gps在精密工程測量中的應(yīng)用

1、GPS在精密工程測量中的應(yīng)用研究專 業(yè) 測繪工程 學(xué) 號 151611010020學(xué)生姓名 李曉強(qiáng) 完成日期 2016年 1 月 5 日摘要GPS技術(shù)是當(dāng)今信息社會發(fā)展最快的技術(shù)之一，GPS定位技術(shù)以其速度快、精度高、全天候，不受通視條件限制、費(fèi)用少、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于大地控制測量中。時至今日，可以說GPS定位技術(shù)已完全取代了用常規(guī)測角、測距手段建立大地控制網(wǎng)。應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng), GPS網(wǎng)可以分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架過全國高精度坐標(biāo)框架，為全球性地球動力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研

2、究地區(qū)性的板塊運(yùn)動，或地殼變形規(guī)律問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)GPS網(wǎng)，GPS工程網(wǎng)等，這類網(wǎng)的相鄰點(diǎn)間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務(wù)是為國民建設(shè)服務(wù)。本文對于GPS在精密工程測量中的應(yīng)用做了研究。介紹了GPS控制網(wǎng)的施測過程以及進(jìn)行了簡單的誤差分析。關(guān)鍵詞：GPS； 精密工程測量； 應(yīng)用研究；誤差分析第1章 緒論全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）是利用衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)時測距和測時構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它是1973年12月，由美國國防部以及海、路、空三軍聯(lián)合研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要用于情報收集、核暴監(jiān)測和應(yīng)急通訊等

3、一些軍事目的。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到廣泛應(yīng)用。GPS RTK技術(shù)作為測繪領(lǐng)域內(nèi)的高科技技術(shù)，已經(jīng)為測繪提供了有力的測量定位手段，特別是GPS RTK測量技術(shù)的發(fā)展和推廣，使得GPS測量技術(shù)真正開始走上了取代全站儀進(jìn)行各種地面測量和數(shù)據(jù)采集工作的新階段。擴(kuò)大了GPS測量的應(yīng)用領(lǐng)域。本題探討了GPS技術(shù)和GPS RTK技術(shù)的組

4、成、應(yīng)用及特點(diǎn)。 載波相位差分技術(shù)即RTK技術(shù)，它是建立在全球定位系統(tǒng)（GPS）基礎(chǔ)之上的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量、都需要事后進(jìn)行結(jié)算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時得到厘米級定位精度的測量方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為各種控制測量、地形測圖、工程放樣及海洋、地籍測量帶來了技術(shù)革新，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。第2章 精密工程控制網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)  2.1 高精度特性可以說，精密工程測量在工程測量時的精度能夠到毫米級，而且其相對測量也能夠達(dá)到10Lm。而且，一般在特殊的情況之下，精密工程測量一般是使用先進(jìn)的儀器和

5、設(shè)備進(jìn)行測量的工作?？梢哉f，高精度是精密工程測量的一個最基本的特點(diǎn)。  2.2 不均勻的起算點(diǎn)分布對于起算數(shù)據(jù)的誤差，精密工程測量對其的要求是最大限度的要小。在選擇方案時，一般都是先建立工程的坐標(biāo)系統(tǒng)。同其他控制網(wǎng)相比，精密工程測量對于原來坐標(biāo)上的控制點(diǎn)一般都不能把其作為開始計(jì)算的點(diǎn)。因而，精密工程測量網(wǎng)的起算點(diǎn)是不均勻分布的。2.3 靈活的起算數(shù)據(jù)對于國家以及地方的測量控制網(wǎng)來說，通常其布置的區(qū)域是比較大的，無論是什么等級的控制點(diǎn)其絕對的定位精度也不能確保精密工程測量的定位能夠達(dá)到毫米量級的要求。因此，精密工程控制網(wǎng)中沒有上下級控制網(wǎng)，其所謂的高精度要求是指項(xiàng)目的相對精度。精密工程

6、測量對于起始數(shù)據(jù)的要求是基于點(diǎn)位以及相對精度的條件能否滿足工程需求的，有著一定的靈活性。第3章GPS應(yīng)用于精密工程測量中的優(yōu)缺點(diǎn)3.1 GPS應(yīng)用于精密工程測量中的優(yōu)點(diǎn)1、采用GPS技術(shù)測設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡單，點(diǎn)的疏密和邊的長短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。另外，它解決了點(diǎn)位之間無法通視的困難，選點(diǎn)靈活，不需要高標(biāo)，同時還可以保證外業(yè)施測不受天氣影響。測設(shè)大型(長邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測量時不受到通視條件的限制，但是，工程測量一般為小范圍測量并受到工程成本的限制。因此，在實(shí)際的工

