GPS在工程測量中的應(yīng)用研究

GPS在工程測量中的應(yīng)用研究GPS在工程測量中的應(yīng)用研究第一章緒論1.1研究背景及意義全球定位系統(tǒng)(GPS)是英文GlobalPositioningSystem的字頭縮寫詞的簡稱。它是利用衛(wèi)星導(dǎo)航實時測距和測時構(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。在測量領(lǐng)域最早應(yīng)用于地形、高程、等級控制網(wǎng)點的測量，現(xiàn)在仍然應(yīng)該于這些重要領(lǐng)域，在其它測繪領(lǐng)域也硬功頻繁。比如：用于各類型的工程施工放樣、測圖、變形監(jiān)測、航空攝影測量、海測和地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集工作。在國家各種類型、各種等級的控制網(wǎng)的布設(shè)中以基本取代了傳統(tǒng)的測量方式，成為主要的技術(shù)手段。國家GPSA級控制網(wǎng)于1992年由國家測繪局、中國地震局等單位開始布測，全網(wǎng)27個點，平均邊長約800km。1996年國家測繪局進行了A級網(wǎng)的復(fù)測，經(jīng)全網(wǎng)整體平差后，地心坐標精度優(yōu)于0.1m，點間水平方向的相對精度優(yōu)于2×，垂直分量相對精度7×10-8。布設(shè)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(xué)研究的基礎(chǔ)。作為我國高精度坐標框架的補充以及為滿足國家建設(shè)的需要，在國家人級網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立了國家B級網(wǎng)。新布設(shè)的A、B級GPS控制網(wǎng)成為現(xiàn)代化大地測量和基礎(chǔ)測繪的基礎(chǔ)框架。GPS技術(shù)作為現(xiàn)代化測量中最主要的測量手段，它具有不需要通視、不受天氣影響、能夠直接或得三維坐標等優(yōu)點外，還可以節(jié)省大量的時間和人力，所以GPS技術(shù)成為大地測量最重要的測量手段。GPS（全球定位系統(tǒng)）在車輛導(dǎo)航、變形監(jiān)測、航空航天等方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于其的獨特性，GPS測量技術(shù)在水利水電測量中也有廣闊的應(yīng)用。由于GPS測量儀在水利水電工程中的應(yīng)用，測量不再受到地形地勢等條件的影響，通過控制測量的觀測方法和布局類型，大大減少了傳統(tǒng)測量中的傳算點和過度點的測量工作，使控制選點變的較為靈活。并且控制測量也可以不受到時間、天氣等自然條件的影響了。現(xiàn)在，GPS定位技術(shù)除了廣泛應(yīng)用于飛機和水面船只的導(dǎo)航定位外，在陸地道路導(dǎo)航定位系統(tǒng)中也或得了越來越廣的應(yīng)用。隨著我國道路建設(shè)和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，便攜式的道路實時導(dǎo)航和監(jiān)控越來越受到人們的普遍關(guān)注。如何使GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)變得更加輕便、更加精確和可靠已成為人們越來越強烈的需求。GPS定位技術(shù)離不開計算機系統(tǒng)，如果要實現(xiàn)更復(fù)雜的功能則需要更加強大的計算機系統(tǒng)。采用更高級的微計算機系統(tǒng)——嵌入式系統(tǒng)，就可以很好的解決超便攜和高性能的矛盾。目前，市場上幾乎所有的便攜式GPS定位系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備都采用嵌入式系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用今年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的汽車工業(yè)和城市化進程進入了一個高速前進的階段，GPS定位系統(tǒng)的市場迅速發(fā)展壯大。以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為當今國際公認的八大無線產(chǎn)業(yè)之一。在近十多年，隨著全球定位系統(tǒng)的軟件和硬件的不斷發(fā)展和完善，該系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，并逐漸深入到人們的日常生活中，與此同時，人們對于GPS的需求也越來越強烈。隨著技術(shù)的進步、應(yīng)用需求的增加，GPS獨具的定位導(dǎo)航、授時校頻、精密測量等多方面的強大功能，已涉足眾多應(yīng)用領(lǐng)域，使GPS成為繼蜂窩移動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的全球第三個IT經(jīng)濟新增長點。GPS對人類活動的影響極大，應(yīng)用價值極高。它可以從根本上解決人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，可以滿足各種不同用戶的需要。雖然最初GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)是為軍事目的而設(shè)計，單其精密的全球定位、簡便的觀測、優(yōu)異的實時性、良好的抗干擾性能等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。