gps在精密工程测量中的应用

1、GPS在精密工程测量中的应用研究专 业 测绘工程 学 号 151611010020学生姓名 李晓强 完成日期 2016年 1 月 5 日摘要GPS技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS定位技术以其速度快、精度高、全天候，不受通视条件限制、费用少、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网, GPS网可以分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，其主要任务是作为全球高精度坐标框架过全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研

2、究地区性的板块运动，或地壳变形规律问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是为国民建设服务。本文对于GPS在精密工程测量中的应用做了研究。介绍了GPS控制网的施测过程以及进行了简单的误差分析。关键词：GPS； 精密工程测量； 应用研究；误差分析第1章 绪论全球定位系统（GPS，Global Positioning System）是利用卫星导航实时测距和测时构成全球定位系统。它是1973年12月，由美国国防部以及海、路、空三军联合研制的新一代卫星导航系统，主要用于情报收集、核暴监测和应急通讯等

3、一些军事目的。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。GPS RTK技术作为测绘领域内的高科技技术，已经为测绘提供了有力的测量定位手段，特别是GPS RTK测量技术的发展和推广，使得GPS测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段。扩大了GPS测量的应用领域。本题探讨了GPS技术和GPS RTK技术的组

4、成、应用及特点。 载波相位差分技术即RTK技术，它是建立在全球定位系统（GPS）基础之上的实时动态定位技术，常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量、都需要事后进行结算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了技术革新，极大地提高了外业作业效率。第2章 精密工程控制网的技术特点  2.1 高精度特性可以说，精密工程测量在工程测量时的精度能够到毫米级，而且其相对测量也能够达到10Lm。而且，一般在特殊的情况之下，精密工程测量一般是使用先进的仪器和

5、设备进行测量的工作。可以说，高精度是精密工程测量的一个最基本的特点。  2.2 不均匀的起算点分布对于起算数据的误差，精密工程测量对其的要求是最大限度的要小。在选择方案时，一般都是先建立工程的坐标系统。同其他控制网相比，精密工程测量对于原来坐标上的控制点一般都不能把其作为开始计算的点。因而，精密工程测量网的起算点是不均匀分布的。2.3 灵活的起算数据对于国家以及地方的测量控制网来说，通常其布置的区域是比较大的，无论是什么等级的控制点其绝对的定位精度也不能确保精密工程测量的定位能够达到毫米量级的要求。因此，精密工程控制网中没有上下级控制网，其所谓的高精度要求是指项目的相对精度。精密工程

6、测量对于起始数据的要求是基于点位以及相对精度的条件能否满足工程需求的，有着一定的灵活性。第3章GPS应用于精密工程测量中的优缺点3.1 GPS应用于精密工程测量中的优点1、采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强。网形构造简单，点的疏密和边的长短可灵活选取，即使离已知控制点较远也可以连接，并进行控制网的定位和定向。另外，它解决了点位之间无法通视的困难，选点灵活，不需要高标，同时还可以保证外业施测不受天气影响。测设大型(长边)方格网和通视条件特别困难时，尤其能够显示其优越性。尽管GPS本身在进行测量时不受到通视条件的限制，但是，工程测量一般为小范围测量并受到工程成本的限制。因此，在实际的工

7、程测量中，仍然要考虑使用全站仪、经纬仪、水准仪等常用且投入较少的仪器。这些常用的仪器一般都需要点与点之间相互通视，特别是在布设控制网时，点与点不能通视将会给测量工作带来较多的麻烦和困难。特别是大型桥梁控制网中，如果点与点不通视，势必影响网的强度和精度，进而影响到桥梁本身的精度。因此，在工程测量中布设GPS控制网时，必要时应当尽量使较多的点互相通视。2、 GPS方格网点位精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。3、 采用点位中误差作为方格网测量精度指标是可行的，它比用相对中误差表示精度指标更为合理。4、 采用GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高

8、点位趋近速度。网形优化比较方便。5、 采用GPS-RTK测设建筑方格网与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。一个参考站可有多台流动站作业，流动站不需基准站指挥，单人即可独立作业。3.2 GPS应用于精密工程测量中的缺点1、GPS系统精确定位的关键就在于对卫星和接收机之间距离的准确计算，按照固定模式：距离=速度×时间，时间确定之后，速度按电磁波的传播速度定。众所周知电磁波在真空中的传播速度很快，但大气层不是真空状态，信号要受到电离层和对流层的重重干扰。GPS系统只能对此进行平均计算，在某些具体区域肯定存在误差；在大城市或山区由于高层建筑物及树木等对信号

9、的影响，也会导致信号的非直线传播，计算时也会引入一定的误差；2、与常规仪器进行的控制测量一样，使用GPS-RTK技术应首先复核起算基准点的精度，起算点应为高等级的控制点，并且起算基准点和观测点之间具有较好的位置分布。当使用动态GPS-RTK进行观测时，基准站的精度要经过3-5个高等级控制点的连测、复核，确保基准站坐标在各个方位观测情况下具有一致的精度。3、大量的工程实例证明，虽然GPS高程测量能够达到一定的精度，但用GPS施测的市政工程测量控制点，应进一步用常规仪器进行水准联测，保证高程精度满足市政工程建设的需要。4、GPS测量中所选择的控制点位置的差异直接影响到观测点位的精度。由于GPS测量

