GPS工程控制網(wǎng)的布設與研究

1、目錄前言11 緒論21.1 gps定位技術概述21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 本文主要研究的問題42 gps測量控制網(wǎng)的優(yōu)化設計62.1 gps網(wǎng)精度的評定62.2 gps網(wǎng)的圖形設計72.3 gps網(wǎng)的基準設計93 gps工程網(wǎng)的布設113.1工程控制網(wǎng)的布設原則113.2 控制網(wǎng)點的分布113.2.1 點位分布113.2.2 實例分析123.3 基線長度對點位坐標精度的影響153.4 已知點分布對控制點精度的影響163.4.1 已知點的選擇163.4.2 不同控制點的精度分析173.5 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換214 大同礦區(qū)gps控制網(wǎng)布設實例234.1 任務來源及工作量234.2 測區(qū)概況234

2、.3 布網(wǎng)方案244.3.1 技術設計的依據(jù)與基準設計244.3.2 方案設計的技術分析244.4 gps網(wǎng)的布設254.4.1 gps網(wǎng)的設計原則254.4.2 方案設計264.4.3 方案比較265 結(jié)論與展望305.1 結(jié)論305.2 展望30致 謝32參考文獻33附錄a34附錄b42前言當?shù)谝活wgps試驗衛(wèi)星于1978年2月22日入軌運行后，測繪界的專家、學者很快就認識到gps衛(wèi)星在測量方面的作用;自1980年第一臺商用gps接收機問世以來，隨著gps試驗衛(wèi)星和工作衛(wèi)星的不斷入軌，gps信號日漸廣泛地應用于陸?？疹I域的導航和定位測量。gps技術的發(fā)展為大地測量提供了一種新的高精度的測量

3、手段。由于gps測量不需要兩點間通視、不受天氣影響、能直接獲得三維坐標等優(yōu)點，gps技術已成為大地測量的主要手段。本文共分五章，重在論述gps工程控制網(wǎng)的布設方法。不同精度、不同面積的gps控制網(wǎng)有著不同的布設方法。在gps控制網(wǎng)布設中其方法不同，作業(yè)效率不同，費用也不同。采用正確的布網(wǎng)方法，能夠提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。gps工程網(wǎng)布設，一般點位選擇靈活性較差，活動范圍較小，觀測時間較短。本文中結(jié)合實際工程，對gps工程網(wǎng)的布設，提出了三點建議，一是要注意高精度點的分布;二是注意網(wǎng)的圖形結(jié)構:三是當進行坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換或高程擬合時，注意重合點的分布和精度。結(jié)合大同礦區(qū)gps控制網(wǎng)布設實例進行詳

4、細研究，做到合理優(yōu)化設計。對我國工程網(wǎng)的布設進行研究，提出切實可行的方法，將在提高網(wǎng)的精度、降低布網(wǎng)的投入等方面有重要意義;現(xiàn)在許多工程的施工需要的地方坐標系、我軍試驗基地需要地心坐標系，gps坐標和區(qū)域坐標系關系的研究確定它們之間的轉(zhuǎn)化關系，可為經(jīng)濟建設和試驗基地提供快速精確的區(qū)域坐標。1 緒論1.1 gps定位技術概述 gps全球定位系統(tǒng)(global positioning system)是美國國防部u. s. department of defense (dod)為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。是結(jié)合美國海軍的“timation”計劃和美國空軍的

5、“621-b”計劃而研制，這兩個計劃在六十年代中期就已確定要用測距的方式來發(fā)展一種被動導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)真正始建于1973年，經(jīng)過方案論證、工程研制和生產(chǎn)作業(yè)等三個階段，歷經(jīng)二十余年，耗資三百多億美元于1994年全部建成。 gps作為繼子午衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展起來的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性等優(yōu)點的三維導航和定位能力，以及具有良好的抗干擾性和保密性。它己成為美國導航技術現(xiàn)代化的最重要標志，并被視為20世紀美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一重大科技成就。 在測量領域較早就開始采用gps技術，最初，它主要用于建立各種類型和等級的測量控制網(wǎng)，目前它除了仍大量用于這些方面外，

6、在測量領域的其它方面也得到了充分的應用，如:用于各種類型的施工放樣、測圖、變形觀測、航空攝影測量、海測和地理信系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)的采集等。尤其在各種類型的測量控制網(wǎng)的建立這一方面，gps定位技術已基本上取代了常規(guī)測量手段，成為主要的技術手段。1997年由國家測繪局完成了a級、b級網(wǎng)的布設與平差，全網(wǎng)由756點組成，其中a級網(wǎng)27點，基線水平方向相對精度為2×10-8，垂直分量相對精度7×10-8。布設a級網(wǎng)的目的就是在全國范圍內(nèi)確定精確的地心坐標，建立起我國新一代地心參考框架及其與國家坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，作為高精度衛(wèi)星大地網(wǎng)的骨架，并奠定地殼運動及地球動力學研究的基礎。作為我國高

