测点和重合点的个数不得少于 3个特殊情况下也不得少于 2 个 第三节 GPS 的坐标系统和时间系统 一 WGS84 大地坐标系 WGS84 大地坐标系的几何定义是原点位于地球质心 Z 轴指向 BIH 19840 定义的协议地球极 CTP 方向 X 轴指向的零子午面和 CTP 赤道的交点 Y 轴与 ZX 轴构成右手坐标系对应于 WGS84 大地坐标系有一 WGS84 椭球 WGS84椭球及有关常数采用国际大地测量 IAG和地球物理联合会 IUGG第 17届大会大地测量常数的推荐值四个基本参数为 长 半轴 a 6378137177。 2m 大地水准面高等于由定位测定的点的大地高减去该点的正高 WGS84于 1985年开始使用 1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图航测图和大地成果由于 GPS导航定位全面采用了 WGS84用户可以获得更高精度的地心坐标也可以通过转换获得较高精度的参心大地坐标系坐标如图 31 图 31 WGS84 坐标系 二 1954 年北京坐标系 20 世纪 50 年代我国采用了克拉索夫斯基椭球参数并与前苏联 1942 年坐标系进行联测通过计算建立了我国大地坐标系定名为 1954 年北京坐标系其中高程异常是以前苏联 1955 年大地水准面差距重新平差结果为依据按我国的天文水准路线传算过来的因此 1954年北京坐标系可以认为是前苏联 1942年坐标系的延伸它的原点不在北京而在前苏联的普尔科沃相应的椭球为克拉索夫斯基椭球 三 1980 年国家大地坐标系 1980 年国家大地坐标系的建立原则是 1 全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面上进行为此首先建立一个新的大地坐标系 2 1980 年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部－ 第四章 工作流程 第一节 GPS 控制网的内业设计 一 GPS 控制网设计 GPS控制网 的技术设计是进行 GPS测量的基础它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计其内容包括测区范围测量精度提交成果方式完成时间等设计的技术依据是国家测绘局颁发的《全球定位系统 GPS 测量规范》及建设部颁发的《全球定位系统城市测量技术规程》 一 GPS 网技术设计的一般原则 1 充分考虑 GPS 控制网的应用范围 对于工程建设的 GPS 网应当既考虑勘测设计阶段的需要又要考虑到施工放样等阶段的需要对于城市 GPS 控制网既要考虑近期建设和规划的需要又要考虑远期发展的需要还可以根据具体情况扩展 GPS控制网的功能例如因 为 GPS测量具有高精度和不要求通视的优点有的城市已经考虑将城市 GPS 网建成为廉有监测三维形变功能的控制网这样监测 GPS 网既可以为城市建设提供发现隐患预防灾害的极有价值的信息也有利于充分发挥 GPS 网在城市建设中的作用 2 采用分级布网的方案 分级布网是建立常规测量控制网的基本方法由于 GPS 测量具有许多优越性所以并不要求 GPS网按常规控制网分很多等级布设但有计划地分级布设 GPS网有利于测区的近期需要和远期的发展例如大城市的 GPS 控制网可以分为三级首级网中相邻点的平均距离大于 5km次级网中相邻点平均距离为 1km5km三级网相邻点平均距离可小于 1km且可采用 GPS与全站仪相结合的方法布设对于小城市分两级布设 GPS 网即可 为提高 GPS网的可靠性各级 GPS网必须布设成为由独立的 GPS基线向量边简称为 GPS 边构成的闭合图形网闭合图形可以是三边形四边形或多边形也可以包含一些附和路线但网中不允许存在支线 二 GPS 测量的精度标准 GPS 测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示其形式为 σ a bd 41 式中 σ距离中误差 mm a 固定误差 mm b 比例误差系数 106 d 相邻点的距离 km 国家测绘局 1992 年制订的我国第一部《 GPS 测量规范》将 GPS 的测量精度分为 AE5 级见表 41 其中 AB 两级一般是国家 GPS 控制网而 CDE3 级则是针对局部性 GPS 网规定的。