测量毕业论文gps rtk在公路勘测设计中的应用

1、摘 要本文主要研究了基于谷歌卫星图片选线的GPS RTK在公路勘测设计中的应用，介绍了(GPS)RTK技术在公路工程测量中的应用现状以及GPS系统的产生、组成和主要工作特点；从GPS定位的基本原理出发，分析了GPS定位的误差来源以及对应的处理方法；论述了公路测量中涉及到的时间系统和坐标系统及其坐标转换，以及公路测量中的投影带和投影面的选择问题。本文基于谷歌卫星图片选线的创新，设计了里程K0+000到的三级公路，并结合南方RTK-S82C仪器的使用，研究公路GPS RTK测量基本原理和作业模式的特点以及应用GPS RTK技术进行公路放样，论述了基于谷歌卫星图片选线的RTK测量精度。关键字:GPS

2、 RTK；公路勘测；谷歌地球 ；线路放样 AbstractBasing on Google satellite images line selection, this paper is mainly studying about the GPS RTKs application in the route survey and design, the (GPS)RTK technologys application status in the highway engineering survey, and the generation, compositions and operating fe

3、atures of GPS. Using the basic principles of GPS real-time kinematic positioning, the author analyzes the reasons of GPS positioning errors, and offers some solutions. Whats more, the author also discusses the time system, the coordinate system, and their transformations as well as the problems in s

4、electing projection belt, projection plane in the highway engineering survey.Together with the South RTK-S82C instrument and the Google satellite images line selection , this paper studies the basic principles, operating mode, and the features of GPS RTK, and design the mileage K0 + 000 to the third

5、 class roads K0 + 386.422 ,which are all involved in the survey. In addition, the paper also discusses the measurement precision of RTK（Google satellite images line selection) through using the GPS RTK technology to conduct the highway stake.Key words: GPS RTK, road survey, Google earth, line layout

6、目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc422922103 1 绪论 PAGEREF _Toc422922103 h 1 HYPERLINK l _Toc422922104 1.1 引言 PAGEREF _Toc422922104 h 1 HYPERLINK l _Toc422922105 1.1.1 GPS的发展 PAGEREF _Toc422922105 h 1 HYPERLINK l _Toc422922106 1.1.2 GPS系统的组成 PAGEREF _Toc422922106 h 1 HYPERLINK l _Toc422922107 1.1.3

7、GPS定位的特点 PAGEREF _Toc422922107 h 2 HYPERLINK l _Toc422922108 1.2 研究的背景及意义 PAGEREF _Toc422922108 h 4 HYPERLINK l _Toc422922109 1.3 GPS RTK在公路工程中的应用现状 PAGEREF _Toc422922109 h 5 HYPERLINK l _Toc422922110 2 GPS定位原理 PAGEREF _Toc422922110 h 7 HYPERLINK l _Toc422922111 2.1 GPS定位原理 PAGEREF _Toc422922111 h 7

8、 HYPERLINK l _Toc422922112 基本定位原理 PAGEREF _Toc422922112 h 7 HYPERLINK l _Toc422922113 2.1.2 GPS绝对定位 PAGEREF _Toc422922113 h 7 HYPERLINK l _Toc422922114 相对定位方法 PAGEREF _Toc422922114 h 8 HYPERLINK l _Toc422922115 2.2 GPS定位的主要误差来源和处理方法 PAGEREF _Toc422922115 h 9 HYPERLINK l _Toc422922116 与GPS卫星有关的误差及处理方

9、法 PAGEREF _Toc422922116 h 10 HYPERLINK l _Toc422922117 卫星信号传播的误差及处理方法 PAGEREF _Toc422922117 h 11 HYPERLINK l _Toc422922118 与接收机有关的误差及处理方法 PAGEREF _Toc422922118 h 13 HYPERLINK l _Toc422922119 3. 公路工程中涉及到的坐标系及其转换关系 PAGEREF _Toc422922119 h 15 HYPERLINK l _Toc422922120 3.1 地心地固系 PAGEREF _Toc422922120 h

10、15 HYPERLINK l _Toc422922121 3.2 参心坐标系 PAGEREF _Toc422922121 h 15 HYPERLINK l _Toc422922122 3.3 战心坐标系 PAGEREF _Toc422922122 h 16 HYPERLINK l _Toc422922123 3.4 独立坐标系 PAGEREF _Toc422922123 h 16 HYPERLINK l _Toc422922124 3.5 高斯平面坐标系 PAGEREF _Toc422922124 h 16 HYPERLINK l _Toc422922125 3.6 坐标系的转换关系 PAGE

11、REF _Toc422922125 h 17 HYPERLINK l _Toc422922126 地心地固系与参心坐标系的转换 PAGEREF _Toc422922126 h 17 HYPERLINK l _Toc422922127 地心地固系到站心坐标系的转换 PAGEREF _Toc422922127 h 17 HYPERLINK l _Toc422922128 3.7 GPS数据处理中涉及的时间系统 PAGEREF _Toc422922128 h 18 HYPERLINK l _Toc422922129 3.8 工程测量中投影面投影带的选择 PAGEREF _Toc422922129 h