7、精度坐標框架的補充以及為滿足國家建設的需要，在國家a級網(wǎng)的基礎上，建立了國家b級網(wǎng)。經(jīng)整體平差后，點位地心坐標精度達士0. lm, b級點基線水平分量精度優(yōu)于4×10-7, 垂直分量精度優(yōu)于8×10-7。新布設成的國家a, b級網(wǎng)己成為我國現(xiàn)代大地測量和基礎測繪的基本框架。1998年由總參測繪局完成了一級網(wǎng)與二級網(wǎng)的布設與平差，全網(wǎng)共534點(其中一級網(wǎng)44點)，均勻分布于全國(除臺灣省外)。由異步環(huán)計算的相對誤差，一級網(wǎng)為3×10-8；二級網(wǎng)60%以上為1×10-8，其它為12×10-7 。1997年由中國地震局、總參測繪局、中國科學院、國家

8、測繪局開始建立的全國gps控制網(wǎng)，由25個基準站、56個基本站、1000個區(qū)域網(wǎng)點組成?；鶞收鹃g基線年變化測定精度為2mm，基本站間基線測定精度水平分量為35mm，垂直分量1015mm， 2001年完成。上述三網(wǎng)經(jīng)聯(lián)合平差后取名為gps2000網(wǎng)，其成果是經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)處理，精度很高，作為我國現(xiàn)代大地坐標框架?？梢奼ps在將在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮越來越重要的作用。11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)beidou（compass）navigation satellite system是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段

9、包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段由北斗用戶終端以及與美國gps、俄羅斯glonass、歐洲galileo等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成。中國此前已成功發(fā)射四顆北斗導航試驗衛(wèi)星和三顆北斗導航衛(wèi)星，將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗基礎上，逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。自八十年代末，隨著全球定位系統(tǒng)(gps)的廣泛應用，世界各發(fā)達國家和地區(qū)都相繼建立了區(qū)域性的、高精度gps網(wǎng)。美國自80年代起先后建立了國家大地測量(ngs)的跟蹤網(wǎng)、美國海岸防護隊(uscg)的差分網(wǎng)、聯(lián)邦航空管理(faa)的waas網(wǎng)以及美國工程兵(usace)的跟蹤網(wǎng)等局部網(wǎng)，

10、這些網(wǎng)由美國大地測量局統(tǒng)一負責，稱為“連續(xù)運行參考站”系統(tǒng)，它由137個基準站組成，該系統(tǒng)計劃發(fā)展到250個基準站，平均站距為100200公里，覆蓋全美，構成新一代動態(tài)國家參考系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息包括每個觀測站接收到的衛(wèi)星偽距、相位信息、站坐標、站移動矢量、gps星歷、站四周的氣象數(shù)據(jù)等，用戶可以很方便地通過信息網(wǎng)絡得到。它的主要目的是:使全美領域內(nèi)的用戶更方便地利用該系統(tǒng)實現(xiàn)厘米級的水平定位和導航;促進用戶利用空間參考系統(tǒng)來發(fā)展gis;監(jiān)測地殼形變:支持遙感的應用;求定大氣中的水汽分布;監(jiān)測電離層中自由電子濃度和分布;通過與水準測量結(jié)合，實時確定點位的正常高。英國于1992年建立了由70

11、0個站組成的國家gps網(wǎng)，并建立了近30個gps連續(xù)觀測站;加拿大大地測量局在本土建立了由十幾個永久站組成的gps跟蹤網(wǎng);德國也在全國范圍內(nèi)建立了由100個永久gps跟蹤站組成的衛(wèi)星定位網(wǎng)，平均站距為40公里:日本在全國建成了由近1200個gps站組成的綜合服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)的永久跟蹤站平均距離30公里，構成了一個格網(wǎng)式的gps永久站排列，是日本國家的重要基礎設施。上述國家的gps網(wǎng)應用于許多方面，如地震的監(jiān)測和預報、控制測量、工程控制和監(jiān)測、測圖和地理信息系統(tǒng)的更新、氣象監(jiān)測和預報、研究地球動力等等，為軍事、工農(nóng)業(yè)各方面提供服務。目前，利用高精度、連續(xù)運行的gps網(wǎng)站建立和維持全球統(tǒng)一的地心大

12、地測量坐標系，己成為大地測量發(fā)展的新趨勢。 我們知道大地控制網(wǎng)優(yōu)化一般分為四類: 0類設計，研究大地網(wǎng)基準的優(yōu)化。 1類設計，設計大地網(wǎng)圖形，選擇最佳的點位和合理的觀測類型。 2類設計，研究網(wǎng)中各類觀測的最佳分布、密度和觀測精度。 3類設計，研究對原大地網(wǎng)的進一步加強，即研究在網(wǎng)中加入新的觀測量的類型和最佳配置。 一般作業(yè)中使用較多的是2, 3類設計，但無論那一種設計，其目的是使用最少的人力、物力、財力來使控制網(wǎng)達到最高的精度和可靠性。大地控制網(wǎng)的優(yōu)化設計實際上是利用各種條件(參數(shù))來求極值。gps控制網(wǎng)外業(yè)實施方案的優(yōu)化也是一個求極值的問題，所不同的是制訂外業(yè)實施方案，考慮的環(huán)境因素很多，其