10、是通过接收卫星发射的信号经过数据处理而得到点位坐标(包括高程)的，任何可能影响信号接收的因素出现干扰时，所测定的点位坐标都可能产生误差。为此，在选择测量点位时应注意以下几点：(1)点位视野开阔，向上15°，视角范围内应尽量避免有障碍物。(2)尽量远离大功率无线电发射源，间距应不小于400m，远离高压输电线路，间距应不小于200m。(3)远离具有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积的水域。5、GPS测量更适用于视野开阔、障碍物较少的新区建设、野外勘探定位等，在老城区的建设中，使用GPS测量，或者接收不到信号，或者虽接收到信号，但一直处于浮动状态，出现假固定或者不能固定，因此所得

11、数据往往误差较大，既无效率，又无精度，不能显示出GPS测量的优越性。6、GPS测量成果与常规测量成果之间，不同型号GPS测量成果之间存在差异，有时相差比较大。GPS网在进行平差计算时，边长一般需要进行两项改正：(1)归算至大地水准面的改正；(2)归算到高斯投影面上的改正。二维联台平差模型不能解决平面位置与高程位置统一的问题，而三维联台平差模型是一个多功能的可实现平差模型转换的高级平差系统，平差得到的结果是点的三维空间位置及其精度，这对于点位及其分量的全面分析和研究是极有利的。但在三维联合平差时，需要地面点有相应精度要求的大地高观测值，这在某些情况下是难以实现的。第4章GPS应用的施测过程以及误

12、差分析4.1.GPS控制网施测过程1、 准备工作（1）对待测区进行勘察，并收集相关资料主要调查当地的控制点分布情况、交通情况、水文分布情况、植被情况、以及当地的风俗民情等。相关资料包括待测区的地形图，各类控制点成果以及与之有关的地质、交通、气象、通信等方面的资料。（2）拟定观测计划观测计划的主要内容包括：设计精度。编制GPS卫星的可见性预报图，选择卫星的几何图形强度。选择最佳的观测时段。根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段，卫星的几何分布越好，定位精度就越高。观测区域的设计与划分。设计基准和控制网，一般采用3台GPS接收机进行观测，网形布设成边连式。设计GPS网与地面的联测方案。尤其对信

13、号接受不好的待测区，应做好联测方案的设计，以保证其精度。编排作业调度表，以保证测量任务按时完成。（3）选择接收机型号并检验一般小于20公里点位情况良好，宜采用单频接收机，反之，选用双频接收机。接收机性能的检验主要有：一般检验，主要检查接收机各部件及其附件是否完好，使用手册等相关资料是否齐全等；通电检验，主要是检验接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况；实测检验，主要检验方法为标准基线检验、已知坐标边长检验、零基线检验、相位中心偏移量检验。2、 外业测量工作（1）合理选点GPS观测点的选取比较灵活，但也要遵循GPS测量的一些原则。每点最好能与其中某一点通视。应选择在上空开阔、视场

14、内周围障碍物的高度角小于14°，以免信号被遮挡或吸收，影响观测质量。要远离大功率无线电发射源和高压电线等，其距离应大于200m，以免电磁场对信号的干扰。避免大面积水域对电磁波反射和吸收。选择交通方便的地方，以有利与其它观测手段联测。（2）埋设标志GPS网点应埋设具有标志的标石，以精确标志点位，点的埋设必须坚固以利于长久保存与利用，并做好记录。（3）外业观测外业观测工作主要包括：安装天线、观测作业和观测记录等。天线利用三脚架安置，天线底板上的圆水准器气泡必须居中，天线的定向标志应指北，三次测量互差小于3mm取平均值。观测作业就是获取所需要的定位信息和观测数据。观测记录由GPS接收机自动

15、进行，观测者应做好记录。在测量的过程中，应严格限制高频及对讲机等无线电波的使用，避免环境对信号的干扰，从而提高GPS本身的定位精度。4.2 GPS在测量中的误差分析及改进措施4.2.1空间卫星误差卫星误差主要有卫星星历误差、卫星钟的误差、卫星轨道误差和卫星设备延迟误差。其中卫星轨道误差主要误差来源之一。改进措施有：忽略轨道误差。此方法不考虑卫星轨道实际存在的误差，用于精度较低工程测量中。模型改正法。利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正。适用于对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式。引进改正参数法。此方法是在处理数据时引进轨道改进参数，采用参数估计的方法，将

16、系统性偏差求定出来。一般情况都适用。同步求差法。通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用于误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。合理选择软硬件及测量地点和方法。4.2.2空间传播误差空间传播误差主要有电离层传播延迟、对流层折射误差、多路径效应误差等。其中多路径效应误差的影响可达到厘米级，是不容忽视的。改进措施有：避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。选择良好的接收机，减少干扰，提高精度。4.2.3 GPS网的多路径效应 GPS卫星信号从高空向地面发射，若接收机天线周围有高大建筑物或水面时，建筑物和水面对电磁波具有强反射作用，天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号(直接波)，还有从反射体反射的电磁波信号(反射波)，这两种信号产生干涉，从而使观测值偏离真实值，GPS定位产生误差，该误差称为多路径效应。多路径效应误差会严重影响CPS测量的精度，甚至还会引起信号的失锁。在实际测量中接收到的信号是直接波和反射波产生干涉后的叠加信号。反射体相对于接收天线的位置而言有垂直面、水平面和斜面三种情况，反射体的物质属性可以是水面、地面(包括山坡)和测站周围的建筑物等。来自卫星的直接信号和经反射体反射后的信号