12、 18 HYPERLINK l _Toc422922130 高斯投影分带 PAGEREF _Toc422922130 h 18 HYPERLINK l _Toc422922131 投影带与投影面的选择 PAGEREF _Toc422922131 h 19 HYPERLINK l _Toc422922132 4. GPS RTK技术原理及运用 PAGEREF _Toc422922132 h 22 HYPERLINK l _Toc422922133 4.1 RTK技术原理及其构成 PAGEREF _Toc422922133 h 22 HYPERLINK l _Toc422922134 4.1.1

13、RTK基本原理 PAGEREF _Toc422922134 h 22 HYPERLINK l _Toc422922135 4.1.2 RTK组成 PAGEREF _Toc422922135 h 22 HYPERLINK l _Toc422922136 4.2 南方GPS接收机（S82C）的作业模式 PAGEREF _Toc422922136 h 23 HYPERLINK l _Toc422922137 架设基准站 PAGEREF _Toc422922137 h 24 HYPERLINK l _Toc422922138 架设移动站 PAGEREF _Toc422922138 h 25 HYPER

14、LINK l _Toc422922139 5. 基于谷歌地球卫星图片的道路勘测设计 PAGEREF _Toc422922139 h 27 HYPERLINK l _Toc422922140 5.1 基于谷歌地球卫星图片的道路选线 PAGEREF _Toc422922140 h 27 HYPERLINK l _Toc422922141 建立控制网 PAGEREF _Toc422922141 h 27 HYPERLINK l _Toc422922142 基于谷歌卫星图片的纬地软件选线 PAGEREF _Toc422922142 h 28 HYPERLINK l _Toc422922143 5.2

15、用南方GPS RTK（S82C）进行道路放样 PAGEREF _Toc422922143 h 30 HYPERLINK l _Toc422922144 道路设计 PAGEREF _Toc422922144 h 31 HYPERLINK l _Toc422922145 求转换参数 PAGEREF _Toc422922145 h 32 HYPERLINK l _Toc422922146 道路放样 PAGEREF _Toc422922146 h 34 HYPERLINK l _Toc422922147 5.3 画纵横断面并计算土方量 PAGEREF _Toc422922147 h 34 HYPERL

16、INK l _Toc422922148 5.4 谷歌地球中全方位查看路线 PAGEREF _Toc422922148 h 38 HYPERLINK l _Toc422922149 5.5 基于谷歌图片的RTK放样精度分析 PAGEREF _Toc422922149 h 40 HYPERLINK l _Toc422922150 全站仪放样的准备 PAGEREF _Toc422922150 h 41 HYPERLINK l _Toc422922151 全站仪放样及中误差计算 PAGEREF _Toc422922151 h 41 HYPERLINK l _Toc422922152 数据分析 PAGE

17、REF _Toc422922152 h 42 HYPERLINK l _Toc422922153 结论 PAGEREF _Toc422922153 h 44 HYPERLINK l _Toc422922154 1.完成的主要工作及成果 PAGEREF _Toc422922154 h 44 HYPERLINK l _Toc422922155 2.展望 PAGEREF _Toc422922155 h 44 HYPERLINK l _Toc422922156 致 谢 PAGEREF _Toc422922156 h 46 HYPERLINK l _Toc422922157 参考文献 PAGEREF _

18、Toc422922157 h 471 绪论1.1 引言 GPS的发展GPS是英文Global Positioning System的简称。在上世纪70年代，GPS的产生顺应是为了美国军事部门对海上、陆地和空中载体的高精度和导航的要求，所以才研制了卫星导航系统GPS。该系统是以卫星信号为基础的导航定位系统，它可以为一般用户提供高精度的时间、速度和坐标，并且是一个具有全能性、全天性、全球性、连续性和实时性的集定位、导航和定时的系统。全球定位系统的迅速发展，让各国的军事和民用部门都看到了它无可限量的前景。GPS定位技术在地壳监测、地球物理、大地测量、资源勘探、工程测量、精密时间比对、遥感、运动目标测

19、速、安全监控等领域,发挥出了巨大的作用和潜力。从GPS卫星发射以来,以GPS系统为对象的应用和研究的实验得到了快速发展。最近，GPS定位技术应用的实验、新领域的探索、软硬件的开发等都有了长足的发展，使GPS定位技术进入了一个新的发展纪元。GPS的实时性和高精度以及未来憧憬的空间，为公路勘测设计测量带来了巨大的改革，同时也对测绘行业的各方面都有了深远的影响。在1992年，随着天宝公司第一次开发出实时动态测量（RTK）技术，测绘行业进入了一个实时进行放样、数据采集、地形测量和竣工测量的时代。 GPS系统的组成空间部分、地面监控部分以及用户设备部分共同组成了强大的GPS系统，：图 GPS系统图星座部

20、分空间卫星星座由21颗常用卫星和3课备用卫星组成，总计24课在轨飞行卫星。这24颗卫星以每个轨道4颗卫星的布局分布在6个轨道飞行，轨道平均高度20200km。形成了一个覆盖全球的GPS卫星空间星座，地面观测者可以至少接收到到4颗以上卫星信号，同时观测到的卫星信号不受地点和天气的影响。2地面监控部分5个监测站，3个注入站和1个主控站组成了地面监控部分。在GPS卫星导航定位中，地面监控部分是通过主控站将全球定位系统的时间基准，根据监测站计算的卫星星历、导航电文、钟差等传送到注入站，由注入站输送到相应卫星的储存系统；而监测站是一个数据采集中心，通过计算机将数据处理后传输到主控站。3.用户设备部分用户