13、極值關系很難求取，主要是經(jīng)驗值。另外，由于其技術要求已有具體規(guī)定，所測點位已選好，一般不存在點位變動問題。若在實際觀測中出現(xiàn)點位破壞或異常情況需要變化點位的位置時，則要考慮該點與其它的構圖情況。gps外業(yè)實施方案制定時，主要考慮兩個方面，一是技術方面;二是測區(qū)環(huán)境方面。技術方面決定了控制網(wǎng)的精度，測區(qū)環(huán)境方面決定了控制網(wǎng)的作業(yè)時間長度、進度和經(jīng)費。1.3 本文主要研究的問題gps測量是一項技術復雜、要求嚴格、耗費較大的工作，實施這項工作總的原則是，在滿足用戶對測量精度和可靠性等要求的情況下，盡可能的減少經(jīng)費、時間和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設計，精心組織和實施。gps網(wǎng)的優(yōu)化設

14、計，是實施gps測量工作的第一步，是一項基礎性的工作，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。所以本文首先從精度指標的合理確定，網(wǎng)的圖形設計和網(wǎng)的基準設計對gps網(wǎng)的優(yōu)化進行探討。由于gps測量技術精度高、效率高、靈活性強，其應用越來越廣泛，在工程測量、形變監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、天文測量等方面得到了廣泛的應用。gps工程網(wǎng)是目前應用最廣泛的控制網(wǎng)，本文重點對gps工程網(wǎng)從控制網(wǎng)點的分布、已知點的選擇及坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等方面進行探討，研究基線長度對點位坐標精度的影響以及已知點分布對控制點精度的影響。結(jié)合大同礦區(qū)gps控制網(wǎng)布設實例進行論述。提出既精度高、效率高、布網(wǎng)投入又少的最

15、優(yōu)方案。2 gps測量控制網(wǎng)的優(yōu)化設計gps網(wǎng)的優(yōu)化設計，是實施gps測量工作的第一步，是一項基礎性的工作，也是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面，實現(xiàn)用戶要求的重要環(huán)節(jié)。這項工作的主要內(nèi)容包括，精度指標的合理確定，網(wǎng)的圖形設計和網(wǎng)的基準設計。2.1 gps網(wǎng)精度的評定對于gps網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途和定位技術所能達到的精度，精度指標通常是以相鄰點間弦長的標準差來表示，即 （2-1）式中 gps基線向量的弦長中誤差，mm；gps接收機標稱精度中的固定誤差，mm；gps 接收機標稱精度中的比例誤差系數(shù)，ppmgps定位網(wǎng)中相鄰點間的距離，km。gps衛(wèi)星定位網(wǎng)雖然不存在常規(guī)控制網(wǎng)的那種逐

16、級控制問題，但是由于不同的gps網(wǎng)的應用和目的不同，其精度標準也不同。根據(jù)傳統(tǒng)的習慣做法，人們將gps衛(wèi)星定位網(wǎng)劃分幾個等級。根據(jù)修訂后的規(guī)范規(guī)定，gps測量按其精度劃分為aa、a、b、c、d、e六級，其中aa級主要用于全球性的地球動力學研究、地殼變形測量和精度定軌，是建立地心參考框架的基礎；a級主要用于區(qū)域性的地球動力學研究、地殼形變測量；b級主要用于局部形變監(jiān)測和各種精密工程測量；c級主要用于國家大中城市及工程測量的基本控制網(wǎng)；d、e級多用于中小城市、城鎮(zhèn)及測圖、地籍、土地、信息、房產(chǎn)、物探、勘測、建筑施工控制網(wǎng)測量。表2-1 gps測量技術指標tab. 2-1 gps survey sp

17、ecifications 級別項目 aaabcde固定誤差a /mm358101010比例誤差系數(shù)b /ppm0.010.1151020相鄰點間平均距離d /km10003007010155100.25用于城市或工程的gps控制網(wǎng)可根據(jù)相鄰點的平均距離和精度參照全球定位系統(tǒng)城市測量規(guī)程中的二、三、四等和一、二級要求，見表2-2表2-2 gps網(wǎng)的主要技術要求tab. 2-2 gps network of the main technical requirements等級平均距離/kma/mmb/ppm最弱邊相對中誤差二 9102 1/12萬 三 5105 1/8萬 四 21010 1/4.5萬

18、一級 11010 1/2萬二級 <11520 1/1萬2.2 gps網(wǎng)的圖形設計gps網(wǎng)的圖形設計主要是根據(jù)網(wǎng)的用途和用戶要求，側(cè)重考慮如何保證和檢核gps數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時還要考慮接收機類型、數(shù)量和經(jīng)費、時間、人力及后勤保障條件等因素，以期在滿足要求的前提條件下，取得最佳的效益。gps網(wǎng)形的基本形式有三角形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)。當gps網(wǎng)測站數(shù)多于所使用的接收機數(shù)時，就不得不采用分區(qū)觀測。同一分區(qū)各點的觀測同步進行，分區(qū)與分區(qū)之間有連接點。同步圖形擴展式的作業(yè)方式具有作業(yè)效率高、圖形強度好的特點，它是目前在gps測量中普遍采用的一種布網(wǎng)形式。采用同步圖形擴展式布設gps基線向量網(wǎng)時的觀測作業(yè)

