GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

1、題 目: gps控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 1 gps的基礎(chǔ)知識(shí)gps是全球定位系統(tǒng)（global positioning system）的英文縮寫，它是隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而建立的第一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。本章主要介紹gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展的概況、特點(diǎn)、以及gps定位技術(shù)的應(yīng)用前景。1.1 全球定位技術(shù)的概況全球定位系統(tǒng)（global positioning system - gps）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國(guó)測(cè)繪等部門的使用表明，gps以全天候、高精度

2、、 自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。2 全球定位系統(tǒng)(global positioning system，縮寫gps)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。 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2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，

3、運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（dop）。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控間、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有g(shù)ps用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)gps衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆gps衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。

4、上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆gps衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。 全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。 1.2 gps的特點(diǎn)相對(duì)于經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)來說，gps定位技術(shù)主要有一下特點(diǎn)：1觀測(cè)站之間無需通視這一優(yōu)點(diǎn)既可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得更加靈活。2定位精度高試驗(yàn)表明，目前在小

5、于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)110210，而在100500km的基線上可達(dá)1010。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10。3觀測(cè)時(shí)間短隨著gps系統(tǒng)的不段完善，目前20以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位中，在流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)的時(shí)間只需12分鐘；動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，出發(fā)時(shí)流動(dòng)站觀測(cè)12分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)進(jìn)需幾秒。24提供三維坐標(biāo)5操作簡(jiǎn)便6全天候作業(yè)因此，gps定位技術(shù)的發(fā)展是對(duì)經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測(cè)

6、量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。 1.3 gps系統(tǒng)的應(yīng)用前景最初設(shè)計(jì)gps的主要目的是用于導(dǎo)航、收集情報(bào)等軍事目的。但后來得應(yīng)用開發(fā)表明，gps不僅可以達(dá)到上述目的，而且用gps衛(wèi)星信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量何毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。用gps信號(hào)可以進(jìn)行海、陸、空、地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)，大地測(cè)量和工程測(cè)量的精密定位，時(shí)間傳遞和速度測(cè)量等。在測(cè)繪領(lǐng)域，gps定位定位技術(shù)已用于建立高精度的大地測(cè)量控制網(wǎng)，測(cè)定地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；建立陸地及海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)，進(jìn)行高精度海陸聯(lián)測(cè)及海洋測(cè)繪；監(jiān)測(cè)地球

7、板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變；在工程測(cè)量方面，已成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段；在精密工程的變形監(jiān)測(cè)方面，它也發(fā)揮著及其重要的作用；同時(shí)gps定位技術(shù)也用于測(cè)定航空航天攝影瞬間相機(jī)的位置，可在無地面控制或僅有少量地面控制點(diǎn)的情況下進(jìn)行航測(cè)快速成圖，引起了地理信息系統(tǒng)及全球遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)革命。在日常生活方面事一個(gè)難以用數(shù)字預(yù)測(cè)的廣闊的領(lǐng)域，手表式的gps接收機(jī)，將成為旅游者的忠實(shí)導(dǎo)游。gps將像移動(dòng)電話、傳真機(jī)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)我們生活的影響一樣，人們的日常生活將離不開它。2 相對(duì)定位原理及gps網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述2.1 相對(duì)定位原理由于在gps絕對(duì)定位(或單點(diǎn)定位)中，定位精度將受到衛(wèi)星軌道誤差、鐘差

8、及信號(hào)傳播誤差等因素的影響，雖然其中一些系統(tǒng)性誤差可以通過模型加以削弱，但改正后的殘差仍是不可忽略的。gps相對(duì)定位也叫差分gps定位，是目前gps測(cè)量中定位精度最高的定位方法，它廣泛地應(yīng)用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)的研究及精密導(dǎo)航中。相對(duì)定位的概念:用兩臺(tái)接收機(jī)分別安置在基線的兩個(gè)端點(diǎn)，其位置靜止不動(dòng)，同步觀測(cè)相同的4顆以上gps衛(wèi)星，確定基線兩個(gè)端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置這種定位模式稱為相對(duì)定位相對(duì)定位的原理(見圖2-1)。出于在測(cè)量過程中，通過重復(fù)觀測(cè)取得了充分的多余觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而改善了gps定位的精度。22.2 gps網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)gps控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)施gps測(cè)量的基