GPS應(yīng)用主要分為兩種類型，一種為單機應(yīng)用，即采用獨立的接收機做單點靜態(tài)多動態(tài)定位或單點高精度定位策略。另一種則以GPS接收機配合中心控制站，輔以無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，實時進行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成GPS應(yīng)用系統(tǒng)。對艦船而言，它能在海上協(xié)同作戰(zhàn)、石油勘探、海洋捕魚、管道鋪設(shè)、暗礁定位。為海港領(lǐng)域等方面作出貢獻。對飛機而言，它可在飛機起飛，中途導(dǎo)航，著陸，空中回合、武器投擲、空中交通管制等方面進行服務(wù)。在陸地上可用于各種車輛、坦克、陸軍部隊等定位，還可用于大地測量、野外考察、勘探定位。GPS已經(jīng)深入到每個人的生活之中，GPS車輛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于銀行、公安、交通管制、消防等部門。GPS引發(fā)了測繪行業(yè)的一場技術(shù)革命，提供了一場嶄新的觀測手段，并能進行快速的大地定位和布設(shè)大地網(wǎng)。GPS也為打造其研究和氣象觀測提供了重要手段，利用GPS所測定的電離層延遲和多普勒頻移延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度、折射系數(shù)、電子濃度隨高度分布。國內(nèi)GPS市場呈現(xiàn)出兩個重點發(fā)展趨勢。(1)以車載導(dǎo)航為核心的移動目標監(jiān)控、管理與服務(wù)系統(tǒng)。在GPS應(yīng)用領(lǐng)域，車輛應(yīng)用所占的比例較大。最初GPS車輛應(yīng)用一般分為車輛跟蹤和車輛導(dǎo)航兩大系統(tǒng)。但當摩托羅拉公司推出集車輛導(dǎo)航與跟蹤于一體的車輛信息系統(tǒng)后它就成了發(fā)展的方向。GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)主要有自導(dǎo)航應(yīng)用和中心監(jiān)控兩種方式。車輛監(jiān)控系統(tǒng)是集GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)于一體的綜合車輛管理系統(tǒng)。一般行業(yè)用戶的車船隊監(jiān)控都采用中心監(jiān)控方式，系統(tǒng)由監(jiān)控中心、位于監(jiān)控中心的主站和安裝在移動車輛上的子站等3部分構(gòu)成。系統(tǒng)的工作原理是安裝在車輛上的GPS接收機根據(jù)收到的衛(wèi)星信息計算出車輛的當前位置，通信控制器從GPS接收機輸出的信號中提取所需要的位置、速度和時間信息，結(jié)合車輛身份等信息形成數(shù)據(jù)包，然后通過無線信道發(fā)往控制中心。控制中心的主站接收子站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并從中提取出定位信息，根據(jù)各車輛的車號和組號等，在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來。同時，控制中心的系統(tǒng)管理員可以查詢各車輛的運行狀況，根據(jù)車流量合理調(diào)度車輛。以車輛防盜為例，一般分為靜態(tài)車輛防盜與動態(tài)車輛追蹤兩種。前者是指車主離開汽車、停泊的車輛遭遇偷盜、毀壞和移動時、車輛通過自身的監(jiān)控系統(tǒng)向GPS監(jiān)控中心發(fā)出警報、并自動與車主手機聯(lián)系、電話報警等。后者則可對行駛中的被盜車輛進行定位跟蹤、車況監(jiān)聽、車跡記錄、甚至控制車輛斷電和斷油等。(2)面向個人消費者的GPS終端產(chǎn)品。芯片的小型化技術(shù)、生產(chǎn)成本的降低、體積與耗電量的減小等有利因素使GPS產(chǎn)品走下神壇、深入到人們的日常生活中。目前面向個人消費者的產(chǎn)品主要有車載自主導(dǎo)航系統(tǒng)、移動監(jiān)控終端以及消費類電子產(chǎn)品。移動監(jiān)控終端是移動目標監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。有用于集裝箱等貨物、車輛的跟蹤等領(lǐng)域的隱蔽式安裝產(chǎn)品、也有多功能的綜合車載平臺。但隨著產(chǎn)品成本的降低與體積的微型化，市場上已出現(xiàn)供兒童、老人、病人甚至寵物等特殊群體使用的手表類、尋人儀和兒童玩具型GPS產(chǎn)品。它們可佩帶在身上、嵌入老人的拐棍中、甚至植入體內(nèi)。與上述產(chǎn)品相比，各種個人消費類GPS電子產(chǎn)品則更加接近人們的生活。有集成了GPS芯片和地理信息系統(tǒng)數(shù)字地圖的移動通信手機、GPS手持機、GPS手表甚至GPS相機等，也有基于掌上電腦和筆記本電腦等移動設(shè)備的插卡(CF卡式GPS接收機)式、外接(GPS接收機)式等集成產(chǎn)品。目前國內(nèi)市場上多見的是高明公司、麥哲倫公司、Navman等外國公司品牌的GPS手持機和汽車導(dǎo)航儀等。1.3研究目的及內(nèi)容GPSRTK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GPSRTK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行各種地面測量和數(shù)據(jù)采集工作的新階段。