GPS控制网设计与数据处理.doc

存档日期： 存档编号： 本科生毕业设计（论文）论 文 题 目：GPS控制网设计与数据处理姓 名： 学 院：测绘学院 专 业：测绘工程 年 级 、 学 号： 指 导 教 师： III摘 要 全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）已使测绘科学发生了巨大的技术变革，并极大推动了空间科学、大气科学、海洋科学、地球科学以及工程技术的发展。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变性监测、资源勘察、地球动力等多种学科。在大地测量方面，利用GPS建立全球大地控制网，建立、改善、加密国家和地区性大地控制网。现在GPS控制网基本取代了三角网、三边网、和导线网等传统控制网。GPS在国民经济建设中必将发挥越来越重大的作用。本文基于对GPS控制网设计与数据处理问题的研究，探讨GPS控制网的技术设计及优化，结合平时的实践实习经验对一定测区进行GPS控制网的设计。然后，进行野外数据采集。最后对野外采集的数据进行处理，得到相关点的坐标。关键词：GPS，控制网，设计，数据处理AbstractGPS (Global Positioning System, referred to as the GPS) surveying and mapping science a great deal of technological change has occurred and has greatly promoted the development of space science, atmospheric science, marine science, earth science, and engineering. GPS all-weather, precision, automation, high effectiveness of significant features, to win the trust of the majority of surveyors, and successfully applied geodesy, engineering surveying, photogrammetry, means of delivery, navigation and control of the crustal movement monitoring, engineering degeneration monitoring, resource surveying, geodynamic, and other disciplines. In geodesy, the establishment of a global geodetic control network using GPS to establish, improve, and encryption of national and regional geodetic control network. GPS control network is now largely replaced the traditional control of the triangulation, triangular nets, and wire net. GPS is bound to play an increasingly important role in national economic construction.Based on the study design and data processing of GPS Control Network, explore the GPS control network design and optimization, combined with the usual practice internship experience in some measure, the design of the GPS control network. Then, the field data collection. Finally, wild-collected data are processed to get the coordinates of relevant points.Key words：GPS, control network, design, data processing目 录摘要（宋体四号加粗）Abstract（Times New Roman四号）1 绪论11.1 GPS概论11.2 GPS的组成 11.3 GPS定位误差分析22 GPS网的技术设计52.1 基本技术依据52.2 GPS控制网设计83 GPS控制测量的作业业观测123.1 GPS外业观测123.2 GPS外业观测数据检核134 GPS测量数据处理144.1 概述144.2 GPS数据处理144.4 Compaa数据处理过程144.4 GPS控制网数据处理报告18江苏师范大学本科生毕业设计 GPS控制网设计与数据处理1 绪 论1.1 GPS概论GPS是全球性的卫星定位和导航系统，能提供连续的 、实时的位置、速度和时间信息。整个系统包括空间卫星、地面监控站和用户接收机三部分。空间部分有24颗卫星，均匀分布在六个倾角为55的近似圆形轨道上，每个轨道有四颗卫星。轨道距地面平均高度约为20200km。卫星绕地球一周需要11小时58分钟。这样，地球上任何地方，任何时刻都能收到至少四颗卫星发射的信号。每颗GPS卫星可连续发送两个L频带的无线电载波：L1=1575.42MHZ,L2=1227.60MHZ。