9、礎(chǔ)性工作，它是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面,尋求gps控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的最佳方案。根據(jù)gps測(cè)量特點(diǎn)分析可知，gps網(wǎng)需要以一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為定位基準(zhǔn)，而此點(diǎn)的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時(shí)由于gps網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差以及同地面網(wǎng)的尺度匹配問題，所以有必要提供精度較高的外部尺度基準(zhǔn)。 由于gps網(wǎng)的精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)無關(guān)，且與觀測(cè)權(quán)相關(guān)甚小，而影響精度的主要因素是網(wǎng)中各點(diǎn)發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。因此，提出了gps網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念，討論增加的基線數(shù)目、時(shí)段數(shù)、點(diǎn)數(shù)對(duì)gps網(wǎng)的精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)效益的影響。同時(shí)，經(jīng)典控制網(wǎng)中的三類優(yōu)化設(shè)計(jì)，即網(wǎng)的加密和改進(jìn)

10、問題，對(duì)于gps網(wǎng)來說，也就意味著網(wǎng)中增加一些點(diǎn)和觀測(cè)基線，故仍可將其歸結(jié)為對(duì)圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜上所述，gps網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要?dú)w結(jié)為兩類內(nèi)容的設(shè)計(jì)： (1)gps網(wǎng)基準(zhǔn)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2)gps網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括：網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)能力的可靠性設(shè)計(jì)，網(wǎng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)差能力的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。2.2.1 gps控制網(wǎng)基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 經(jīng)典控制網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)是選擇一個(gè)外部配置，使得達(dá)到一定的要求，而gps網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是對(duì)坐標(biāo)未知參數(shù)x進(jìn)行什么是坐標(biāo)未知參數(shù)x的設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)選取的不同將會(huì)對(duì)網(wǎng)的精度產(chǎn)生直接影響，其中包括gps網(wǎng)基線向量解中的位置基準(zhǔn)的選擇，以及gps網(wǎng)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系所需

11、的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。另外，由于gps尺度往往存在系統(tǒng)誤差，因此應(yīng)提出對(duì)gps網(wǎng)尺度基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1)位置基準(zhǔn)設(shè)計(jì) 研究表明，gps基線向量解算中作為位置基準(zhǔn)的固定點(diǎn)誤差是引起基線誤差的一個(gè)重要因素，使用測(cè)量時(shí)獲得的單點(diǎn)定位值作為起算坐標(biāo)，由于其誤差可達(dá)數(shù)十米以上，所以選用不同點(diǎn)的單點(diǎn)定位坐標(biāo)值作為固定點(diǎn)時(shí)，引起的基線向量差可達(dá)數(shù)厘米。因此，必須對(duì)網(wǎng)的位置基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2)尺度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)盡管gps觀測(cè)量本身已含有尺度信息，但由于gps網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差，所以，還需要提供外部尺度基準(zhǔn)。gps網(wǎng)的尺度系統(tǒng)誤差有兩個(gè)特點(diǎn)：一是隨時(shí)間變化，由于美國(guó)政府的sa政策，使廣播星歷誤差大大增加，從而對(duì)基線帶來

12、較大的尺度誤差；另一個(gè)隨區(qū)域變化，由區(qū)域重力場(chǎng)模型不準(zhǔn)確引起的重力攝動(dòng)造成。因此，如何有效地降低或消除這種尺度誤差，提供可靠的尺度基準(zhǔn)就是尺度基準(zhǔn)優(yōu)化問題。其優(yōu)化有以下幾種方案：(1)提供外部尺度基準(zhǔn)。對(duì)于邊長(zhǎng)小于50km的gps網(wǎng)，可用較高精度的測(cè)距儀(或更高)測(cè)量23條基線邊，作為整網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。對(duì)于大型長(zhǎng)基線網(wǎng)，可采用slr站的相對(duì)定位觀測(cè)值和vlbi基線作為gps網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。(2)提供內(nèi)部尺度基準(zhǔn)。在無法提供外部尺度基準(zhǔn)的情況下，仍可采用gps觀測(cè)值作為gps網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)，只是對(duì)作為尺度基準(zhǔn)觀測(cè)量提出一些不同要求，其尺度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)如下。在gps網(wǎng)中選一條長(zhǎng)基線對(duì)該基線盡可能多地長(zhǎng)時(shí)間、

13、多次觀測(cè)，最后取多次觀測(cè)段所得的基線的平均值，以其邊長(zhǎng)作為網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。由于它是不同時(shí)期的平均值，尺度誤差可以抵消。因此，它的精度要比網(wǎng)中其他短基線高得多，可以作為尺度基準(zhǔn)。以上討論了gps基線向量解其中位置基準(zhǔn)以及gps尺度基準(zhǔn)的選擇與優(yōu)化問題。此外，gps成果轉(zhuǎn)換到地面實(shí)用坐標(biāo)系中，還存在一個(gè)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)的選擇問題，此處不再討論。2.2.2 gps網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)精度是用來衡量網(wǎng)的坐標(biāo)參數(shù)估值受觀測(cè)偶然誤差影響程度的指標(biāo)。網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)是根據(jù)偶然誤差的傳播規(guī)律，按照一定的精度設(shè)計(jì)方法，分析網(wǎng)中各未知點(diǎn)平差后預(yù)期能達(dá)到的精度，這常被稱為網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析。一般常用坐標(biāo)的方差協(xié)方差陣來分析，也可用誤