擴大了GPS測量的應(yīng)用領(lǐng)域。本題探討了GPS技術(shù)和GPSRTK技術(shù)的組成、應(yīng)用及特點。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、都需要事后進行結(jié)算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實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、地籍測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。本題探討了GPS在建筑工程規(guī)劃到實地建設(shè)后的變形監(jiān)測，運用常規(guī)的測量手段和GPSRTK技術(shù)對其位置進行檢驗，然后對兩次測量結(jié)果進行比較，從而得出運用GPSRKT技術(shù)測量得出的結(jié)果，比全站儀常規(guī)測量手段得出的結(jié)果較原建筑設(shè)計坐標接近；從而也可以看出GPS技術(shù)比常規(guī)的測量手段精度高、省時間。

第二章GPS測量原理2.1GPS的應(yīng)用及發(fā)展GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特征被廣泛應(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)。我們一般將應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng)。歸納起來大致可以將GPS網(wǎng)分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng)，這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架，為全球性地球動力學(xué)和空間學(xué)的科學(xué)研究工作服務(wù)，或用以研究地區(qū)性的板塊運動或地殼形變規(guī)律等問題。另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)，包括城市或地區(qū)性的板塊運動或地殼形變規(guī)律點間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務(wù)是直接為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。這一定位技術(shù)己普遍應(yīng)用在大地測量、工程測量、工程和地殼變形測量、地籍測量、航空攝影和海洋測繪、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等諸多測量領(lǐng)域?？梢哉J為，GPS定位技術(shù)已經(jīng)使經(jīng)典的測量枯術(shù)經(jīng)歷了一場意義深遠的變革，從而進入一個嶄新的時代。精密工程測量和變形監(jiān)測，是以毫米級乃至亞毫米級為目的的工程測量工作。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，其軟件性能也隨之不斷改進。在大地測量方面，利用GPS技術(shù)開展國際聯(lián)測，建立全球性大地控制網(wǎng)，提供高精度的地心坐標，測定和精化大地水準面。1992年全國GPS大會戰(zhàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，GPS網(wǎng)點地心坐標精度優(yōu)于0.2m，點間位置精度優(yōu)于10-8。在我國建成了平均邊長約100km的GPSA級網(wǎng)，提供了亞米級精度地心坐標基準。在工程測量方面，應(yīng)用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，用于城市和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、高層建筑變形監(jiān)測、隧道貫通測量等精密工程。加密測圖控制點，應(yīng)用GPS實時動態(tài)定位技術(shù)（簡稱RTK）測繪各種比例尺地形圖和用于工程建設(shè)中的施工放樣。在航空攝影測量方面，我國測繪工作者也應(yīng)用GPS技術(shù)進行航測外業(yè)控制測量、航攝飛行導(dǎo)航、記載GPS航測等航測成圖的各個階段。在地球動力學(xué)方面，GPS技術(shù)用于全球板塊運動監(jiān)測和區(qū)域板塊運動監(jiān)測。我國已開始用GPS技術(shù)監(jiān)測南極洲板塊、青藏高原地殼運動、四川鮮水河地殼斷裂遠動，建立了中國地殼形變觀測網(wǎng)、三峽庫區(qū)形變觀測網(wǎng)、首都圈GPS形變監(jiān)測網(wǎng)等。GPS技術(shù)還用于海洋測量、水下地形測繪。此外，在軍事國防只能交通、郵電通信，地礦、煤礦、石油、建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、環(huán)境監(jiān)測、金融、公安等部門和行業(yè)，在航空航天、測時授時、物理探礦、姿態(tài)測定等領(lǐng)域，也都開展了GPS技術(shù)的研究和應(yīng)用。2.2GPS的結(jié)成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分（GPS衛(wèi)星星座）；地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）；用戶設(shè)備部分（GPS信號衛(wèi)星接收機）。