19、方式有點連式、邊連式、網(wǎng)聯(lián)式和混連式。1）點連式點連式是指相鄰同步圖形之間僅有一個公共點的連接，如圖2-1所示。圖2-1 點連接示意圖fig.2-1 point of connection diagram任一個由n個點組成的網(wǎng)，由m臺接收機觀測，則完成該網(wǎng)至少要s個同步圖形：，網(wǎng)的必要觀測基線數(shù)為，而網(wǎng)中n個同步圖形總共有條獨立基線。點連式的優(yōu)點是作業(yè)效率高，圖形擴展迅速；缺點是圖形強度低，如果連結(jié)點出現(xiàn)問題，將會對后面的網(wǎng)形產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。圖2-1中有13個定位點，沒有多余觀測（無異步檢核條件），最少觀測時段6個（同步環(huán)），最少必要觀測基線為條，6個同步圖形中總共有12條獨立基線。顯然，以這種

20、方式布網(wǎng)，沒有或者僅有少量的異步圖形閉合條件。因此，所構成的網(wǎng)形抗粗差定位能力差，網(wǎng)的幾何強度也較弱。在這種網(wǎng)的布設中，可以在n個同步圖形的基礎上，再加測幾個時段，增加網(wǎng)的異步圖形閉合條件的個數(shù)，從而提高網(wǎng)的幾何強度，使網(wǎng)的可靠性得到改善。2）邊連式邊連式布網(wǎng)方法是指相鄰同步圖形之間通過2個公共點相連，即同步圖形由1條公共基線連接，如圖2-2所示。圖2-2 邊連接示意圖fig.2-2 edge connection diagram任一個由n個點構成的網(wǎng)，若用m臺（m3）接收機采用邊連式布網(wǎng)方法進行觀測，則完成該測量任務的最少同步圖形個數(shù)s為： （ m3 ）相應觀測獲得的總基線數(shù)為其中獨立基線數(shù)

21、為，而網(wǎng)的多余觀測基線數(shù)為。這種布網(wǎng)方案，網(wǎng)的幾何強度較高有較多的復測邊和非同步圖形閉合條件。邊連式具有較高的圖形強度和作業(yè)效率，但若連接邊有問題，則可能會出現(xiàn)網(wǎng)的整體平移。圖2-2中有13個定位點，12個觀測時段，9個重復邊，3個異步環(huán)。最少觀測同步圖形為11個，總基線為33條。獨立基線數(shù)22條。多余基線數(shù)10條。比較邊連式與點連式布網(wǎng)方法，可以看出，采用邊連式布網(wǎng)方法有較多的非同步圖形閉合條件，以及大量的重復基線邊，因此，用邊連式布網(wǎng)方式布設的gps網(wǎng)的幾何強度較高，具有良好的自檢能力，能夠有效發(fā)現(xiàn)測量中的粗差，具有較高的可靠性。3）網(wǎng)連式所謂網(wǎng)連式布網(wǎng)方法，是指相鄰同步圖形之間有兩個以上

22、公共點相連接，相鄰同步圖形之間存在相互重疊的部分，即某一同步圖形的一部分是另一同步圖形中的一部分。網(wǎng)連式幾何強度很高，但作業(yè)效率低。4）邊點混合連接式邊點混合連接式是指把點連式與邊連式有機地結(jié)合起來，組成gps網(wǎng)以保證網(wǎng)的幾何強度，提高網(wǎng)的可靠指標，它實際上是點連式、邊連式和網(wǎng)連式的一個綜合應用。這樣既減少了外業(yè)工作量，又降低了成本，是一種較為理想的布網(wǎng)方法。圖2-3 邊點混合連接示意圖fig.2-3 schematic diagram of edge points mixed connectivity圖2-3是在點連接圖2-1的基礎上加測四個時段，把邊連式與點連式結(jié)合起來，得到的幾何強度改善

23、的布網(wǎng)設計方案。圖2-3所示三臺接收機的觀測方案共有10個同步三角形，2個異步環(huán)，6條復測邊，總基線為30條，獨立基線數(shù)為20條，多余基線數(shù)為8條，必要基線數(shù)為12條。顯然該圖線呈封閉狀，可靠性指標提高，外業(yè)工作量也比邊連式有一定的減少。2.3 gps網(wǎng)的基準設計網(wǎng)的基準包括網(wǎng)的位置基準、方向基準和尺度基準。而確定網(wǎng)的基準，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。在gps網(wǎng)的優(yōu)化設計中，應當根據(jù)網(wǎng)的用途，提出確定網(wǎng)的基準的方法和原則。一般來說，在gps網(wǎng)的整體平差中，可能含有兩類觀測量，即相對觀測量（如基線向量）和絕對觀測量（如點在wgs-84中的坐標值）。在僅含有相對觀測量的gps網(wǎng)中，網(wǎng)的方向基準和尺

24、度基準，由在平差計算中作為相關觀測量的基線向量唯一的確定；而網(wǎng)的位置基準，則決定于所取網(wǎng)點坐標的近似值系統(tǒng)和平差方法。在gps網(wǎng)包含點的坐標觀測量的情況下，網(wǎng)的位置基準，將取決于這些網(wǎng)點的坐標值及其精度。gps網(wǎng)的基準設計，一般主要是指確定網(wǎng)的位置基準問題。確定網(wǎng)的位置基準，通常可根據(jù)情況，選取以下方法：1）選取網(wǎng)中一點的坐標值并加以固定，或給以適當?shù)臋啵?）網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)偽逆平差，確定網(wǎng)的位置基準；3）在網(wǎng)中選若干點的坐標值并加以固定；4）選網(wǎng)中若干點（直至全部點）的坐標值并給以適當?shù)臋?。前兩種方法，對gps網(wǎng)定位的約束條件最少，所以，通常稱為最小約束法；而后兩種方法，對平差計