21、设备部分就是GPS接收设备，也是实现GPS导航定位的终端。用户设备由GPS接收机软件和硬件构成：硬件是用来接收卫星信号并得到定位观测量，再通过数据处理获得导航定位；软件是将接收的卫星信号进行精处理，实现精确定位和准确导航。 GPS定位的特点1.GPS相对于常规测量技术的特点：(1)测站之间无需通视。无法通视以及难以保持控制网的结构一直以来是经典测量技术的一大难题，而无需通视这一优点在很大程度上减少了作业的时间和经费，也使测量工作者在点位选择上有更大的选择余地。但必须要保证观测视野内没有遮挡物，以免卫星信号收到干扰。 (2)定位精度高。一般双频 GPS 接收机基线解精度为 5mm+1ppm，而测

22、距仪标称精度为5mm+5ppm，GPS 测量精度与测距仪精度相差不大，但随着测量距离的增加，GPS 测量的优越性愈加突出。(3)观测时间短。用快速静态定位方法，观测短于20km的基线只需5分钟，如果采用RTK定位，几秒钟就可以获得厘米级精度的观测量。(4)提供三维坐标。在GPS测量中可以同时获得点位的平面坐标和大地高程坐标，用于多元的测量应用中。(5)操作简便。随着时代的发展，GPS测量的自动化程度越来越高，很多工作都由机器自己完成，包括卫星的捕获和跟踪、数据的记录和粗处理，很大程度上解放了测量员的工作，使测量工作更高效。(6)全天候作业。GPS的测量工作一般不受地点和时间的制约，可以在任何天

23、气状况下进行GPS测量工作。2.GPS相对于其他导航定位系统的特点：（1）多功能。GPS系统能进行常规的测量工作、导航定位功能之外，也可以进行高精度的测时、测速以及授时，而且随着未来科技的发展，GPS功能的应用会更加广泛。（2）高精度定位。GPS能够提供高精度的三维速度、三维坐标和时间信息，其精度如表1-1所示。并且未来定位精度随着定位技术和数据处理的发展，将会进一步提高。表1.1 GPS实时定位、测速与测时精度采用的测距码P码C/A码单点定位/m5-1020-40差分定位/m13-5测速/(m/s)测时/ns100500（3）实时定位。用GPS系统导航可以实时获取运动载体的三维坐标和速度。而

24、且这个功能对军事行动实时导航具有更不一样的意义，对国家和人民也有不同的意义。1.2 研究的背景及意义20世纪80年代后期我国高等级公路开始建设，在至今20多年的发展历程中，各个国内高校、科研设计单位等创造设计了很多公路勘测设计技术的科研成果，并被广泛应用到实践中创造价值，也促进了我国公路勘测设计技术的快速发展。现在，主要为公路勘测设计服务的有遥感航空摄影、GPS、GIS和计算机系统等先进科学技术和这些技术的集成应用，但是我国低集成化和低系统化的公路勘测设计技术与国际有一定的差距。我国公路勘测技术存在的问题：（1）数据采集单一，不能很好的利用现代集成技术进行数据综合采集。虽然我国各个设计院和施工

25、单位部分采用航测法，但都是测绘大比例尺地形图，没有直接从航片采集有效数据，并结合GPS数据采集与地面模型及CAD系统，进行公路勘测选线设计，没有把他的潜能完全开发出来，也无法帮助我们更高效快捷的获取更多的数据。还有用遥感手段对地质进行判释等方法,虽然已在实际工程中应用,但还没有得到大范围推广。（2）数字地面模型的应用还不普及,CAD系统缺乏功能强大的数模的技术支撑。（3）各个环节无法形成系统化，设计、放样、施工等缺乏配合，数据不能有效的利用，造成数据的反复和低效率，浪费了大量的时间和金钱。由于RTK测量有着不需要点位通视、不受天气影响、能实时动态获得三维坐标的先天性优势,所以RTK技术的出现,

26、无疑是测绘行业的一次颠覆性的创造。尤其是GPS RTK技术在公路勘测设计测量中的引用，使公路工程测量真正实现了单一作业的测量模式，大大的提高了测量工作效率。由于RTK技术采用了载波相位动态实时差分的方法,所以能够在任何地方为用户提供实时动态的三维坐标,并达到厘米级的精度,在正常情况测量一个点的三维坐标只要几秒钟即可。RTK技术是GPS测量应用的重大突破,现在随着科技的高速发展，RTK技术在更多的测量工作中得到更高效的应用。那么把GPS RTK技术引入到公路勘测设计应用中来就有很重要的实践意义和研究效果。同时随着亚洲基础建设银行（亚投行）的应势成立，也预示着亚洲发展中国家的公路、铁路等基础设施的