载波上调制了多种信号，用于计算位置，辨别卫星和测量站星距离等。GPS测量有两种基本的观测量：“伪距”和载波相位。接收机利用相关分析原理测定调制码由卫星传播至接收机的时间，再乘上电磁波传播的速度便得到距离，由于所测距离受大气延迟和接收机时钟与卫星时钟不同步的影响，它不是实际距离，故称之为“伪距”。载波相位测量是把接收到的卫星信号和接收机本身的信号混频，从而得到拍频信号，再进行相位差测量，相位测量装置只能测量载波波长的小数部分，因此所测的相位可能看成是波长整数未知（也称整周模糊度）的“伪距”。由于载波的波长短（L1为19.03cm，L2为24.42cm）,所以测量的精度比“伪距”高。GPS定位时，把卫星看成是“飞行”的已知控制点，利用测量的距离进行空间后方交会便得到接收机的位置。卫星的瞬间坐标可以利用卫星的轨道参数计算。GPS定位包括单点定位和相对定位两种方式。单点定位确定点在地心坐标系中的绝对位置。相对定位则利用两台以上的接收机同时观测同一组卫星，然后计算接收机之间的相对位置。定位测量时，许多误差对同时观测的测站有相同的影响。因此在计算时，大部分误差相互抵消，从而大大地提高了相对定位的精度。1.2 GPS的组成GPS包括三部分:空间星座部分、地面监控部分、用户接收设备部分。一、空间星座部分全球定位系统的空间卫星星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫。工作卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55，各轨道平面升交点的赤经相差60，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。轨道平均高度约为202000km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相似，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。二、 地面监控部分GPS工作卫星的地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站设在美国本土科罗拉多。主要任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责 纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。每天注入3次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。5个监测站除了位于主控站和3个注入站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。三、 用户接收设备部分GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。1.3 GPS定位误差分析 GPS定位是通过地面接收机设备接收卫星传送的伪距、载波相位和星历数据来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差来源于GPS卫星、信号的传播过程和接收设备。在高精度的GPS测量中，还应注意到与地球整体运动有关的固体潮汐、负荷潮及相对论效应等影响。因此，GPS定位误差从误差来源讲，一般可分为四类：一、 与卫星有关的误差1、 卫星星历误差根据广播星历或其它轨道信息计算出的卫星位置与卫星实际位置之差称为星历误差。星历误差的大小取决于跟踪系统的质量和星历预报间隔。卫星星历误差对相距不太远的两个测站的定位结果产生变化影响大体相同，各个卫星的星历误差一般看成是相互独立的。2、 卫星钟误差卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但他们也不可避免地存在着误差。这种误差既有系统出差的成分，也有偶然误差的成分。系统误差远大于偶然误差。两个测站对卫星进行同步观测时，卫星钟误差对两侧站的影响大致相同。各卫星钟的误差一般也被看成是相互独立的。3、 相对论效应相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。二、与信号传播有关的误差1、电离层折射卫星信号通过电离层时传播速度会产生变化，致使测量结果产生系统性的偏差，这种现象就是电离层折射。电离层折射的大小取决于观测条件和信号频率。2、对流层折射卫星信号通过对流层时传播速度要发生变化，从而使测量结果产生系统误差。对流层折射产生误差的大小取决于外界条件（气温、气压、湿度等）。3、多路径误差经某些物体表面反射后到达接收机的卫星信号，将和直接来自卫星的信号叠加进入接收机，使测量产生系统误差，这说是所谓的多路径误差。该项误差的大小取决于测站周围环境和接收机天线的性能。三、与接收机有关的误差1、接收机钟的误差与卫星钟一样接收机也有钟误差。由于接收机采用的是精度较低的石英钟，因此接收机的钟差影响更为严重。该项误差的大小主要取决于钟的质量，和使用环境也有一定的关系。同一台接收机对多颗卫星进行同步观测时，接收机钟差对各种相应观测值的影响是相同的，且各接收机和钟差相互独立。2、接收机的位置误差在进行卫星定轨时，接收机天线的相位中心是已知值，它们的误差将定轨的结果产生系统误差。该项误差对伪距测量和载波相位测量的影响相同。四、消除、削弱误差影响的措施和方法上述GPS各项误差对测距的影响可达数十米，甚至上百米，比观测值的随机误差大几个数量级。因此，在基线平差之前，必须消除或大幅度削弱这些误差。