GPS在矿山测量中的应用-毕业设计

word文档可自由复制编辑摘要GPS卫星定位技术的发展导致了测绘行业一场深刻的技术革命。GPS测量在大范围高精度控制网、城市控制网、工程控制网的建立中起到了越来越重要的作用,已逐渐取代了传统的三角测量和导线测量建立控制网的方法,尤其在河道测图、管线测量、隧道贯通测量及山区矿区测绘方面应用广泛。由于受地形限制,上述情况的测量控制网大多以非常规形式布设,并且很多穿过山林,附近已知点很少,给网形布设,误差控制和测区作业带来很大问题,因此如何提高成果精度和经济效益就成为人们关注的焦点。本文结合矿区GPS控制网测量工程项目，阐述了GPS控制测量在复杂地形中的应用，主要从以下几个方面来阐述：(1)结合工程实例，阐述GPS控制测量的作业流程。（2）分析测量数据的内业处理方法（中海达GPS所配备的处理软件—HDS2003数据处理软件包），通过总结经验和技巧来提高解算质量。（3）对项目控制网的精度进行分析，从不同角度分析了控制网的可靠性。关键词：GPS矿山地形测量精度分析AbstractGPSsatellitepositioningtechnologyledtothedevelopmentofSurveyingandmappingindustryaprofoundrevolution.GPSmeasurementinlargerangeandhighaccuracycontrolnetwork,citycontrolnetwork,establishmentofengineeringcontrollingnetworkplaysanincreasinglyimportantrole,hasgraduallyreplacedthetraditionaltriangulationandestablishmentofcontrolnetworkwiremeasurementmethod,especiallyinthechannelmapping,surveying,break-throughsurveyoftunnelsandmountainminesurveyingandmappingapplicationsextensive.Duetorestrictionsoftheterrain,thesituationofsurveyingcontrolnetworkofmostlyunconventionalformlayout,andmanyacrossthemountains,nearthelittleknown,tonetshapedesign,errorcontrolandthetestareajobbringsverybigquestion,sohowtoimprovetheaccuracyoftheresultsandeconomicbenefitshavebecomethefocusofattention.ThiscombinationofmineGPScontrolnetsurveyproject,elaboratedtheGPScontrolmeasurementincomplexterrainapplication,mainlyfromthefollowingaspectstoillustrate:(1)incombinationwiththeprojectexample,explainedGPScontrolofmeasurementprocesses.(2)theanalysisofmeasureddatawithintheindustryprocessingmethod(HaidaGPSequippedwithprocessingsoftwareHDS2003dataprocessingsoftwarepackage),summarizetheexperienceandskillstoimprovesolutionquality.(3)theprojectcontrolnetworkprecisionanalysis,analyzedfromdifferentpointofviewcontrolnetworkreliability.Keywords：GPSMiningtopographymeasurementPrecisionanalysis目录1绪论1.1引言 11.2国内外研究的现状以及问题 11.3本文主要研究的问题 22GPS卫星系统组成 42.1GPS系统组成 42.2GPS工作原理 42.3GPS技术特点 42.4GPS在地形控制测量中的作业流程 53GPS控制网的布设与施测 73.1测区介绍与布设原则 73.2GPS误差来源以及GPS网基本精度 83.2.1GPS误差来源 83.2.2GPS网基本精度 103.3选点与施测 133.3.1选点 153.3.2施测 184GPS数据处理 194.1基线解算 194.2网平差 264.3高程拟合 294.4坐标系统及转换 325结论 35致谢 36参考文献371绪论1.1引言GPS技术是新兴技术，GPS卫星定位技术较之常规的测量方法有速度快，精度高，经费省且不受条件限制。GPS技术在矿山地形控制测量中以后会有更广泛的应用，会越发显示出其在矿山地形控制测量方面的优越性。目前GPS技术的飞快发展改变了传统的控制测量方法，GPS（GlobalPositioningSystem）比常规的测量方法有精度高，速度快，经费省等优点，在广大地形测量中应用。近些年来，矿区越来越多的运用GPS技术进行地形控制测量，现在就以GPS系统的组成，国内外最新动态，GPS控制网的布设与施测，数据的处理，平差，坐标系统的转换等方面进行讨论。1.2国内外研究的现状和问题随着GPS静态定位技术的不断发展与完善，GPS技术己普遍用于各种用途的控制点测量，并已在各种类型和等级的控制网建立中逐步取代常规的测量方法,如全站仪、水准仪等。中国新的国家大地测量控制网就采用了GPS布设和测量技术，很多城市也都相继采用GPS技术建立了城市控制网。静态GPS定位测量技术所取得的精度越来越高。如由某集团公司投资建造,是一个年产量150万t的煤矿。矿区位于贵州山区,矿区面积约90km2,属云贵高原地形,矿区海拔大多在1300m~2000m之间,相对高差约700m。山路崎岖,地形复杂,通视困难,行走不便。为了满足该矿区的煤炭勘探、建设和生产,需建立首级控制网。考虑到工程复杂,工期较紧,测区面积大65km2地形起伏大,已知控制点离测区远(两个已知点在测区外约5km处)等因素,最终经过专家论证，决定采用GPS测量，并顺利完成了任务。国外，GPS平面控制和高程控制技术在工程项目中的研究是走在前面的。欧洲核子研究中心的大型环形电子对撞机控制测量，GPS定位精度亦达毫米级；美国早在1984年的斯坦福粒子加速器的工程测量中采用GPS定位技术，平差后其平面位置精度达1-2mm,高程精度达2-3mm；1987年横跨英吉利海峡的欧洲海底隧道工程开工，隧道深入海底40m，工程全长50km,当采用经典大地测量方法时，隧道纵横向误差为4×，而后来采用GPS进行控制测量得到隧道纵横向误差1×了，既减少了工程费用，又大大提高了工程质量。在矿山控制测量中，GPS网的布设是非常灵活的。