14、差橢圓(球)來描述坐標(biāo)點(diǎn)的精度狀況，或用點(diǎn)之間方位、距離和角度的標(biāo)準(zhǔn)差來定義。對(duì)于gps網(wǎng)的精度要求，一般用網(wǎng)中點(diǎn)之間的距離誤差來表示。其精度與網(wǎng)的點(diǎn)位坐標(biāo)無關(guān)，與觀測(cè)時(shí)間無明顯的相關(guān)性(整周模糊度一旦被確定后)，gps網(wǎng)平差的法方程只與點(diǎn)間的基線數(shù)目有關(guān)，且基線向量的三個(gè)坐標(biāo)差分量之間又是相關(guān)的，因此，很難從數(shù)學(xué)的角度和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，建立使未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣逼近理想的準(zhǔn)則矩陣。所以，目前較為可行的方法是給出坐標(biāo)的協(xié)出數(shù)陣的某種純量精度標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。設(shè)gps網(wǎng)有誤差方程式中l(wèi)、v分別為觀測(cè)向量和改正向量;x為坐標(biāo)未知參數(shù)向量陣；p為觀測(cè)值權(quán)陣;為先驗(yàn)方差因子(在設(shè)計(jì)階段取1)，m為觀測(cè)基線數(shù);n為待

15、定點(diǎn)數(shù)。由最小二乘可得參數(shù)估值及其協(xié)因數(shù)陣：優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的純量精度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)其由構(gòu)成的函數(shù)形式的不同的可表示成不同的最優(yōu)純量精度標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。現(xiàn)在最常用的是求的軌跡，以次來表示純量精度。3 大同礦區(qū)gps控制網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)例3.1 任務(wù)來源及工作量大同礦區(qū)為全國(guó)最大的煤炭企業(yè)大同礦物局所屬,并且預(yù)測(cè)煤炭?jī)?chǔ)量豐富,工業(yè)前景可觀。但是該礦區(qū)原有測(cè)量控制網(wǎng)為90年代建立,歷經(jīng)十幾年的采礦影響,認(rèn)為破壞及地貌變化,使原有控制點(diǎn)大部分失去控制作用,使得服務(wù)于日常生產(chǎn)的多項(xiàng)測(cè)量工作難以正常進(jìn)行,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)的需要。因此,該礦區(qū)急需建立新的測(cè)量控制網(wǎng)。該網(wǎng)不但要滿足日常采礦生產(chǎn)需要,而且還要顧及遠(yuǎn)

16、景規(guī)劃及預(yù)測(cè)區(qū),控制面積約600 km2，測(cè)量范圍（如圖3-1）為：圖3-1 已知點(diǎn)分布圖東至：550km(大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系)南至：4415km西至：534km北至：4439km3.2 測(cè)區(qū)概況大同礦區(qū)位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州兩市，地處東經(jīng)112度53分113度12分，北緯39度55分40度零8分,距市區(qū)12。5公里，轄區(qū)與大同市南郊區(qū)交叉，總面積約90平方公里，號(hào)稱百里礦區(qū)。區(qū)內(nèi)為平緩的丘陵地貌，西南高，東北低。尖口山最高，標(biāo)高1835.9米，口泉溝最低，標(biāo)高1093.6米。境內(nèi)主要山脈有七峰山、雞爪山、大鐘山、馬武山等；主要河流有口泉河、十里河，均為季節(jié)性河流。該區(qū)廠礦企業(yè)主

17、要分布在口泉黑流水(口泉溝)，馬軍營(yíng)燕子山(云崗溝)兩條狹長(zhǎng)的山溝里。 通往礦區(qū)的鐵路有大同王村、大同燕子山兩條礦區(qū)專用線，各煤礦集運(yùn)站都分散在兩條專用線周圍。以橫穿礦區(qū)東西向的109國(guó)道、沿礦區(qū)東側(cè)穿行的南北向大運(yùn)公路為骨干線，配以礦區(qū)內(nèi)專用公路，交通十分方便。礦區(qū)供水水源以第四系潛水為主，現(xiàn)有大同市的白馬城水源地以及時(shí)莊水源地，供水量嚴(yán)重不足，需另找新的水源。礦區(qū)電源主要來自大同市第一熱電廠和神頭電廠。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦55處，其中國(guó)有重點(diǎn)煤礦18處，設(shè)計(jì)能力3645萬噸/年。截至1996年末，大同礦區(qū)保有探明儲(chǔ)量386。43億噸，其中生產(chǎn)礦井保有儲(chǔ)量77。41億噸。礦區(qū)原有國(guó)家二等三角網(wǎng)8