7、程測量中，仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時，點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會給測量工作帶來較多的麻煩和困難。特別是大型橋梁控制網(wǎng)中，如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視，勢必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度，進(jìn)而影響到橋梁本身的精度。因此，在工程測量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時，必要時應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。2、 GPS方格網(wǎng)點(diǎn)位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲備。3、 采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。4、 采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高

8、點(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。5、 采用GPS-RTK測設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。一個參考站可有多臺流動站作業(yè)，流動站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。3.2 GPS應(yīng)用于精密工程測量中的缺點(diǎn)1、GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算，按照固定模式：距離=速度×時間，時間確定之后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態(tài)，信號要受到電離層和對流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對此進(jìn)行平均計(jì)算，在某些具體區(qū)域肯定存在誤差；在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對信號

9、的影響，也會導(dǎo)致信號的非直線傳播，計(jì)算時也會引入一定的誤差；2、與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測量一樣，使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，起算點(diǎn)應(yīng)為高等級的控制點(diǎn)，并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測時，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過3-5個高等級控制點(diǎn)的連測、復(fù)核，確保基準(zhǔn)站坐標(biāo)在各個方位觀測情況下具有一致的精度。3、大量的工程實(shí)例證明，雖然GPS高程測量能夠達(dá)到一定的精度，但用GPS施測的市政工程測量控制點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步用常規(guī)儀器進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測，保證高程精度滿足市政工程建設(shè)的需要。4、GPS測量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測點(diǎn)位的精度。由于GPS測量

10、是通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號接收的因素出現(xiàn)干擾時，所測定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測量點(diǎn)位時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)點(diǎn)位視野開闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物。(2)盡量遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，間距應(yīng)不小于400m，遠(yuǎn)離高壓輸電線路，間距應(yīng)不小于200m。(3)遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，并盡量避開大面積的水域。5、GPS測量更適用于視野開闊、障礙物較少的新區(qū)建設(shè)、野外勘探定位等，在老城區(qū)的建設(shè)中，使用GPS測量，或者接收不到信號，或者雖接收到信號，但一直處于浮動狀態(tài)，出現(xiàn)假固定或者不能固定，因此所得

11、數(shù)據(jù)往往誤差較大，既無效率，又無精度，不能顯示出GPS測量的優(yōu)越性。6、GPS測量成果與常規(guī)測量成果之間，不同型號GPS測量成果之間存在差異，有時相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時，邊長一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正：(1)歸算至大地水準(zhǔn)面的改正；(2)歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問題，而三維聯(lián)臺平差模型是一個多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度，這對于點(diǎn)位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時，需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測值，這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。第4章GPS應(yīng)用的施測過程以及誤

12、差分析4.1.GPS控制網(wǎng)施測過程1、 準(zhǔn)備工作（1）對待測區(qū)進(jìn)行勘察，并收集相關(guān)資料主要調(diào)查當(dāng)?shù)氐目刂泣c(diǎn)分布情況、交通情況、水文分布情況、植被情況、以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)俗民情等。相關(guān)資料包括待測區(qū)的地形圖，各類控制點(diǎn)成果以及與之有關(guān)的地質(zhì)、交通、氣象、通信等方面的資料。（2）擬定觀測計(jì)劃觀測計(jì)劃的主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)精度。編制GPS衛(wèi)星的可見性預(yù)報圖，選擇衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度。選擇最佳的觀測時段。根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報和天氣預(yù)報選擇最佳觀測時段，衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高。觀測區(qū)域的設(shè)計(jì)與劃分。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和控制網(wǎng)，一般采用3臺GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)與地面的聯(lián)測方案。尤其對信