(1)GPS衛(wèi)星星座全球定位系統(tǒng)的空間星座部分，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆可隨時啟用的備用衛(wèi)星。工作衛(wèi)星分布在6個近圓形軌道面內(nèi)，每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面升交點的赤經(jīng)相差60°，同一軌道上兩衛(wèi)星之間的升交角距相差90°，軌道平均高度為20200km，衛(wèi)星運行周期為11小時58分。同時在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而異，最少為4顆，最多時達11顆。上述GPS衛(wèi)星的空間分布，保障了在地球上任何地點、任何時刻均至少可同時觀測到4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響，因此GPS是一種全球性、全天候的連續(xù)實時定位系統(tǒng)。(2)GPS衛(wèi)星及功能GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg，兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽能板，能自動對日定向，以保證衛(wèi)星正常供電。每顆衛(wèi)星配置有4臺高精度原子鐘（2臺銣鐘和2臺艷鐘），這是衛(wèi)星的核心設(shè)備。它將發(fā)射標準頻率信號，為GPS定位提供高精度的時間標準。全球定位系統(tǒng)中，GPS只要任務(wù)是：向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號；接收、儲存由地面注入站發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息；接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，適時地調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，改正衛(wèi)星運行軌道偏差，啟用備有衛(wèi)星。GPS工作衛(wèi)星的地面控制系統(tǒng)包括1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。主控站設(shè)在美國本土科羅拉多。主控站的任務(wù)是收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預(yù)測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播正編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站。主控站還負責(zé)糾正衛(wèi)星的軌道偏差，必須是調(diào)度衛(wèi)星，讓備用衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星。注入站的作用是將主控站計算的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等信息注入到衛(wèi)星中去。注入站現(xiàn)在又3個，分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞、南大西洋阿松森群島和南太平洋的卡瓦加蘭?，F(xiàn)有5個地面站均具有監(jiān)測站的功能除了主控站外，其他4個分別位于夏威夷、阿松森群島、迭哥加西亞、卡瓦加蘭。監(jiān)測站是在主控站控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心，所以觀測資料由計算機進行初步處理，并儲存盒傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。整個GPS的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機的驅(qū)動和精確控制下，各項工作實現(xiàn)了高度的自動化和標準化。GPS的用戶部分由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備所組成。GPS接收機硬件，一般包括主機、天線、控制器和電源，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量。用戶設(shè)備一般為計算機及其終端設(shè)備、氣象儀器等，主要功能是對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間，并經(jīng)簡單數(shù)據(jù)處理而實現(xiàn)實時導(dǎo)航和定位。數(shù)據(jù)處理軟件是指各種后處理軟件包，其主要作用是對觀測數(shù)據(jù)進行精加工，以便獲得精密定位結(jié)果。2.3GPS定位原理及分類GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖2.1所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：

圖2.1圖名