18、個(gè),經(jīng)野外踏勘,發(fā)現(xiàn)有3個(gè)已明顯被破壞或受采動(dòng)影響;現(xiàn)只有代家溝、孫家溝、羊坊、懷仁、土臺(tái)山5個(gè)點(diǎn)的標(biāo)石保存完好（如圖3-1）。設(shè)計(jì)采用的是比例尺為1：10000的大同礦區(qū)航攝地形圖。1989年航攝，1992年成圖，1994年縮編成圖。地形圖采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高距為5米。3.3 布網(wǎng)方案3.3.1 技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)1）技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)2001年國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的(ch2001-92)。2）基準(zhǔn)設(shè)計(jì)gps測(cè)量獲得的是gps基線向量,它屬于wgs84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差,而實(shí)際需要的是國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。因此需要結(jié)合測(cè)區(qū)概況和已有資料(圖3-1),進(jìn)行g(shù)ps網(wǎng)的基

19、準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)大同礦區(qū)近期發(fā)展與遠(yuǎn)景規(guī)劃相結(jié)合的戰(zhàn)略目標(biāo)，按照現(xiàn)階段礦區(qū)建設(shè)的需要，采用大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系,中央子午線經(jīng)度為11230,投影面與54北京坐標(biāo)系相同而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。3.3.2 方案設(shè)計(jì)的技術(shù)分析1）等級(jí)確定根據(jù)中華人民共和國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程、煤礦測(cè)量規(guī)程和大同礦區(qū)的具體情況，確定該測(cè)區(qū)可建立d級(jí)gps網(wǎng)10，有關(guān)技術(shù)要求見表3-1：表3-1 基本技術(shù)要求項(xiàng)目技術(shù)要求平均邊長(zhǎng)(km)510a(mm)10b(mm)10最弱邊相對(duì)中誤差1/450002）技術(shù)設(shè)計(jì)i時(shí)段設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范對(duì)d級(jí)網(wǎng)的要求，采用快速靜態(tài)相對(duì)定位，時(shí)段長(zhǎng)度根據(jù)邊長(zhǎng)而定，具體時(shí)間見表3-6。gp

20、s網(wǎng)的時(shí)段設(shè)計(jì)有點(diǎn)連式、邊連式和網(wǎng)連式三種基本方法。點(diǎn)連式所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度太弱；網(wǎng)連式布網(wǎng)冗贅，工作量太大；邊連式布網(wǎng)有太多的非同步閉合條件，工作量適中。根據(jù)d級(jí)gps網(wǎng)的要求我們采用邊點(diǎn)結(jié)合的混合式布網(wǎng)方法。ii觀測(cè)方法gps網(wǎng)的觀測(cè)采用載波相位快速靜態(tài)相對(duì)定位模式,作業(yè)儀器采用4臺(tái)timble5700雙頻gps接受機(jī),它的標(biāo)稱精度可達(dá)5 mm1ppm,滿足精度要求。作業(yè)方法是:將gps四套接收機(jī)設(shè)備分別安置在網(wǎng)中四邊形的各個(gè)端點(diǎn)上,對(duì)基線邊同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星。這種模型的特點(diǎn)是:觀測(cè)過的基線邊構(gòu)成一個(gè)閉合圖形,便于觀測(cè)成果的檢驗(yàn),從而提高觀測(cè)成果的可靠性和gps網(wǎng)平差后的精度。93.3.3

21、 gps網(wǎng)的設(shè)計(jì)及施測(cè)方法1） gps網(wǎng)的設(shè)計(jì)i設(shè)計(jì)原則 gps網(wǎng)一般應(yīng)采用獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。gps網(wǎng)作為測(cè)量控制網(wǎng)，其相鄰點(diǎn)間基線向量的精度，應(yīng)分布均勻。gps網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)盡量與原有地面控制點(diǎn)相結(jié)合。重合點(diǎn)一般不少于3個(gè)（不足時(shí)應(yīng)聯(lián)測(cè)），且在網(wǎng)中分布均勻，以可靠地確定gps網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。gps網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點(diǎn)重合，而非重合點(diǎn)，一般應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測(cè)量（或相當(dāng)精度的測(cè)量方法）進(jìn)行聯(lián)測(cè)，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)。為了便于gps的測(cè)量觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，減少多路徑影響，gps網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和交通便利的地方。為了便于