25、算則存在若干約束條件，其約束條件的多少，取決于在網(wǎng)中所選點的數(shù)量，這種方法，通常稱為約束法。以最小約束法進行gps網(wǎng)的平差，對網(wǎng)的定向與尺度沒有影響，也就是說，不管采用上述哪種最小約束法，平差后網(wǎng)的方向和尺度，以及網(wǎng)中元素（邊長、方位或坐標差）的相對精度都是相同的，但網(wǎng)的位置及點位精度卻不相同。約束平差法，在確定網(wǎng)的位置基準的同時，對gps網(wǎng)的方向和尺度也會產(chǎn)生影響，其影響程度，與約束條件的多少，及所取觀測值的精度有關。當網(wǎng)中已知點的坐標含有較大的誤差，或其權難以可靠地確定時，將會對網(wǎng)的定向與尺度產(chǎn)生不利的影響。雖然從理論上說，在網(wǎng)的平差計算中，給所有的已知位置以適當?shù)臋?，是最為嚴格的方法，?/p>

26、是，如何適當?shù)拇_定已知位置的權，及其與網(wǎng)中其它觀測量權的比例關系，則是一個需要慎重考慮的問題。所以，一般只有對于一個大范圍的gps網(wǎng)，而且要求精確地位于wgs-84協(xié)議地球坐標系時，或者在具有一組分布適宜的，高精度的已知點時，為改善gps網(wǎng)的定向和尺度，約束平差法才具有重要意義。在一般情況下，對于一些區(qū)域性的gps網(wǎng)，如城市、礦山和工程gps網(wǎng)，其是否精確位于地心坐標系統(tǒng)，并不特別重要，因此，這時多采用最小約束平差法。而且為了與經(jīng)典地面網(wǎng)相聯(lián)合，通常以采用固定點的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法為宜。23 gps工程網(wǎng)的布設3.1 工程控制網(wǎng)的布設原則目前，工程控制網(wǎng)主要應用于城市控制測量、軍事工程測量、形變

27、監(jiān)測、礦山、公路、鐵路控制網(wǎng)測量等等，隨著gps技術的發(fā)展，其應用也越來越廣泛。近十年來的實踐證明，gps測量在工程控制網(wǎng)的布設中具有效率高、費用低、工期短、精度高等優(yōu)越性。工程控制網(wǎng)可分為兩種：一種是在各項工程建設的規(guī)劃設計階段，為測繪大比例尺地形圖而建立的控制網(wǎng)，叫做工測控制網(wǎng)；另一種是為工程建筑物的施工放樣或變形觀測等專門用途而建立的控制網(wǎng)，我們稱其為專用控制網(wǎng)。建立這兩種控制網(wǎng)時應遵守下列布設原則：1）要有足夠的密度不論大比例尺測圖還是工程上的專門用途，都要求在測區(qū)范圍內(nèi)，有足夠多的控制點。所以工程控制網(wǎng)的控制點密度要比國家控制網(wǎng)的控制點密度大得多，即工程控制網(wǎng)的邊長較同等級的國家控制

28、網(wǎng)的邊長短的多；2）要有足夠的精度工測控制網(wǎng)的點位精度隨測圖比例尺而定。按0.1mm的制圖精度要求，則測圖比例尺愈大，控制點的精度要求愈高，如測制1:500地形測圖時，控制點點位誤差為0.1mm×500=5cm。為精密放樣或變形觀測服務的專用控制網(wǎng)，其點位精度則要求更高。由此可見，工程控制網(wǎng)的點位精度往往比國家控制網(wǎng)的點位精度要求高的多；3）分級布網(wǎng)、逐級控制對于工測控制網(wǎng)，通常先布設精度要求最高的首級控制網(wǎng)，隨后根據(jù)測圖需要，分階段進行下一級控制點的加密。分級的多少還要根據(jù)測區(qū)面積而定。用于工程建筑物放樣的專用控制網(wǎng)，往往也分二級布設，第一級作總體控制，第二級直接為建筑物放樣而設；

29、用于變形觀測或其它專門用途，通常就不必分級。33.2 控制網(wǎng)點的分布工程控制網(wǎng)的點位分布情況視工程需要而定，一般來講，工程控制網(wǎng)的范圍和點位隔距都不是很大，點位選擇的機動性較小，但對點位的要求與大面積控制網(wǎng)基本相同，埋石時由于點位精度要求不是很高，可靈活處理。當測區(qū)范圍不太大時，由于gps測量受地面圖形影響很少，可以靈活布設，點位選擇時則根據(jù)工程需要布點，而不必考慮點距及點的通視情況。3.2.1 點位分布 當測區(qū)范圍較大，點位分布不均勻時，為保證控制網(wǎng)點的整體精度，應根據(jù)點位分布情況首先布設骨架網(wǎng)，然后用骨架網(wǎng)控制其它點位。一般工程控制網(wǎng)點不需要均勻分布，而是按其需要進行布點，可以布成一個或幾