主要方法有：1、建立误差改正模型通过对大量观测数据的分析，可以拟合建立误差改正的经验公式，也可以通过对误差机理分析，建立起误差改正的理论公式，在多数情况下是同时采用两种方法建立误差改正的综合公式。2、求差法求差法是利用误差在观测值之间的相关性或在定位中的相关性，适当安排观测纲要和数据处理方法，即通过观测值之间求差来消除或大幅削弱其影响的方法。例如，同一台接收机同步观测两颗卫星，观测值中都包含了共同的接收机钟误差，在卫星间求差即可消除此项误差。同样，两台接收机对一颗卫星进行同步观测，将观测值在接收机间求差即可消除卫星钟的影响。五、选择较好的接收机和较好的观测条件有的误差，如多路径误差，即不能采用求差的方法来解决也无法建立改正模型，削弱它的唯一办法是选用较好的天线，仔细选择测站，远离反射物和干扰源。GPS定位精度取决于两个因素：测量误差和几何图形强度。在GPS定位中常采用几何误差放大因子（RDOP、GDOP等）来表示几何图形强度。GPS定位误差可以用总的等效距离误差0和几何放大因子GDOP的乘积来表示。因此，提高定位精度的途径有两条：一是减少0，二是增强几何强度，减小RDOP和GDOP值。2 GPS网的技术设计2.1基本技术依据GPS测量的技术设计是进行GPS定位的最基本性工作，它是依据国家有关规范（规程）及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的网形、精度及基准等的具体设计。GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。一、GPS测量规范（规程）GB/T18314-2001全球定位系统（GPS）测量规范CJJ 73-97全球定位系统城市测量技术规程CH 1002-95测绘产品检查验收规定CH 1003-95测绘产品质量评定标准CJJ 8-85城市测量规范二、GPS网的精度、密度设计GPS测量精度分级（一）级别主要用途固定误差a(mm)比例误差b(110-6D)AA全球性的地球动力学研究，地壳形变测量和精度定轨30.01A区域性的地球动力学研究和地壳形变测量50.1B局部形变监测和各种精密工程测量81C大、中城市及工程测量基本控制网105D,E中、小城市及测图、物探，建筑施工等控制测量101020GPS测量精度分级（二）等级平均距离（km）a(mm)b(110-6D)最弱边中误差二91021/12万三51051/8万四210101/4.5万一级110101/2万二级终点.时段DX/改正数(m)DY/改正数(m)DZ/改正数(m)距离/改正数(m)中误差/相对误差(m)EPYY-FSXY.15233127.85801416.6834262.63593443.75740.0013-0.00210.00270.0004-0.00071: 2628556EPYY-GJCB.15224222.154755.17302792.87135062.58470.0013-0.0006-0.0009-0.0009-0.00101: 3919733EPYY-GSYY.15221118.0119-823.08021891.41732346.24620.0011-0.00140.00090.00170.00041: 2204602EPYY-JLYY.15233026.1059629.20511225.08153324.76180.00170.0011-0.0027-0.00110.00001: 1932370EPYY-JZXY.15231890.0029120.28151124.51412202.52370.00130.0006-0.0018-0.00050.00011: 1756365EPYY-JZZY.15221832.4443-1220.37382893.25443635.66850.0013-0.0013-0.00010.00190.00091: 2787000EPYY-QCYY.15223047.492125.06332056.28993676.43370.00110.00170.0013-0.00090.00101: 3207450EPYY-XGSY.1523903.8683716.8287-318.48021196.76680.00180.0005-0.0005-0.00060.00021: 648139FSXY-FSYY.1523-767.0151-227.43135.1282800.03960.00120.00030.0003-0.0001-0.00041: 649710FSXY-GSYY.1523-2009.8460-2239.76361628.78153421.83450.00110.00020.00150.0002-0.00101: 3020759FSXY-JLYY.1523-101.7520-787.4784962.44561247.70880.0017-0.00200.00050.00220.00151: 752524FSXY-JZXY.1523-1237.8550-1296.4019861.87821988.91350.00120.0006-0.0008-0.00010.00021: 1616167FSXY-QCYY.1523-80.3659-1391.62011793.65412271.62060.0012-0.0008-0.0006-0.0010-0.00041: 1918065FSXY-XGSY.1523-2223.9897-699.8548-581.11602402.83640.00180.0002-0.0019-0.00120.00061: 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