27、建设有很大的发展空间，而应用GPS RTK的高精度、实时化、无需通视和受自然条件影响小的优点，以及基于谷歌卫星图片选线的创新，可以很大程度的提高公路建设的进程，加快实现发展中国家的现代化进程。 GPS RTK在公路工程中的应用现状随着我国经济的持续快速发展，我过的公路建设事业迎来了一个有一个“春天”，同时也对公路勘测设计测量工作提出了更高的要求和更高的强度。虽然现在普遍采用高精度的最新仪器，但是由于受到点位通视和测量条件制约的常规测量方法，因为工作强度高，作业效率低下而渐渐被退出第一选择，取而代之的是精度更高并有着得天独厚的先天优势的GPS RTK技术。目前,用GPS静态测量方法建立线路沿线控

28、制网,用RTK技术为勘测阶段测绘路线带状地形图,为路线平面、纵面的测量提供前期准备;在施工阶段用GPS技术为桥梁、隧道建立施工控制网。这些只是GPS在公路工程测量工作中实践应用的初级阶段,真正的公路工程测量的未来的潜力在RTK技术的应用之中,RTK技术未来在公路工程中的应用有着巨大的空间。GPS RTK技术在公路工程测量中的应用现状：（1)绘制大比例尺地形。高速和一二等级公路选线是在大比例尺(11 000或12 000)带状地形图上进行。用GPS RTK技术测绘带状地形图完全可以避免常规测量中强度大、速度慢、效率低的缺点。只需移动站在每个测量碎部点上停留一分钟，就可以获取每个碎部点的三维坐标，

29、同时根据手动录入的碎部点的编码和特征属性，可以用成图软件快速形成带状地形图。（2)道路中线放样。设计人员在带状地形图上选完线后，需要采用RTK放样技术将每个中桩点位在实地中放出来并打桩标记。在进行中线放样时，只需在RTK手簿上根据提示输入交点坐标和曲线要素，则手簿自动算出各个里程桩的坐标，并指示测量人员进行放样中桩点位。（3)道路的横、纵断面放样以及土石方量计算。纵断放样时,在手簿中导入每个中桩点位的坐标，然后保存，则随时可以到现场去进行放样测量;横断放样时,先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖),然后把横断面设计数据输入到电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高),生成

30、一个施工测设放样点文件,储存起来,并随时可以到现场放样测设。同时软件可以利用“断面法”进行土方量计算。（4)GPS首级控制网加密。由于首级控制网的精度要求特别高，所以一般采用GPS静态测量建立首级控制网，但首级控制网加密精度没有首级控制网的精度高，则用GPS RTK技术更为方便，在保证精度要求的同时也提高了作业效率。GPS动态测量。(5)施工测量。GPS RTK技术在施工过程中可以对点、线、面和坡度的放样中以厘米级的精度进行。2 GPS定位原理2.1 GPS定位原理2基本定位原理GPS定位是以GPS卫星和用户接收机直接的距离为观测量，然后通过解算的卫星瞬时坐标来获得用户接收机所对应的点的三维坐

31、标，本质即空间距离后方交会。在GPS定位时，采用时间差测距原理，即通过测控卫星信号传播的时间差乘以速度获得观测站至卫星的距离。但由于距离会受到卫星钟和接收机钟不同步的时间差影响，测量卫星到观测站的距离称为伪距测量。卫星钟误差可以由卫星导航电文提供的相应的参数来修正，但是接收机误差是难以预先确定的，那么在一个测站上可以将接收机误差作为一个未知量参数与测站坐标一起求解。因此在一个测站上至少需要求解四个未知量，那么相应的就要至少同步观测到四颗卫星才可以求解四个未知量，从而求解点位坐标。GPS定位方法根据接收机收到的卫星信号的不同，有载波相位法定位、伪距法定位两种。相对于伪距法测量，载波相位测量精度更

32、高，所以在公路测量中一般采用高精度的载波相位观测值。根据测站点上的接收机与地球的运动状态，分为静态定位和动态定位。静态定位虽然观测时间长，但具有精度高、可靠性强的优点，常用来精密测量；动态定位中，定位精度没有静态定位的高，但具有快、实时、用户多样等优点。2 GPS绝对定位GPS绝对定位又被称单点定位，是以地球质心为原点,确定接收机天线对应的点在WGS84坐标系中的大地坐标，如图2.1所示。根据接收机的运动状态，可以将绝对定位分为静态绝对定位和动态绝对定位。静态绝对定位就是使GPS接收机处于静止状态时获得测站的绝对坐标，这种测量方法可以获得多余的测站至卫星的伪距，为后期通过数据处理获取高精度坐标

33、提供了条件。这种方法主要用于大地测量；动态绝对定位就是使接收机处于动态时获得的绝对坐标，这种方法只能获得唯一的实时解，这种方法被广泛的用于飞机、船舶、车辆等的导航中。静态绝对定位和动态绝对定位统称为伪距法定位。图2.1 GPS绝对定位(单点定位)2相对定位方法目前GPS测量定位精度最高的就应该是相对定位法。它的原理是用两台GPS接收机测一条基线的两个端点，在保持静止的前提下同步观测至少四颗相同卫星，然后获得基线两个端点的大地坐标，如图2.2所示：图2.2 相对定位相对定位分为静态相对定位和动态相对定位。（1)静态相对定位采用测量精度高于伪距测量的载波相位观测值为观测量，可以有效的削弱信号传播误