22、用經(jīng)典方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展，可在gps網(wǎng)點(diǎn)附近布設(shè)一通視良好的方位點(diǎn)以建立聯(lián)測(cè)方向，方向點(diǎn)與觀測(cè)站距離一般應(yīng)大于300米。gps網(wǎng)必須由非同步獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)或附和線路。各級(jí)gps網(wǎng)中每個(gè)閉合環(huán)或附和線路中的邊數(shù)應(yīng)符合表3-2的規(guī)定。表3-2 最簡(jiǎn)獨(dú)立閉合環(huán)或附和線路邊數(shù)的規(guī)定7級(jí)別abcde閉合環(huán)或附和線路的邊數(shù)566810ii 方案設(shè)計(jì)（圖中1-20為同步環(huán)）圖3-2 方案設(shè)計(jì)一圖3-3 方案設(shè)計(jì)二3.3.4 方案比較a 基本特征值比較根據(jù)r. a sany 提出的公式計(jì)算gps網(wǎng)的主要特征值:c= nm/n式中c為觀測(cè)時(shí)段數(shù),n為網(wǎng)的總點(diǎn)數(shù), m為每點(diǎn)設(shè)站數(shù),n為接受機(jī)數(shù)。在網(wǎng)中:總

23、基線數(shù): j總=c*n*(n-1)/2必要基線數(shù):j必= n-1獨(dú)立基線數(shù):j獨(dú)=c*(n-1)多余基線數(shù):j多=c*(n-1)-(n-1)2總體可靠性指標(biāo)=j多/j獨(dú)計(jì)算的兩個(gè)方案的主要特征值見表3-3:表3-3 兩個(gè)方案的主要特征值方案一方案二總點(diǎn)數(shù)3838總基線數(shù)120114獨(dú)立基線數(shù)6057必要觀測(cè)基線數(shù)3737多余觀測(cè)基線數(shù)2320復(fù)測(cè)基線數(shù)73觀測(cè)時(shí)段數(shù)2019平均每點(diǎn)設(shè)站率2.112總體可靠性指數(shù)0.38330.3509最短邊(km)1.82.01最長(zhǎng)邊(km)12.313.7平均邊長(zhǎng)(km)4.774.72最簡(jiǎn)獨(dú)立閉合環(huán)邊數(shù)45b 設(shè)計(jì)方案比較兩個(gè)設(shè)計(jì)方案都以大同礦區(qū)為重點(diǎn),布

24、設(shè)gps控制網(wǎng)，在重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)密度稍大。方案一采用點(diǎn)連接和邊連接的混合連接形式,構(gòu)成異步環(huán)和復(fù)測(cè)邊，異步環(huán)具有良好的自檢能力,能有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果的粗差,確保網(wǎng)的可靠性,復(fù)測(cè)邊連接時(shí)幾何強(qiáng)度較高。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上,也采用邊點(diǎn)混合連接方式,但較方案一的連接方式不同,方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是在滿足精度的基礎(chǔ)上,盡量減少人力、物力、財(cái)力。c 成本比較成本取決于網(wǎng)點(diǎn)總數(shù)和重復(fù)設(shè)站率，設(shè)一臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)一期的平均費(fèi)用為c，則總費(fèi)用為:f=c*s*m由于方案設(shè)站數(shù)多,數(shù)據(jù)處理平差費(fèi)多,方案一比方案二多花費(fèi)大約1萬元。d 精度比較對(duì)于兩種方案的精度,因?yàn)辄c(diǎn)位相差不大,邊長(zhǎng)也相差不大,所以兩種方案的精度

25、也相差不大。利用相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度計(jì)算公式:2式中, -gps基線向量的弦長(zhǎng)中誤差(mm),亦即等效距離誤差;a-gps接受機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差(mm);b-gps接受機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)(ppm);d-gps網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的距離(km)。待添加的隱藏文字內(nèi)容1可計(jì)算出,方案一最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/5.210,平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/6.910;方案二最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/5.210,平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/6.8610,兩者幾乎無差別,且都符合四等城市測(cè)量規(guī)范的要求。e 效率比較一個(gè)gps網(wǎng)中,在測(cè)量點(diǎn)數(shù)、gps接收機(jī)數(shù)和平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)確定后，完成該測(cè)量所需的理論最少觀測(cè)期數(shù)就