上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數(shù)，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離?！鱰i(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。c為GPS信號的傳播速度(即光速)。四個方程式中各個參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vto為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。利用GPS進行定位的方法有很多種。若按照參考點的位置不同，則定位方法可分為絕對定位和相對定位。絕對定位：即在協(xié)議地球坐標系中，利用一臺接收機來測定該點相對于協(xié)議地球質(zhì)心的位置，也叫單點定位。這里可認為參考點與協(xié)議地球質(zhì)心想重合。GPS定位所采用的協(xié)議地球坐標系為WGS-84坐標系。因此絕對定位的坐標最初成果為WGS-84坐標。相對定位：即在協(xié)議地球坐標系中，利用兩臺以上的接收機測定觀測點至某一地面參考點（已知點）之間的相對位置。也就是測定地面參考點到未知點的坐標增量。由于星歷誤差和大氣折射誤差有相關(guān)性，所以通過觀測量求差可消除這些誤差，因此相對定位的精度遠高于絕對定位的精度。按用戶接收機在作業(yè)中的遠動狀態(tài)不同，則定位方法可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位：即在定位過程中，將接收機安置在測站點上并固定不動。嚴格說來，這種靜止狀態(tài)只是相對的，通常指接收機相對于其周圍點位沒有發(fā)生變化。動態(tài)定位：即在定位過程中，接收機處于運動狀態(tài)。GPS絕對定位和相對定位中，有都包含靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。即動態(tài)絕對定位、靜態(tài)絕對定位、動態(tài)相對定位和靜態(tài)相對定位。2.4高程測量原理常規(guī)的三角高程測量、水準測量的點位高程是在一個起伏的封閉的大地水準面上得到的，通過常規(guī)水準測量得到的海拔高是正高。GPS測量的點位海拔高是在橢球體表面上得到的，它是一個平滑的表面，GPS測得的高程是大地高。大地高和正高與大地水準面高有一種近似的關(guān)系，大地水準面高是兩個參考表面間的距離，在水準點進行GPS觀測能得到大地水準面高，因為在這個點的大地高和正高通過測量可以得到。GPS水準網(wǎng)測量、重力測量結(jié)合海拔高模型能構(gòu)成大地水準面模型，在本區(qū)域的其它點的大地水準面高就能推算出。這些點的水準面高的精度由各種測量精度和構(gòu)造模型來決定。這個高程等式ｈ＝H＋N只是一個近似等式，因為正高的測量是沿著鉛垂線到大地水準面，而大地高和大地水準面高的測量是沿著法線到橢球體表面。在陸地測量應(yīng)用中，這個高程等式的近似誤差小于1厘米。CPS測量的大地高受測量誤差、大氣傳播誤差、多路徑誤差的影響。正高受水準測量誤差、重力改正誤差的影響，而大地水準面受重力測量、地形高模型誤差以及GPS水準誤差的影響。由于這些誤差特別是大地水準面高誤差的影響，使得上面高程等式導(dǎo)出的正高誤差較大，可能達到亞米級或更大。但是，影響正高、大地高和大地水準面高的一些誤差源是空間相關(guān)的，即對附近的點一般是共同的。因此，附近點間的高差的不確定性比每一點的絕對高程的不確定性要小得多。實踐證明，對于短基線(小于10公里)上的橢球高差，目前可以確定到2cm。大地水準面高差的精度取決于重力網(wǎng)的密度、觀測和內(nèi)插的重力異常的不確定性。以美國大地水準面為例，其高差的不確定性，對于20公里以內(nèi)的距離一般小于1厘米，對于20－50公里的距離一般小于2－3厘米。由GPS導(dǎo)出的正高精度和大地高精度基本一樣，二者的精度微小差異一般是由于大地水準面模型和用來計算高程系統(tǒng)之差的正高的誤差引起的。2.5坐標系統(tǒng)及坐標系的轉(zhuǎn)換大地坐標系是大地測量中以參考橢球面為基準面建立起來的坐標系。地面點的位置用大地經(jīng)度、大地緯度和大地高度表示。大地坐標系的確立包括選擇一個橢球、對橢球進行定位和確定大地起算數(shù)據(jù)。一個形狀、大小和定位、定向都已確定的地球橢球叫參考橢球。參考橢球一旦確定，則標志著大地坐標系已經(jīng)建立。大地坐標系亦稱為地理坐標系。大地坐標系為右手系。是以地球橢球赤道面和大地起始子午面為起算面并依地球橢球面為參考面而建立的地球橢球面坐標系。它是大地測量的基本坐標系，其大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高H為此坐標系的3個坐標分量。它包括地心大地坐標系和參心大地坐標系。（1）WGS-84大地坐標系WGS-84坐標系的幾何定義是:原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BHI1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CIP赤道的交點，Y軸與Z、X軸成右手坐標系。對應(yīng)于WGS-84大地坐標系有一個WGS-84橢球。WGS84橢球及有關(guān)參數(shù)采用國際大地測量和地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值，四個基本參數(shù)是:長半軸：a=6378137±2m地心引力常數(shù)(含大氣層):正?；A諧系數(shù)(不用J2而用是為了保持與WGS-84的地球重力場模型系數(shù)一致)；地球自轉(zhuǎn)角速度:橢球常數(shù)為：WGS-84大地水準面高N等于由GPS定位測定的點的大地高減該點的正高。N值可以利用地球重力場模型系數(shù)計算得出，也可以用特殊的數(shù)學(xué)方法精確計算局部大地水準面高N。大地水準面高N確定之后，便可利用計算GPS點的正高。