34、差、卫星星历误差和接收机钟误不同步误差。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位需要较长的观测时间(例如1-3小时)。（2）动态相对定位（差分GPS定位）是用两台GPS接受机，其中一台接收机假设在基准站上，另一台接收机架设在移动站上，然后两台接收机同步观测相同的卫星，并在两个观测值直接求差，消除观测值的相关性误差，获得高精度的坐标，实现准确定位，但由于在定位中受到来自卫星星历误差、钟差以及信号传播误差的干扰，实际定位的精度不是很高。动态相对定位方法根据观测量的不同，可以划分为以测码伪距为观测量和以测相伪距为观测量的动态相对定位方法。实时动态相对定位（差分GP

35、S）可以有效的减弱钟差、卫星轨道误差、大气折射及SA政策的影响，所以它的定位精度比测码伪距动态相对定位进度高；测相伪距动态相对定位法（RTK）是通过解算或初始化相位整周未知数，从而获得高精度观测值的动态相对定位方法，同时在小范围内(20km)获得了广泛的应用，精度可达1-2cm。如图2.3所示：图2.3 GPS动态相对定位原理2.2 GPS定位的主要误差来源和处理方法GPS定位的主要误差有：与卫星有关的误差、卫星信号传播的误差以及接收机的误差。2与GPS卫星有关的误差及处理方法与GPS卫星有关的误差主要包括：卫星星历误差、卫星钟误差。1.GPS卫星星历误差GPS卫星星历误差指的是通过卫星星历推

36、算的卫星空间位置和实际的卫星空间位置的偏距。在GPS定位中，可通过卫星星历提供的数据外推出卫星坐标，从而结算出测站点坐标。但卫星在轨道上飞行时要受到不同摄动力的干扰，仅靠地面监测站得到的数据很难准确的推算星历预报，因此在如何处理这样的误差就变得比较困难。在单点定位中，广播星历的误差可以达到几十米；但在相对定位中，由于两个相邻测站受卫星星历误差的干扰有很大的相关性，可以通过观测量求差来消弱星历误差的影响。假设卫星距观测站的距离最长约为25000km，基线容许误差为1cm，则不同的基线容许的星历误差如表2.1所示：表2.1 星历误差基线（km）基线相对精度容许轨道误差1051100.0由上表可知，

37、在相对定位中，卫星容许轨道误差会随着基线的增长而变小，即卫星容许轨道误差将会成为制约测量精度的主要因素。在GPS定位中，处理卫星星历误差的方法主要有三类：（1）建立独立的卫星跟踪网方便精密测轨。这可以在非常时期不受美国政府的人为干扰，同时可以向用户提供精密的卫星星历预报。 （2）采用轨道改进法。这一方法地基本思想是，在数据平差中假设轨道参偏差改正数为待估量，并与其他未知量一起求解。（3）相对定位差分技术。根据相距不太远（20km内）的两个测站收到星历误差的影响具有很强的相关性，可以通过求差消弱卫星星历误差，目前这种方法别广泛应用。2卫星钟差由于卫星位置的确定是需要卫星和观测站在同一个时间基准上

38、，所以一切GPS测量都是以精密测时为基础的。当精密测定了卫星信号传播的时间差，则就可以通过计算得出卫星到观测站间的距离。在GPS定位中，卫星钟和接收机钟保持严格同步是测码相位观测和载波相位观测的时间依据，但是GPS卫星上的高精度原子钟的时间与标准的GPS时间有着偏差（在1ms以内），由此引起的等效距离误差达到300m。卫星的这种偏差可以用二阶多项式表示：tj=a0其中，t0e为参考历元；a0为卫星钟的钟差； a2以上这些偏差值是通过控制中心连续跟踪卫星推算出来，并通过导航电文发送给用户，用户经过改正可使同步差缩小在20ns以内，引起的等效距离小于6m，同时残余误差可通过求差分消除。2卫星信号传

39、播的误差及处理方法卫星信号传播的误差主要包括：大气折射误差、多路径效应。1.大气折射误差GPS卫星发射的信号到达地面观测站，要穿过性质和状态都不相同，且不稳定的大气层，但是相对穿过真空来说，大气层中的这些因素将导致卫星信号的方向、速度等发生变化，这中现象被称为大气折射。根据卫星信号传播的影响，可以将大气层分为电离层和对流层。（1）电离层折射的误差电离层分布在距地面高度50-1000km的上空中。电离层中的大量的正离子和自由电子是气体分子受到各种天体的辐射而电离得来的。当卫星信号穿过电离层时，由于受到大量正离子和自有电子的干扰，信号的传播速度和方向都将发生变化，导致信号的传播时间和真空中光速的乘

40、积与实际接收机与测站的距离有偏差，把偏差称为电离层折射误差。为了减弱电离层的影响，在GPS定位中常采用以下措施:1）.利用双频观测不同的信号频率受到电离层干扰的程度不一样，因此可以根据观测信号频率的不同来确定影响的大小，从而实现对观测量的改正，消弱电离层传播误差。2).利用电离层改正模型GPS单频接收机可以通过采用导航电文所提供的电离层模型来减弱影响，从而达到更高精度的测量。从大量实践得知，在任何情况下改正模型的精度都高于2mm。实践表明，采用电离层改正模型可以消除75%的影响。3).差分技术由于当两个测站相距不是太远（例如小于20km）时，接收到的卫星信号经过的大气路况相似，因此可以通过对两