26、可以確定。但是，當(dāng)按照某個(gè)具體的布網(wǎng)方式和觀測(cè)作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)時(shí)，要按要求完成整網(wǎng)的測(cè)量，所需的觀測(cè)期數(shù)與理論上的最少觀測(cè)期數(shù)會(huì)有所差異，理論最少觀測(cè)期數(shù)與設(shè)計(jì)的觀測(cè)期數(shù)的比值，稱之為效率指標(biāo)(e)。2設(shè)gps網(wǎng)中點(diǎn)的個(gè)數(shù)為n,用m臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，則該網(wǎng)的最少觀測(cè)期數(shù)為11如重復(fù)設(shè)站率以r表示，則理論觀測(cè)期數(shù)為 r2網(wǎng)的效率指標(biāo)定義如下:式中，是理論設(shè)計(jì)效率,是實(shí)際效率，e是總效率。根據(jù)以上公式,可計(jì)算出方案一的可靠性為:=0.6, =1,e=0.6方案二的可靠性為:=0.63, =1,e=0.63顯然,方案二的可靠性比方案一略好。從以上分析可以看出,方案二比方案一花費(fèi)少,技術(shù)指標(biāo)相差不大,

27、精度都能滿足要求,所消耗的人力、物力、財(cái)力、時(shí)間都比方案一少,所以,方案二比方案一要優(yōu),故本設(shè)計(jì)選擇方案二。3.3.5 所選方案的精度分析根據(jù)所選方案的獨(dú)立基線邊構(gòu)成的gps網(wǎng)成圖(圖3-4),統(tǒng)計(jì)出該網(wǎng)中有38個(gè)控制點(diǎn),其中5個(gè)為已知;57條基線。圖3-4 選定方案的獨(dú)立基線邊構(gòu)成的gps網(wǎng)gps控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以在wgs84坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行控制點(diǎn)三維精度估算，然后應(yīng)用精度轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換到二維，也可以直接估算控制點(diǎn)的二維精度。在這里我們用直接估算控制點(diǎn)二維精度的方法。設(shè)有二維基線向量觀測(cè)值33個(gè),，其相應(yīng)的誤差方程式系數(shù)陣為 (1)式中與是單位矩陣，對(duì)應(yīng)于第i點(diǎn)未知數(shù)和第j點(diǎn)未知數(shù)，其余未知數(shù)前

28、的系數(shù)為零。二維基線向量觀測(cè)值的權(quán)陣,可以根據(jù)gps接收機(jī)的標(biāo)稱精度求得，具體方法為根據(jù)標(biāo)稱精度計(jì)算gps的邊長(zhǎng)方差，其計(jì)算公式為 (2)1式中a ,b分別是gps接收機(jī)邊長(zhǎng)測(cè)量固定誤差和比例誤差因子，s是基線長(zhǎng)度。 因?yàn)? (3)因?yàn)樵趃ps測(cè)量中,方向誤差主要是由點(diǎn)位誤差引起的,所以在這里我們把方位誤差忽略不計(jì),則有微分關(guān)系式 (4)根據(jù)協(xié)方差傳播律，可求得基線向量觀測(cè)值的協(xié)方差陣: (5)式中,是基線近似坐標(biāo)方位角，(3)到(6)式省略了下標(biāo)“ij”。設(shè)單位權(quán)方差為4km，則,本設(shè)計(jì)所用的gps的標(biāo)稱精度為5 mm1ppm ,則為41。因此基線的權(quán)為 (7)有了誤差方程式和,就可以組成法

29、方程子陣未知數(shù)的方差陣為根據(jù)可以計(jì)算各待定點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差和點(diǎn)位中誤差,見表3-4:表3-4 gps網(wǎng)精度估算成果表點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)中誤差（mm）點(diǎn)位中誤差(mm)點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)中誤差（mm）點(diǎn)位中誤差（mm）1x1.46133.564620x1.22211.6705y3.2513y1.13892x2.06033.235421x0.28340.3369y2.4946y0.18223x2.46234.783822x1.21643.2247y4.1015y2.98654x0023x3.49014.2601y0y2.44295x2.11673.258524x0.91080.9367y2.4774y0.21876x3

30、.03124.627225x0.91482.8102y3.4961y2.65717x1.13253.549926x1.10231.8859y3.3644y1.53028x0.34441.119127x3.96525.0316y1.0648y3.09749x1.21593.485028x0.45030.5767y3.2660y0.360410x2.35292.905629x00y1.7048y011x2.96493.909330x00y2.5479y012x4.14895.258231x0.85211.2017y3.2305y0.847413x3.59214.604932x1.16911.565