13、號接受不好的待測區(qū)，應(yīng)做好聯(lián)測方案的設(shè)計(jì)，以保證其精度。編排作業(yè)調(diào)度表，以保證測量任務(wù)按時完成。（3）選擇接收機(jī)型號并檢驗(yàn)一般小于20公里點(diǎn)位情況良好，宜采用單頻接收機(jī)，反之，選用雙頻接收機(jī)。接收機(jī)性能的檢驗(yàn)主要有：一般檢驗(yàn)，主要檢查接收機(jī)各部件及其附件是否完好，使用手冊等相關(guān)資料是否齊全等；通電檢驗(yàn)，主要是檢驗(yàn)接收機(jī)通電后有關(guān)信號燈、按鍵、顯示系統(tǒng)和儀表的工作情況；實(shí)測檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)方法為標(biāo)準(zhǔn)基線檢驗(yàn)、已知坐標(biāo)邊長檢驗(yàn)、零基線檢驗(yàn)、相位中心偏移量檢驗(yàn)。2、 外業(yè)測量工作（1）合理選點(diǎn)GPS觀測點(diǎn)的選取比較靈活，但也要遵循GPS測量的一些原則。每點(diǎn)最好能與其中某一點(diǎn)通視。應(yīng)選擇在上空開闊、視場

14、內(nèi)周圍障礙物的高度角小于14°，以免信號被遮擋或吸收，影響觀測質(zhì)量。要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓電線等，其距離應(yīng)大于200m，以免電磁場對信號的干擾。避免大面積水域?qū)﹄姶挪ǚ瓷浜臀?。選擇交通方便的地方，以有利與其它觀測手段聯(lián)測。（2）埋設(shè)標(biāo)志GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)具有標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點(diǎn)位，點(diǎn)的埋設(shè)必須堅(jiān)固以利于長久保存與利用，并做好記錄。（3）外業(yè)觀測外業(yè)觀測工作主要包括：安裝天線、觀測作業(yè)和觀測記錄等。天線利用三腳架安置，天線底板上的圓水準(zhǔn)器氣泡必須居中，天線的定向標(biāo)志應(yīng)指北，三次測量互差小于3mm取平均值。觀測作業(yè)就是獲取所需要的定位信息和觀測數(shù)據(jù)。觀測記錄由GPS接收機(jī)自動

15、進(jìn)行，觀測者應(yīng)做好記錄。在測量的過程中，應(yīng)嚴(yán)格限制高頻及對講機(jī)等無線電波的使用，避免環(huán)境對信號的干擾，從而提高GPS本身的定位精度。4.2 GPS在測量中的誤差分析及改進(jìn)措施4.2.1空間衛(wèi)星誤差衛(wèi)星誤差主要有衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的誤差、衛(wèi)星軌道誤差和衛(wèi)星設(shè)備延遲誤差。其中衛(wèi)星軌道誤差主要誤差來源之一。改進(jìn)措施有：忽略軌道誤差。此方法不考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，用于精度較低工程測量中。模型改正法。利用模型計(jì)算出誤差影響的大小，直接對觀測值進(jìn)行修正。適用于對誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式。引進(jìn)改正參數(shù)法。此方法是在處理數(shù)據(jù)時引進(jìn)軌道改進(jìn)參數(shù)，采用參數(shù)估計(jì)的方法，將

16、系統(tǒng)性偏差求定出來。一般情況都適用。同步求差法。通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響。適用于誤差具有較強(qiáng)的空間、時間或其它類型的相關(guān)性。合理選擇軟硬件及測量地點(diǎn)和方法。4.2.2空間傳播誤差空間傳播誤差主要有電離層傳播延遲、對流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差等。其中多路徑效應(yīng)誤差的影響可達(dá)到厘米級，是不容忽視的。改進(jìn)措施有：避開較強(qiáng)的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。選擇良好的接收機(jī)，減少干擾，提高精度。4.2.3 GPS網(wǎng)的多路徑效應(yīng) GPS衛(wèi)星信號從高空向地面發(fā)射，若接收機(jī)天線周圍有高大建筑物或水面時，建筑物和水面對電磁波具有強(qiáng)反射作用，天線接收的信號不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號(直接波)，還有從反射體反射的電磁波信號(反射波)，這兩種信號產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離真實(shí)值，GPS定位產(chǎn)生誤差，該誤差稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)誤差會嚴(yán)重影響CPS測量的精度，甚至還會引起信號的失鎖。在實(shí)際測量中接收到的信號是直接波和反射波產(chǎn)生干涉后的疊加信號。反射體相對于接收天線的位置而言有垂直面、水平面和斜面三種情況，反射體的物質(zhì)屬性可以是水面、地面(包括山坡)和測站周圍的建筑物等。來自衛(wèi)星的直接信號和經(jīng)反射體反射后的信號