（2）國家大地坐標系我過目前常用的兩個國家大地坐標系是1954年北京坐標系和1980年國家大地坐標系。1954年北京坐標系20世紀50年代，在我國天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當時的歷史條件，采用了克拉索夫基橢球元素（ａ＝6378245m，ｆ=1/298.3），并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系進行聯(lián)測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系。幾十年來，我國按1954年北京坐標系完成了大量的測繪工作，在該坐標系上，實施了天文大地網(wǎng)局部平差，通過高斯-克呂格投影，得到點的平面坐標，測制了各種比例尺地形圖。這一坐標系在國家經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用。=2\*GB3②1980年國家大地坐標系為了進行全國天文大地網(wǎng)整體平差，采用了新的橢球元素和進行了新的定位與定向，1978年以后，建立了1980年國家大地坐標系。1980年國家大地坐標系的大地原點設(shè)在我國中部——陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。1980年西安大地坐標系所采用的地球橢球參數(shù)的四個幾何和物理參數(shù)采I-UGG1975年的推薦值，它們是:橢球長半徑a=6378140m地球引力常數(shù)重力場二階帶諧系數(shù)地球自轉(zhuǎn)角速度橢球的短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指向1968.0JYD地極原點方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面；X軸在大地起始于子午面內(nèi)魚Z軸垂直指向經(jīng)度零方向；Y軸與Z,X軸成為右手坐標系。=3\*GB3③2000國家大地坐標系我國目前使用的1954年北京坐標系和1980年國家大地坐標系（有稱1980西安坐標系），都是采用常規(guī)的大地測量技術(shù)建立的二維參心坐標系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是空間技術(shù)的發(fā)展，迫切需要建立三維地心坐標系，而2000國家大地坐標系是由2000國家GPS大地控制網(wǎng)、2000國家重力基本網(wǎng)及用常規(guī)大地測量技術(shù)建立的國家天文大地網(wǎng)聯(lián)合平差獲得的三維地心坐標系。2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數(shù)如下：長半軸a＝6378137m扁率f＝1/298.257222101地心引力常數(shù)GM＝3.986004418×1014m3s-2自轉(zhuǎn)角速度ω＝7.292l15×10-5rads-1正常橢球與參考橢球一致。2000國家大地坐標系將是全國統(tǒng)一采用的大地基準。同一坐標系統(tǒng)下坐標有多種不同的表現(xiàn)形式，一種形式實際上就是一種坐標系。如空間直角坐標系（X，Y，Z）、大地坐標系（B，L）、平面直角坐標（x,y）等。通過坐標統(tǒng)的轉(zhuǎn)換我們得到了BJ54坐標系統(tǒng)下的空間直角坐標，我們還須在BJ54坐標系統(tǒng)下再進行各種坐標系的轉(zhuǎn)換，直至得到工程所需的坐標。將空間直角坐標系轉(zhuǎn)換成大地坐標系，得到大地坐標(B,L)：L=arctan(Y/X)B=arctan{(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}H=(X2+Y2)0.5sinB-N用上式采用迭代法求出大地坐標（B，L）2．將大地坐標系轉(zhuǎn)換成高斯坐標系，得到高斯坐標（x,y）按高斯投影的方法求得高斯坐標，x=F1(B,L),y=F2(B,L)3．將高斯坐標系轉(zhuǎn)換成任意獨立坐標系，得到獨立坐標（x’,y’）在小范圍內(nèi)測量，我們可以將地面當作平面，用簡單的旋轉(zhuǎn)、平移便可將高斯坐標換成工程中所采用坐標系的坐標(x’,y’)，x’=xcosα+ysinαy’=ycosα-xsinα

第三章GPSRTK測量基本原理3.1RTK的基本介紹常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分（Real-timekinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不足一秒鐘。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。3.2RTK的基本工作原理RTK（RealTimeKinematic）實時動態(tài)測量技術(shù)，是以載波相位觀測為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）技術(shù)，它是測量技術(shù)發(fā)展里程中的一個突破，它由基準站接收機、數(shù)據(jù)鏈、流動站接收機三部分組成。RTK基本工作原理：在已知高等級點上（基準站）安置1臺接收機為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)和測站信息，通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線接收設(shè)備，接收基準站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時解算出流動站的三維坐標及其精度（即基準站和流動站坐標差△X、△Y、△H，加上基準坐標得到的每個點的WGS－84坐標，通過坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)得出流動站每個點的平面坐標X、Y和海拔高H）。