30、個獨立的點群。 雖然gps測量不受地面圖形影響，但布網(wǎng)時也應考慮點位的圖形結(jié)構，這是因為: 1）較大測區(qū)工程控制網(wǎng)布設時，不可能一次完全選點，而是采用逐步推進的方法，若不考慮圖形結(jié)構，最后整個控制網(wǎng)則易產(chǎn)生扭曲。 2）為三角形異步邊閉合差的檢驗提供條件。 3）由于許多工程完成后需要用常規(guī)測量進行測量，因此布點時根據(jù)需要確定點位的位置，并考慮其圖形結(jié)構。 一般工程網(wǎng)的布設基本上分為三種(見圖3-1) （1）點位集中在一塊區(qū)域 （2）點位分布在幾個區(qū)域 （3）點位成線狀分布圖3-1點位分布示意圖fig.3-1 point and the distribution diagram3.2.2 實例分析

31、例如某工程測量控制網(wǎng)，測區(qū)位于某城市市區(qū)內(nèi)，全網(wǎng)共施測8個gps點，3個己知控制點:a001, a002 , a003，控制點分布于城市周圍；5個待測點:a004a008，位于某工業(yè)廠區(qū)內(nèi)，其中a008有己知坐標(見圖3-2)。外業(yè)使用6臺ashtechstep-1單頻gps接收機觀測5天，分為兩個同步觀測區(qū):每天3個時段，每個時段3小時，觀測衛(wèi)星高度截止角15°，采樣間隔15秒。圖3-2 控制網(wǎng)示意圖fig.3-2 control network diagram當測區(qū)范圍較大時(幾百平方公里)，為保證控制網(wǎng)點的整體精度，應使用經(jīng)典大地測量方法布設控制網(wǎng)，控制網(wǎng)點要與高等級控制點構成

32、圖形，并且控制網(wǎng)點與點之間也要構成圖形，如精度要求較高時，點與點之間應構成直接邊。當布設的點位不均勻時，即點間距離差別較大時，在施測過程和數(shù)據(jù)處理中應分別進行。無論測區(qū)是面狀還是線狀，都應首先根據(jù)點位分布情況選擇若干點做一骨架網(wǎng)，然后再利用該網(wǎng)進行工程網(wǎng)的布設，也就是分成二級控制(見圖3-3)。 國家等級點 骨架網(wǎng)控制點 工程控制網(wǎng)點 national rating point skeleton network control point project control points圖3-3控制網(wǎng)示意圖fig.3-3 control network diagram 如某基地控制網(wǎng)分為兩部分(圖

33、3-4)，首區(qū)(1個點ax)和落區(qū)(8個點bs, df，ds， dz，gh，hb，hk，ym)，兩者相距160多公里:ax距28，10公里左右，163距落區(qū)90公里左右。落區(qū)內(nèi)相鄰點距離10-15公里。要求兩區(qū)坐標系統(tǒng)一:本次任務參測儀器為5臺，根據(jù)點位的分布情況，選擇了3個點(bs, 163, 28)作為一級控制點，利用周圍的三個基準站(22，20，19)對其進行控制，由于基準站是連續(xù)觀測站，在野外觀測過程中，可以不考慮它。然后用3個一級控制點控制其它網(wǎng)點。整個測區(qū)分為3個分區(qū)(見圖3-4)，每個分區(qū)觀測三個時段，每時段3小時，采樣間隔30秒，衛(wèi)星高度角10度。圖3-4 點位分布示意圖fig

34、.3-4 point and the distribution diagram數(shù)據(jù)處理。第一步解算3個一級控制點，由于點距較遠，解算時利用gamit和globk軟件分別進行基線解算和平差計算。其精度見表3-1。 表3-1 一級控制點精度表 單位：米tab. 3-1 a control point accuracy table unit: m點號xyz280.00700.01070.0081bs0.00850.01110.00931630.00860.01130.0092220.00.00.0200.00.00.0190.00.00.0第二步，由于控制網(wǎng)點位間距較近，基線解算和平差計算采用的是工

35、程軟件gpps和fillnet，利用3個點28，bs，163作為控制點(已知點)，解算其它點位坐標，點位精度見表3-2。 表3-2 控制網(wǎng)精度表 單位: mtab. 3-2 control network accuracy unit: m點號xyz點號xyzax 1.1 2.3 1.8 hb 2.8 5.7 4.5 bs 0.0 0.0 0.0 hk 2.5 5.0 3.8 df 4.1 8.1 5.6 ym 2.7 5.2 4.0 ds 3.7 6.7 5.1 163 0.0 0.0 0.0 dz 4.8 10.2 7.7 28 0.0 0.0 0.0 gh 3.9 8.0 6.2從數(shù)據(jù)處理

36、結(jié)果可看出，這種布網(wǎng)方法其點位精度可滿足大部分工程控制網(wǎng)的要求。3.3 基線長度對點位坐標精度的影響為了比較不同長度的基線對點位坐標的影響，我們選擇了14條不同長度的基線進行實驗，為了能說明問題，這14條基線及點位坐標都有高精度的已知值(觀測時間24小時以上，gamit軟件解算的結(jié)果)。試驗中連續(xù)觀測3小時，采樣間隔為30秒。由于在工程網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理時，一般采用隨機軟件、廣播星歷、l1解算，這次試驗我們利用的是gps后處理軟件，ll解算方式，沒有進行網(wǎng)平差，而是由基線的一個端點計算另一端點的點位坐標，解算的結(jié)果與己知結(jié)果比較(見表3-3 ) 。表3-3 邊的長度對點位精度的影響tab. 3-3