41、个观测站上的观测值求差来显著消弱电离层折射的影响，其残差不会超过1ppm.D。因此对于短距离的相对定位测量中，用单频接收机有很高的精度。（2）对流层折射的误差对流层是距地面50km的大气层，密度更大并有着更为复杂的大气状态。对流层的温度随着地面辐射能的影响而变化，当GPS信号穿过对流层时，路径发生歪曲，从而使测量距离有了偏差，这种偏差称为对流层折射误差。对流层对信号80%的影响由大气中被称为干分量的气体造成，20%的影响由称为湿分量的气体造成的。虽然湿分量的影响不大，但湿分量的误差是无法精确测定。 对流层折射误差的处理方法有以下几种： 1).在对精度要求不高的测量中，可以忽略这种误差; 2).

42、采用对流层模型加以改正; 3).引入叙述对流层影响的待估参数，在数据处理中一并起求解; 4).利用同步观测求差。当两观测站的距离小于20km时，由于接收到的信号的经过的大气路况很相似，可以通过对两个观测值求差的方法来消弱误差。2.多路径效应GPS信号除了被接收机直接接受的一部分外，还有一部分经过接收机周围建筑物、水面等的反射被GPS接收机收到，两种信号的相交使观测值偏离真值，从而产生误差，称为多路径效应误差。多路径效应的影响很难控制，因为它会随着周围反射物的反射情况而变化。而多路径效应也成了GPS测量中的主要误差来源，在很大程度的破坏GPS测量精度，还会引起信号失锁和载波相位观测量发生周跳。

43、目前避免多路径效应的措施： 1).在安装接受机天线时应该避开强反射面，如水面、高大的建筑物表面等； 2).采用屏蔽良好的天线; 3).可以通过更长时间的测量，来削弱多路径效应产生的周期性影响;2与接收机有关的误差及处理方法这类误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线中心位置误差和载波相位观测的整周不稳定性误差。1.观测误差观测误差除了天线安置误差，还有信号分辨误差。由实践得知，分辨误差一般为信号波长的1%，由此可知码信号和载波信号的观测误差如表所示，由于观测误差属于偶然误差，所以可以通过增加观察时间来减弱误差影响。表2.2 观测误差信号波长观察误差P码C/A码载波L1载波L2接收机天线相位中心安

44、置误差，主要包括天线的对中、置平和量取天线高误差。在精密测量中，要通过仔细认真操作来减弱这种误差，在变形监测中，可通过强制对中来减弱这种误差。2.接收机钟差与卫星钟不同的是，接收机钟一般用稳定度低的石英钟，精度更低，其与卫星钟的同步差为1us，则等效的距离差为300m，误差太大。接收机钟差的减弱方法：把每个测站的接收机钟差作为和观测站的位置未知量一样的未知数，并通过数据处理一并求解。可以通过平差处理求解以接收机种差表示的时间多项式的系数来减弱误差影响。可以通过在卫星间求差的方法来减弱接收机钟差。在精度要求高的测量中，可以为接收机在外面安装一个原子钟。3.载波相位观测的整周未知数在载波相位观测中

45、，接收机只能测得载波相位不是整周的小数部分，以及从一个起始历元至观测历元载波相位变化的整周数，但是没有办法直接测得载波相位起始历元在传播过程中变化的整周数。因为载波相位观测值有着整周未知数的误差影响，这也成了载波相位观测的最大一个遗憾。同时，在载波相位观测中还会产生整周跳变。当GPS接收机在锁定卫星信号后，接收机会计数，但如果在计数过程中，卫星信号被影响或者阻挡，那么卫星信号会失锁，导致整周数不连续，这叫做整周变跳或者周跳。在GPS测量中，周跳和整周未知数都成了精密测量难以越过的难关。4.天线的相位中心位置偏差在你GPS定位中，不管哪种测量方法，都测得是接收机天线的相位中心的位置坐标，而GPS

46、接收机的相位中心和几何中心在原理上是同一点，但是实际中天线的相位中心会随着信号的强度和方向而发生偏移，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称视相位中心)，与理论上的相位中心位置将有偏差。这种偏差也会随着天线性能的变化而变化，达到数毫米至数厘米，这种偏差对于精密定位来说，还是无法接受的。在实践中，在两个或多个距离不远的测站上，通过使用相同类型的天线同步观测一组卫星，便可由观测值的求差方法来消弱相位中心的偏差。不过，天线应根据附带的方位标进行指向磁北极的方向安置，同时偏差保持在3-5以内。3. 公路工程中涉及到的坐标系及其转换关系在公路工程测量中常涉及以下几个坐标系：地心地固坐标系、地球参心坐标系、站

47、心坐标系、独立坐标系和高斯平面坐标系。3.1 地心地固系该坐标系原点在地心,Z轴指向国际习用原点COI,X轴指向格林尼治子午线与对应CIO的平赤道的交点,是右手系。GPS定位的测量结果是在地心地固坐标系中表现的。地心地固坐标系除了地球空间直角坐标系的形式外，还用大地坐标系表示。空间直角坐标系与大地坐标系的转换关系为： XY式中： N=aW W=(1-e E2=B,L,H为对应参考椭球的纬度、经度和大地高。在GPS测量中通常参考WGS84椭球，半长轴为6378137米，扁率为0 .0033528106647。3.2 参心坐标系参心坐标系是选择一个参考椭球面作为参考面，选择一个参考点作为大地原点，