3.3RTK作業(yè)流程1、收集資料首先收集測區(qū)的控制點資料，包括坐標系及控制點；外業(yè)踏勘，視其控制點是否能作為基準點。2、求定測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)GPS（RTK）測量是在WGS-84坐標系中進行的，而各種工程測量和定位是在地方或北京54坐標系中進行的，他們之間存在坐標轉(zhuǎn)換是在事后處理時進行的，而GPS（RTK）是用于實時測量，要求及時給出地方坐標或北京54坐標，因此，首先必須求出測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。計算測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需已知點至少3個以上，且分別是WGS-84地心坐標、北京54坐標或地方坐標。該點最好選在測區(qū)四周及中心,均勻分布,能有效地控制測區(qū)。為了檢驗轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度和可靠性，最好利用最小二乘法選三個以上的點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。3、外業(yè)數(shù)據(jù)采集1）控制測量：在進行碎部測量之前需要進行控制點的布設(shè)和測量?？刂泣c的主要任務(wù)是用做GPSRTK測量的基準站。2）利用GPSRTK與全站儀組合測量碎部：在單位采用“RTK+全站儀”模式進行碎部測量。這種作業(yè)模式分為兩個步驟：首先利用RTK測量圖根控制點；然后利用全站儀測量碎部點。利用RTK進行圖根控制測量時，可以采用“1個基準站+多個流動站”的作業(yè)模式。3）利用GPSRTK測量碎部點：在地勢上空開闊的地區(qū)，完全可以用RTK或CORS系統(tǒng)的RTK作業(yè)模式測量碎部點，其測量速度比全站儀更快。根據(jù)實踐經(jīng)驗，1個GPS流動站的作業(yè)速度是1臺全站儀作業(yè)速度的2－4倍。4、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括GPS數(shù)據(jù)處理和利用成圖軟件進行數(shù)字化成圖兩項內(nèi)容。前者所需時間較短，而后者工作比較煩瑣，所需時間較長。3.4RTK誤差來源(1)同儀器和GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差:包括天線軌道誤差、鐘誤差、觀測誤差等;(2)同信號傳播有關(guān)的誤差:包括電離層誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)、信號干擾等。對固定基準站而言，同儀器和GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差可通過各種校正方法予以削弱，同信號傳播有關(guān)的誤差將隨移動站至基準站的距離的增加而加大，所以RTK的有效作業(yè)半徑是有限的(一般為5km內(nèi))。

第四章GPS控制網(wǎng)的布設(shè)方法4.1GPS網(wǎng)的布設(shè)方法GPS網(wǎng)常用的布網(wǎng)形式有以下幾種：（1）跟蹤站式（2）會戰(zhàn)式（3）多基準站式（樞紐點式）（4）同步圖形擴展式（5）單基準站式1．跟蹤站式（1）布網(wǎng)形式若干臺接收機長期固定安放在測站上，進行常年、不間斷的觀測，即一年觀測365天，一天觀測24小時，這種觀測方式很象是跟蹤站，因此，這種布網(wǎng)形式被稱為跟蹤站式。（2）特點接收機在各個測站上進行了不間斷的連續(xù)觀測，觀測時間長、數(shù)據(jù)量大，而且在處理采用這種方式所采集的數(shù)據(jù)時，一般采用精密星歷，因此，采用此種形式布設(shè)的GPS網(wǎng)具有很高的精度和框架基準特性。每個跟蹤站為保證連續(xù)觀測，一般需要建立專門的永久性建筑即跟蹤站，用以安置儀器設(shè)備，這使得這種布網(wǎng)形式的觀測成本很高。此種布網(wǎng)形式一般用于建立GPS跟蹤站（AA級網(wǎng)），對于普通用途的GPS網(wǎng)，由于此種布網(wǎng)形式觀測時間長、成本高，故一般不被采用。2．會戰(zhàn)式（1）布網(wǎng)形式在布設(shè)GPS網(wǎng)時，一次組織多臺GPS接收機，集中在一段不太長的時間內(nèi)，共同作業(yè)。在作業(yè)時，所有接收機在若干天的時間里分別在同一批點上進行多天、長時段的同步觀測，在完成一批點的測量后，所有接收機又都遷移到另外一批點上進行相同方式的觀測，直至所有的點觀測完畢，這就是所謂的會戰(zhàn)式的布網(wǎng)。（2）特點所布設(shè)的GPS網(wǎng)，因為各基線均進行過較長時間、多時段的觀測，因而具有特高的尺度精度。此種布網(wǎng)方式一般用于布設(shè)A、B級網(wǎng)。3．多基準站式（1）布網(wǎng)形式若干臺接收機在一段時間里長期固定在某幾個點上進行長時間的觀測，這些測站稱為基準站，在基準站進行觀測的同時，另外一些接收機則在這些基準站周圍相互之間進行同步觀測。（2）特點所布設(shè)的GPS網(wǎng)，由于在各個基準站之間進行了長時間的觀測，因此，可以獲得較高精度的定位結(jié)果，這些高精度的基線向量可以作為整個GPS網(wǎng)的骨架，具較強的圖形結(jié)構(gòu)。