31、4y2.8813y1.041014x0033x0.83281.4916y0y1.237515x2.21412.581834x1.94074.8807y1.3280y4.478316x1.39992.674835x4.44154.8640y2.2793y1.982817x1.72934.167236x0.03910.1169y3.7914y0.110218x0.99121.527937x1.87512.6352y1.1628y1.851519x0.86101.959838x00y1.7606y0該表中帶邊框的點(diǎn)號(hào)為已知點(diǎn)，從表中我們可以看出，該網(wǎng)的最大點(diǎn)位誤差發(fā)生在12號(hào)點(diǎn)上，中誤差為5.26m

32、m;最小點(diǎn)位誤差發(fā)生在36號(hào)點(diǎn)上，中誤差為0.12mm。這里的點(diǎn)位誤差偏小，分析其原因是，這里我們沒有考慮已知點(diǎn)的點(diǎn)位誤差。3.4 選點(diǎn)與埋標(biāo)3.4.1 選點(diǎn)由于gps測(cè)量觀測(cè)站之間不一定要求相互通視,而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,所以選點(diǎn)工作比常規(guī)控制測(cè)量的選點(diǎn)要簡(jiǎn)便。但由于點(diǎn)位的選擇對(duì)于保證觀測(cè)工作的順利進(jìn)行和保證測(cè)量結(jié)果的可靠性有著重要的意義,所以在選點(diǎn)工作開始前,除收集和了解有關(guān)測(cè)區(qū)的地理情況,決定其適宜的點(diǎn)位外,選點(diǎn)工作還應(yīng)遵守以下原則:1 點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接受設(shè)備、視野開闊的較高點(diǎn)上;2 點(diǎn)位目標(biāo)要顯著,視場(chǎng)周圍15以上不應(yīng)有障礙物,以減小gps信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收;3 點(diǎn)位應(yīng)

33、遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電臺(tái)、微波站等),其距離不小于200m;遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道,其距離不得小于50m。以避免電磁場(chǎng)對(duì)gps信號(hào)的干擾;4 點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接受的物體,以減弱多路徑效應(yīng)的影響;5 點(diǎn)位應(yīng)選在交通方便,有利于其他觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方;6 地面基礎(chǔ)穩(wěn)定,易于點(diǎn)的保存;7 選點(diǎn)人員應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行踏勘;在實(shí)地按要求選定點(diǎn)位。當(dāng)利用舊點(diǎn)時(shí),應(yīng)對(duì)舊點(diǎn)的穩(wěn)定性、完好性,以及覘標(biāo)是否安全、可用性進(jìn)行檢查,符合要求方可利用。3.4.2 標(biāo)志埋設(shè)gps網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點(diǎn)位。點(diǎn)的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定、堅(jiān)固以利長(zhǎng)久保存

34、和利用（如圖3-5）。在基巖露頭地區(qū)，也可直接在基巖嵌入金屬標(biāo)志。每個(gè)點(diǎn)位標(biāo)石埋設(shè)結(jié)束后，應(yīng)按表3-5填寫點(diǎn)的記錄, 并提交以下資料： (1)點(diǎn)的記錄。 (2)gps網(wǎng)的選點(diǎn)網(wǎng)圖。 (3)土地占用批準(zhǔn)文件與測(cè)量標(biāo)志委托保管書。(4)選點(diǎn)與埋石工作技術(shù)總結(jié)。點(diǎn)名應(yīng)向當(dāng)?shù)卣块T或群眾進(jìn)行調(diào)查后確定，一般取村名、山崗名、地名、單位名。利用原有舊點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)名不宜更改，點(diǎn)號(hào)編排(碼)應(yīng)便于計(jì)算機(jī)計(jì)算。表3-5 gps點(diǎn) 點(diǎn) 之 記日期： 年 月 日 記錄者： 繪圖者： 校對(duì)者：點(diǎn)名及種類gps點(diǎn)點(diǎn)土質(zhì)號(hào)相鄰點(diǎn)（名號(hào)里程通視否）標(biāo)石說明（單雙層類型）舊點(diǎn)舊點(diǎn)名所在地交通路線所在圖幅號(hào)概略位置x yl b（