48、利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置，且该参考椭球体的中心一般不会与地球的质心重合，我们把这种原点与地球质心不重合的坐标称为地球参心坐标系。我国的北京54坐标系和西安80坐标系都属于参心坐标系。参心坐标系有两种表现形式：参心空间直角坐标系（X,Y,Z）、参心大地坐标系(B,L,H)。3.3 战心坐标系在GPS测量工作中，把以测站点作为原点的坐标系称为战心坐标系，一般分为战心直角坐标系和战心极坐标系。站心地平直角坐标系是以测站的椭球的法线方向为Z轴,以测站大地子午线北端与大地地平面的交线为X轴,大地平行圈(东方向)与大地地平面的交线为Y轴,大地地平面的交线为Y轴,构成左手坐标系

49、。站心极坐标系以测站的铅垂线为依据，并用测站到i点的距离D，大地方位角A和天顶距Z来表现i点的位置。3.4 独立坐标系 在许多城市工程测量中，出于限制变形过大、实用和快捷的目的，一般会建立适应本地区的地方独立坐标系。建立独立坐标系的重点是以一些已知的因素来确定独立坐标系的参考椭球和投影面。地方参考椭球一般会选择与当地平均高程对应的参考椭球面，但参考椭球的中心、扁率及轴向和国家参考椭球保持一样，椭球半径增大为式(3.2)。 a1 a确定投影面，一般选取穿过测区中心的经线或者某一个已知点的经线作为中央子午线，假设某一个点和和某一个方位来作为原点和方位角，而投影面则为平均高程面。 高斯平面坐标系在G

50、PS工程测量中，需要将椭球面上的点的大地坐标根据一定的准则投影到平面上，以平面的直角坐标表示，目前，世界各国采用的高斯投影具有以下特征：从椭球面上任一角度投影，投影到平面上的角度保持不变。中央子午线为投影后坐标系的纵坐标轴。高斯投影的中央子午线长度变形m=1.椭球面往高斯面投影的数学模型如式（3.3）：x=X+ 1 Y=N 1120式中:B为大地纬度;l=L-L。,L为大地经度,L。为轴子午线大地经度;N为投影点的卯酉圈曲率半径，t=tanB ;n=e3.6 坐标系的转换关系地心地固系与参心坐标系的转换目前，在用GPS公路工程测量中得到的坐标的坐标系是WGS84坐标系，但我国大地测量的控制点的

51、坐标的坐标系是北京54坐标系或者80坐标系。而WGS84坐标系属于地心地固坐标系，54坐标或80坐标属于参心坐标系。根据不同的精度要求，地心地固系与参心坐标系的转换方法可以有多中选择，下面介绍七参数转换模型：设(X,Y,Z)TT是参心直角坐标向量，(X,Y,Z)CTST为地心空间直角坐标向量， XY或 XY地心地固系到站心坐标系的转换地心地固系到站心坐标系的转换在涉及到卫星方位角和高度角的计算中会采用，他们的转换可通过两个旋转转换和三个平移转换完成：xy3.7 GPS数据处理中涉及的时间系统获得高精度的时间信息在GPS精密测量与导航定位中具有很重要的作用。但是由于GPS卫星的位置是随着时间不断

52、变化的，如果要求卫星位置误差小于1cm 时，那么相应的时刻误差要小于2.610-6s,同时测站至卫星的几何距离要在GPS公路工程测量数据处理中，主要有协调世界时UTC和GPS时GPST两种时间系统。协调世界时是一种在时刻上与世界时相差很小的以原子时秒长为依据的时间系统，在1972年被采用。国际原子时TAI是一种以秒为基础的时间系统。UTC每秒的长度与国际原子秒相等，每天仍按86400秒计，同时通过跳变的方法来解决UTC与TAI的差异。GPS时GPST是由GPS主控站的原子钟控制的一种为精密导航和高精度测量服务的专用时间系统。GPST与TAI的差值为常数：GPST=TAI-19s 三种时间系统的

53、关系3.8 工程测量中投影面投影带的选择目前，我国在工程测量中和很多国家一样选择高斯投影方式来投影，主要是将大地坐标、方位和长度等用高斯投影的方式投影到平面直角坐标系中。为了保证在投影过程中投影的变形和误差最小，如何选择高斯投影面和投影带的问题就变得尤为突出。高斯投影分带假定将一个椭圆柱横切于椭球面，并把切于椭圆柱的经线称为这个投影带的中央子午线，然后再把中央子午线两边的地区以特定的经线差来投影于椭球柱上，再把椭球柱展开即为高斯投影面。高斯投影为了限制长度变形将地球椭圆面按一定经度差划分为不同的投影带，一般将椭球面按3度和6度划分为经度差相等的投影带带。如图3.2所示：图3.2 高斯投影投影带