4．同步圖形擴展式（1）布網(wǎng)形式多臺接收機在不同測站上進行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形，在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公共點相連，整個GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。（2）特點具有擴展速度快，圖形強度較高，且作業(yè)方法簡單的優(yōu)點。同步圖形擴展式是布設(shè)GPS網(wǎng)時最常用的一種布網(wǎng)形式。5．單基準站式（1）布網(wǎng)形式又稱作星形網(wǎng)方式，它是以一臺接收機作為基準站，在某個測站上連續(xù)開機觀測，其余的接收機在此基準站觀測期間，在其周圍流動，每到一點就進行觀測，流動的接收機之間一般不要求同步，這樣，流動的接收機每觀測一個時段，就與基準站間測得一條同步觀測基線，所有這樣測得的同步基線就形成了一個以基準站為中心的星形。流動的接收機有時也稱為流動站。（2）特點單基準站式的布網(wǎng)方式的效率很高，但是由于各流動站一般只與基準站之間有同步觀測基線，故圖形強度很弱，為提高圖形強度，一般需要每個測站至少進行兩次觀測。4.2GPS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)誤差會嚴重影響CPS測量的精度，甚至還會引起信號的失鎖。在實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所經(jīng)過的路程長度是不一樣的，兩種路程長度的差值稱為程差或沖離延遲量。

第五章GPS在工程測量中的應(yīng)用實例分析測量工作主要應(yīng)用了GPS兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點的三維坐標；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。建筑工程測量中推廣使用了靜態(tài)功能這一技術(shù)。經(jīng)過多次的復(fù)測驗證，GPS技術(shù)定線測量的精度可以完全滿足公路勘察設(shè)計和公路建設(shè)的精度要求。GPS靜態(tài)測量法就是根據(jù)制定的觀測方案，將三臺GPS接收機安置在待定點上同事接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差計算得到該點的坐標。大地測量法主要采用大地測量儀器如經(jīng)緯儀、全站儀、測距儀等。國道高速連接線控制網(wǎng)采用側(cè)邊網(wǎng)，高程采用測距三角高程，按照觀測技術(shù)要求進行施測。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進行平差計算。某建筑小區(qū)內(nèi)的三座樓由于城市規(guī)劃的需要，要求進行實地的放樣和變形監(jiān)測，以下表5.1是建筑設(shè)計數(shù)據(jù)，實地放樣工作是嚴格按照設(shè)計數(shù)據(jù)完成。變形監(jiān)測部分是其建筑建至地上一層是完成。通過在各個樓角上架設(shè)GPSRTK進行10分的靜態(tài)觀測，得出了新的觀測數(shù)據(jù)，然后進行坐標轉(zhuǎn)換得出了表5.2的測量數(shù)據(jù)。運用全站儀常規(guī)測量方法，在D1已知控制點上架設(shè)全站儀，然后以D2為后視點，通過對每個樓角的進行觀測得出坐標數(shù)據(jù)；然后在D2點上架設(shè)全站儀，以D3點位后視點進行其他觀測角的觀測；最后在D3點上架設(shè)全站儀，以D1為后視點，進行最后觀測；由于三個已知控制點本身存在的誤差及人員觀測的誤差，獲得了表5.4的坐標數(shù)據(jù)。表5.1是某建筑小區(qū)內(nèi)某三座樓的測量數(shù)據(jù)。表5.1某建筑設(shè)計數(shù)據(jù)點號縱坐標X（m）橫坐標Y（m）A117783.03058598.550A217783.03058579.450A317847.43058579.450A417847.43058598.550A517867.04058598.250A617867.04058561.920A717921.44058579.150A817921.44058598.250A917857.02058561.920A1017857.02058536.800A1117921.74058536.800A1217921.74058533.580A1317930.51058533.580A1417930.51058561.920A1517921.74058561.920表5.2某建筑拓普康GPSRTK測量數(shù)據(jù)點號縱坐標X（m）橫坐標Y（m）A117783.03458598.548A217783.03858579.453A317847.42458579.451A417847.43258598.547A517867.03558598.248A617867.04158561.926A717921.43358579.156A817921.44658598.250A917857.02058561.917A1017857.02458536.798A1117921.73958536.805A1217921.74358533.581A1317930.50658533.570A1417930.50158561.917A1517921.72958561.927拓普康GPSRTK數(shù)據(jù)與建筑設(shè)計數(shù)據(jù)相比之差在