37、the length of side effects on the location precision邊序號距離kmdx /m dy/m dh/m1 9 0.0097 0.0015 0.03462 10 -0.0024 -0.0458 0.08893 11 0.0372 -0.0020 -0.05444 14 0.0107 -0.0443 0.12805 17 0.0362 0.0429 -0.14676 20 0.1076 -0.0290 0.13417 21 -0.0038 0.1111 0.16628 30 -0.1593 -0.0634 -0.00539 36 -0.0915 0.1

38、472 0.068610 39 -0.1600 -01639 -0.185011 46 -0.3054 0.4638 -0.273012 81 0.2970 0.0413 -0.496513 85 0.3149 0.0615 -0.404014 89 0.3939 0.1030 -0.5490圖3-5 邊長對點位精度影響示意圖fig.3-5 side effects on the location precision of the diagram 從圖3-5中可以看出，邊長對點位精度的影響基本上呈現(xiàn)出隨著邊長越長其影響越大的趨勢，當邊長超過40公里時，其誤差明顯有增大的趨勢，在高程方向趨勢更為

39、明顯。分析其原因，一是電離層的影響，隨著基線長度的增長，電離層影響增大。二是沒有進行網(wǎng)平差，缺少了網(wǎng)的控制，致使x, y方向誤差增大。 因此，在布設gps工程網(wǎng)時，若采用隨機處理軟件、廣播星歷，不能對電離層影響進行修正時，網(wǎng)的邊長不易超過40公里。3.4 已知點分布對控制點精度的影響 一般工程控制網(wǎng)都需要高等級控制點對其進行控制，并提供起算坐標。在我國，由于高等級控制點的間距較大，二等以上的gps點一般間距在100公里以上。而大部分工程控制網(wǎng)面積都不太大，若高等級控制點選擇較多，則所需的費用和時間也會隨之增加，選擇較少，則不易保證精度。那么高等級控制點選擇幾個?如何分布?才能保證使用最少的已知

40、點滿足工程控制網(wǎng)所需要的精度，這是本節(jié)研究的主要問題。3.4.1 已知點的選擇對于工程控制網(wǎng)的高等級控制點(己知點)，其分布不同最后平差計算的精度也不同：一般來講，己知點應較均勻地布設在測區(qū)或測區(qū)的周圍(見圖3-7)，這樣利用這些己知點解算控制網(wǎng)點時，一是控制網(wǎng)不會發(fā)生扭曲;二是可以提高控制網(wǎng)點的精度。圖3-6 理想化布設圖形fig.3-6 ideal layout graphics 圖3-6是一個理想化的圖形，一般情況下很難找到這么規(guī)則的圖形。 已知點選擇對控制網(wǎng)點的精度有著直接的影響，下面舉例說明這個問題。如某控制網(wǎng)分為兩部分(圖3-7 )，東部(1個點01)和西部(7個點02，03，04

41、，05，06，07 ，08)，兩者相距150多公里:己知點3個分別是11，12，13，己知點12在東部，距01號點10公里左右；13號在南部，距西部點群90公里左右；11號點在北部，距點群15公里左右，點群內(nèi)7個點相鄰點距離10-15公里。圖3-7 點位分布圖fig.3-7 point and distribution3.4.2 不同控制點的精度分析 本控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理過程中，我們對控制點選擇的情況做了部分試驗，根據(jù)控制點分布情況進行了10種不同的選擇，選擇不同控制點進行平差時，對其精度進行了比較，下面是選擇不同控制點時的情況?？刂凭W(wǎng)的基線解算采用的是工程軟件gpps，平差計算采用的軟件是fi

42、llnet。當固定3個已知點(11，12，13)進行平差時，點位精度見表3-4。表3-4 選擇3個控制點（11, 12，13） 單位：mtab. 3-4 select 3 control points (11, 12, 13) unit: m點號 dxdy dh010.0011 0.0023 0.001811固定點 0.0 0.0 0.003 0.0041 0.0081 0.005602 0.0037 0.0067 0.005105 0.0048 0.0102 0.0077080.0039 0.0080 0.006207 0.0028 0.0057 0.0045060.0025 0.0050

43、0.003804 0.0027 0.0052 0.004013固定點0.0 0.0 0.012固定點 0.0 0.0 0.0從(表3-4)中可以看出，當固定3個控制點時，未知點的點位精度除05號點在y方向稍差（lcm)外，其它點位在三個方向都是毫米級。表3-5 選擇一個控制點（11） 單位：mtab. 3-5 select a control point (11) unit: m點名 dxdy dh01-0.04345 -0.28833 0.2262311固定點 0.0 0.0 0.003 0.00806 -0.06806 0.0036602 -0.02981 -0.01831 0.01427

44、05 -0.00604 -0.07901 0.01265080.02689 0.02271-0.1615307 0.03269 -0.02108 -0.05667060.03783 -0.02129 -0.0285304 0.02652 -0.05332 0.01396130.19225 -0.03729 -0.4220012 -0.04215 -0.28669 0.20100從表3-5中可以看出，由于控制點(11)在測區(qū)的一邊，在東方向距其160公里的2個點(01，12)，它們的誤差在y和h方向均達到了2個分米，南面距離其100公里的13點在x和h方向誤差較大，分別是0.19分米和一0.42