54、与投影面的选择1.投影变形的概念在高斯投影中，变形最大的就是长度变形，而投影面和投影带的不同选择就是为了控制高斯投影的长度变形，而长度变形主要来自两个方面：（1）在实地测量的边长归算到参考椭球体面上的偏差变形，归算边的相对变形误差可以通过式（3.7）计算：S式中,Hms为归算边的长度 ；R为归算边的参考椭球的曲率半径。由公式可以看出：S1的值总为负，表示地面测量的边长长度归算到参考椭球体面上时是缩短的；S1值与（2）将参考椭球体面上边长归算到高斯投影面上的偏差变形，其归算边的相对变形误差可以通过式（3.8）计算，S由公式可以看出：S2 的值总为正，即椭球面上边长长度归算至高斯面上时是增大的，S

55、2.工程测量中投影面和投影带选择的出发点(1)在满足测量精度要求的基础上，为了保证测量结果的多用途，普遍采用国家统一的30带高斯直角坐标系(2)在经过两次归算的投影改正不能满足要求是，为了直接利用和计算测量成果，可以采用任意带的独立高斯直角坐标系，自有选择参考面。为此可用以下手段实现：（a）通过变化平均高程来选择更为合适的高程参考面，从而补偿分带投影变形；（b）通过对中央子午线的移动，来补偿高程面上的边长长度归算到参考椭球面上的投影变形；(c)通过将平均高程面和中央子午线都改变，来补偿两项归算带来的误差影响。3.常用的几种平面直角坐标系（1）国家30在地面的平均高程不是很大和中央子午线不远的地

56、区，可以忽略投影变形。因为在被测区域的平均高程小于100m，同时 ym值小于40km时，投影变形的误差S1和S（2）抵偿投影面的30虽然这种平面直角坐标系依然是30带高斯投影平面直角坐标系，但是它的作用是为了补偿高斯投影变形而重新选择参考面。在重新选择的参考面上进行高斯投影，长度变形为可以为在第一种坐标系中的变形为 s但s超过精度要求时，可令s=0，即 sy在ymH=y即可重新选择参考面。（3）任意带高斯正形投影平面直角坐标系在这个坐标系中，投影带中央子午线的选择的依据是为了更好的补偿高程面归算长度变形，可以使Hm不变，得到y=（4）具有高程抵偿面的任意带高斯投影平面直角坐标系在这个坐标系中，

57、中央子午线在测区的中央的经线，椭球参考面为测区的平均高程面。所以，这个坐标系更好的完成了对两种变形误差的补偿。（5） 假定平面直角坐标系假定平面坐标系的建立是在被测区域的面积小于100km2，这是因为此时可以对方向和距离不进行改正，可以直接把测区的地球表面直接作为平面。对于这种坐标系，4.工程投影带和投影面的选择（1）当边长长度的变形误差值小于/km时,可以采用高斯投影30带的平面直角坐标系统。（2）当边长长度变形误差值大于/km 时，可采用：302.高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统，投影面可用黄海平均海水面或测区平均高程面。3面积小于25km2的城镇,可不经投影采用假定平面直角坐标系统在

58、平面上直接进行计算。4. GPS RTK技术原理及运用 RTK技术原理及其构成.1 RTK基本原理RTK测量技术：是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS (RTK)技术。RTK的工作原理把一台接收机假设在基准站上，然后在移动的载体上假设接收机作为移动站，然后同时开始接受相同卫星发射的信号，基准站实时地将所测得的载波相位观测量和推算的基准站的坐标用无线电发射的方式传输到移动站，而移动站通过接收来自基准站发射的信号，对载波相位观测量进行实时差分处理，从而得到基准站与移动站的基线向量，再通过接收到的基准站的坐标解算出移动站的WGS84坐标，然后通过设置好的转换参数得到移动站的平面三维坐标（x,y,

59、h）。如图所示: RTK 工作原理4.1.2 RTK组成RTK测量系统组成包括：一个基准站、若干个流动站、通信传输系统和软硬件组成，如图所示电源GPS接收机控制器无线电接收系统GPS接收机电源无线电接收系统控制器GPS天线GPS天线基准站电源GPS接收机控制器无线电接收系统GPS接收机电源无线电接收系统控制器GPS天线GPS天线基准站流动站图4.2 RTK组成GPS接收机GPS接收机要分别架设在基准站和移动站上，一般架设双频GPS接收机，因为双频观测值在高精度的前提下能够快速准确的解算整周未知数。2.无线电数据链数据传输设备也称数据链，由基准站的发射台（一般为外置独立电台）与移动站的接收机（一

60、般为内置电台）通过无线电发射传输数据，由基准站与移动站的距离、环境、数据传输速度来决定频率和功率的选择。3.测量控制器测量控制器即电子手薄，实在RTK作业工程中，为了更便于建立新项目和坐标系统，设置测量参数以及存储方式和精度要求，指导放样时可视化等，一般采用测量控制器。4.软件系统在RTK测量外业工作中在电子手薄中有数据采集和处理软件，在内业处理中有专业的计算机后处理软件。4.2 南方GPS接收机（S82C）的作业模式S82C的主要技术参数为:独立24通道,Ll/LZ双频跟踪信号,静态测量模式的平面精度5mm+lppm,高程精度为10mm+2ppm,静态作用距离为8Okm,静态内存32M;RT