35、略圖）備注3.5外業(yè)觀測(cè)3.5.1 外業(yè)作業(yè)原則進(jìn)行g(shù)ps控制測(cè)量作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮經(jīng)濟(jì)問題，目的在于縮短野外作業(yè)時(shí)間，節(jié)約資金，使測(cè)量費(fèi)用指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。另一方面，要有較多的多余觀測(cè)，以提高觀測(cè)成果的精度和可靠性。同時(shí)還必須考慮各待測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度的均勻性和各觀測(cè)時(shí)段的獨(dú)立性?；谶@些因素，我們的作業(yè)設(shè)計(jì)原則是：a gps網(wǎng)中各待測(cè)點(diǎn)的設(shè)站次數(shù)應(yīng)相同；b優(yōu)先測(cè)量點(diǎn)間距離較近的點(diǎn)，同時(shí)沿最短距離欠站；c 應(yīng)該聯(lián)測(cè)相距較遠(yuǎn)的高等級(jí)已知點(diǎn)；d gps網(wǎng)中各待測(cè)點(diǎn)每次重復(fù)設(shè)站都使用不同的接受機(jī)。3.5.2 觀測(cè)時(shí)段的選擇gps衛(wèi)星的觀測(cè)是待gps衛(wèi)星離開地平線一定的角度才開始的，高度角愈小，愈有利

36、于減小三維位置圖形強(qiáng)度因子- pdop值。但衛(wèi)星高度角愈小，對(duì)流層影響愈顯著，測(cè)量誤差隨之增大?？傊魀dop值愈大，說明觀測(cè)條件愈差。因此，要根據(jù)實(shí)際情況選定最佳值。gps定位精度與能同步跟蹤的衛(wèi)星數(shù)有至關(guān)重要的作用，若接收機(jī)有觀測(cè)到五顆衛(wèi)星以上的能力，就能把所有可能觀測(cè)到的衛(wèi)星都鎖定進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。雖然gps衛(wèi)星星座共計(jì)24顆(其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星)，在地球表面上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15以上均可同時(shí)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星。但對(duì)于一些接收條件差，基線向量相對(duì)較長(zhǎng)的基線，如何保證同步跟蹤衛(wèi)星數(shù)，就需要分析星歷預(yù)報(bào)與實(shí)地結(jié)合的原理選定最佳觀測(cè)時(shí)段，以確保工作順利進(jìn)行

37、，減少作業(yè)返工量。 大同礦區(qū)星歷預(yù)報(bào)如下(圖3-6):在選擇最佳時(shí)段時(shí)盡量避開衛(wèi)星頻繁起落時(shí)段，圖表分析得知在9:30至10:00、4:45至5:30之間頻繁的起落，雖能保證衛(wèi)星數(shù)，但很難長(zhǎng)時(shí)間鎖定衛(wèi)星；另外在8:00至9:30衛(wèi)星數(shù)不足4顆。這在觀測(cè)條件差的測(cè)站就很難保證精度，因此應(yīng)盡量避開;根據(jù)星歷預(yù)報(bào)的圖表分析得知在5:00至8:00、10:00至16:30時(shí)間段能保證穩(wěn)定地5顆以上衛(wèi)星數(shù)，對(duì)于一天的作業(yè)而言也便于開展圖3-6大同礦區(qū)星歷預(yù)報(bào)工作。所以選定此時(shí)段為最佳觀測(cè)時(shí)，應(yīng)充分利用。另外,還要與實(shí)地結(jié)合，根據(jù)礦區(qū)地形分析此時(shí)段衛(wèi)星所處的方位，結(jié)合實(shí)際情況制定方案。3.5.3 外業(yè)作業(yè)

38、方案(見表3-6)表3-6 gps控制網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)方案時(shí)段接受機(jī)編號(hào)最長(zhǎng)基線(km)時(shí)段觀測(cè)長(zhǎng)度（min） iiiiiiiv1點(diǎn)號(hào)14366.503024219711.846032110895.13304373619215.72305383536376.09306333134356.293073032333812.326082927323013.67609282631275.723010242528299.164511161317245.873012512161411.25601316256.5030147111226.26301581513116.273016201817154.962017262518234.202018342320223.412019221510196.2530注：觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度結(jié)合規(guī)范和以前的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)確定3.5.4 觀測(cè)工作的主要技術(shù)指標(biāo)(見表3-7)表3-7 四等gps相對(duì)定位測(cè)量的主要技術(shù)規(guī)定衛(wèi)星截止高度角15同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)4有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)4觀測(cè)時(shí)間段1.6觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度/min10數(shù)據(jù)采樣間隔515時(shí)段中任一衛(wèi)星有效觀測(cè)時(shí)間/min3點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子/pdop83.6 數(shù)據(jù)處理gps測(cè)量數(shù)據(jù)處理基本步驟：粗加工、預(yù)處理、基線解算平差處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。這里我們只簡(jiǎn)單介紹粗加工和預(yù)處理。3.6.1 粗加工l 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的下載。在進(jìn)行基