45、2分米。其它點位因距11號點的距離不超過30公里，所以它們的誤差在三個方向均為厘米級。表3-6 選擇一個控制點（13） 單位：mtab. 3-6 select a control point (13) unit: m點名 dxdy dh01-0.24279 -0.26371 0.6462311 -0.19900 0.03614 0.4190003 -0.18993 -0.03357 0.4236602 -0.22875 0.01685 0.4342705 -0.20345 -0.04351 0.4326508-0.17691 0.059350.2584707 -0.16538 0.01511

46、0.3633306-0.15961 0.01475 0.3914704 -0.17088 -0.01814 0.4339613固定點0.0 0.0 0.012 -0.24150 -0.26220 0.62100表3-7 選擇一個控制點（12） 單位：mtab. 3-7 select a control point (12) unit: m點名 dxdy dh01-0.00113 -0.00188 0.0252311 0.04228 0.28071 -0.2090003 0.05002 0.21330 -0.2033402 0.01246 0.26303 -0.1937305 0.03563 0

47、.20198 -0.19535080.06279 0.30303-0.3705307 0.07467 0.25981 -0.26567060.07958 0.25966 -0.2375304 0.06809 0.22785 -0.19404130.23141 0.24314 -0.6320012固定點 0.0 0.0 0.0從表3-6和表3-7中可以看出，固定13號點時，所有點位在三個方向誤差都較大，固定12號點時，除01號點距12號點距離較近，誤差較小，其它點的三個方向誤差都較大。表3-8 選擇兩個控制點（12 , 13） 單位：mtab. 3-8 select two control po

48、ints(12 , 13) unit: m點名 dxdy dh01-0.00284 -0.00724 0.0372311 -0.04152 0.0133 0.3650003 -0.04251 -0.00996 0.2916602 -0.06427 0.02181 0.3282705 -0.07418 -0.04111 0.3506508-0.04445 0.029970.2344707 -0.02483 0.00011 0.3083306-0.03073 0.00711 0.3284704 -0.03782 -0.00739 0.3339613固定點0.0 0.0 0.012固定點 0.0 0

49、.0 0.0表3-9 選擇兩個控制點（11 , 12） 單位：mtab. 3-9 select two control points(11, 12) unit: m點名 dxdy dh01-0.00193 -0.00751 0.0292311固定點 0.0 0.0 0.003 -0.00814 -0.02637 -0.0243402-0.02647 0.00731 -0.0037305 -0.03703 -0.06080 0.0026508-0.00232 0.01013-0.15053070.01544 -0.01812 -0.05667060.00797 -0.01303 -0.03153

50、04 -0.00222 -0.02614 -0.00204130.03309 -0.04071 -0.4010012固定點 0.0 0.0 0.0表3-10 選擇兩個控制點（11 , 13） 單位：mtab. 3-10 select two control points(11, 13) unit: m點名 dxdy dh010.08554 0.10335 -4.0707711固定點 0.0 0.00 0.003 -0.00154 -0.01489 -0.5943402-0.01871 0.01265 -0.3807305 -0.04004 -0.05275 -0.1953508-0.01097

51、 0.008300.07947070.01206 -0.01691 -0.06267060.00308 -0.00779 -0.0895304 -0.00243 -0.01623 -0.3350413固定點0.0 0.0 0.012 0.08918 0.11454 -4.18400表3-8、表3-9、表3-10是分別固定2個點時的平差情況，從表中可以看出，固定13, 12和固定11, 12時，由于這兩組固定點是東西方向，其它點位精度在y(東)方向上精度有明顯的提高；固定13和11時，由于其是南北方向，西部的7個點在x(北)方向上精度有明顯提高，而0l號點和12號點由于距離這兩個點較遠，精度很差

52、，在h方向誤差達到了4米。 由以上實驗我們可以得出這樣一個結(jié)論，在gps控制網(wǎng)的布設中，已知點的選擇是非常重要的，己知點的選擇不同，其控制網(wǎng)點的精度也不一樣:一個工程網(wǎng)的已知點應選3-4個高等級控制點，高等級控制點應布設在控制網(wǎng)的周圍，盡可能形成等邊三角形，只有這樣才能保證整個控制網(wǎng)點精度的統(tǒng)一。已知點的選擇應避免成直線狀，其點間距離應大于工程網(wǎng)點與點間的最大距離。如果整個控制網(wǎng)沒有己知點，做自由網(wǎng)平差時其固定點的選擇應選在整個網(wǎng)的中心點或選擇網(wǎng)的質(zhì)心(即所有點x, y方向的平均值)。43.5 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 在工程測量中，為了和原有的資料一致，常常要求給出當?shù)刈鴺讼到y(tǒng)。用gps測量布設工程控制網(wǎng)時，獲得的是wgs-84坐標系統(tǒng)，這就需要將gps測量的wgs-84坐標轉(zhuǎn)換成地方坐標，因此布網(wǎng)時需要重合部分具有地方坐標的點位，一般來講，重合點最少要有三個;如需要正常高，還應重合若干水準點，或?qū)ps點進行水準聯(lián)測。 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的