它免除了测角、边角同测和测边网等的传统要求。它不需要点间通视,不需要考虑布设什么样的图形,也就不需要考虑图形强度,不需要设置在制高点上(哪里需要就可以设置在哪里)。尤其在高山高原地区,GPS做控制测量大大提高了工作效率,缩短了工期,节省了大量的人力、物力。通过国内外GPS的应用测量,充分体现了GPS技术精度高,设备适合野外作业,操作简单、高度集成的特点。尽管野外干扰因素多,但由于GPS计算软件的功能强大,在自动处理数据方法的同时,辅以人工干预模式,通过一系列数据预处理、检核、GPS网平差,通过三维无约束平差、二维约束平差、GPS高程拟合,同样获得高精度GPS点。1.3本文主要研究的问题GPS技术作为一项20世纪后期的高新技术，将在21世纪有着广阔的应用前景。尤其是在测量领域的控制测量中得到广泛的应用，主要是改变了传统的测量作业工作方式，大大提高了工作效率，也带来了可观的经济效益。本文主要以矿区地形控制测量为例，阐述GPS在矿山控制测量中的作业流程、布网原则、分析了载波相位差分定位的原理、测量数据的内业处理方法和技巧（以中海达GPS所配套的处理软件）、该工程项目控制网的精度分析、误差来源分析及处理、GPS在地形测量应用中的坐标系转换问题、更好地利用GPS测量的大地高问题等，进行一些探讨。2GPS卫星定位系统2.1GPS的系统组成GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成．除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。GPS的用户部分由GPS接收机，数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、质量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。图2—1GPS系统组成2.2GPS的工作原理GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。如图l所示：在需要的位置Q点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了分别位于A，曰，C的3颗GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离AQ，BQ，CQ，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)，从而用距离交会的方法求得Q点的三维坐标（XQ，YQ,ZQ），其数学式为：AQ2=（XQ-XA)+(YQ-YA)+(ZQ+ZA),BQ2=（XQ-XB)+(YQ-YB)+(ZQ+ZB),CQ2=（XQ-XC)+(YQ-YC)+(ZQ+ZC),(Xc，Yc，Zc)分别为3颗卫星在该时刻的空间直角坐标。在GPS测最中通常采用两类坐标系统，一类是在空间同定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在工程控制测量中常用地固坐标系统。(如：WGS一54世界大地坐标系和1985年北京大地坐标系。)在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。2.3GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：(1)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。(2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×10-6，而红外仪标称精度为5mm+5×10-6，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6到10-7。(3)观测时间短。观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min，采用快速动态定位方法，观测时间更短。例如使用(Hi-Target)8200CPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。(4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程，且其高程精度可满足四等水准测量的要求。(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作“傻瓜”化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。（6)全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。2.4GPS在地形控制测量中的作业流程GPS测量与常规测量相类似,在实际工作中也可以划分为方案设计，外业实施以及内业数据处理三个阶段。GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范和测量任务书。GPS网的布设应注意以下几个问题：（1）除了特殊情况,一般GPS基线长度相差不要过大,这样可以使GPS测量的精度分布均匀；（2）GPS网中不要有孤立点,应构成封闭式闭合环网；（3）应尽量将点位布设在环视比较开阔的地方,以消除多路径影响和便于接收卫星信号；避开强电磁波干扰,并且在接收机工作时不得在其周边10m范围内用对讲机和手机。GPS测量误差来源可分为三大部分：（1）GPS信号的自身误差,包括轨道误差(星历误差)和SA,AS影响；（2）GPS信号的传输误差,包括太阳光压,电离层延迟,对流层延迟,多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；（3）GPS接收机的误差,主要包括中误差,通道间的偏差,锁相环延迟,码跟踪环偏差,天线相位中心偏差等。对于GPS控制网基线测量,基线长度较短的情况下(最大不超过30km),GPS的轨道误差,太阳光压影响及美国SA技术基本对测量精度不发生影响(它只能影响单点定位和长基线测量结果)。基线长度在20km~30km的GPS控制网,采用单频GPS接收机测量的效果比较好,完全能满足矿山测量的需要；GPS高程测量也能代替四等水准测量,当施工、建设对高程要求较高的情况下,要慎用GPS高程。作业过程中,在GPS接收机满足作业精度要求的情况下,测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对中误差。在进行GPS外业工作之前,必须做好实施前的测区踏勘,资料手机，器材筹备，观测计划拟定，GPS仪器检校以及设计书编写等。GPS测量外业实施包括GPS点的选埋，观测，数据传输以及数据处理。3GPS网的布设与施测3.1测区介绍与布设原则本次GNSS控制测量测区位于迁安市西部首钢矿区大约90平方公里，主要以矿区和山区为主，分为：杏山采区，大石河采区，菜园采区，二马采区，羊崖山采区，裴庄采区，柳河峪采区，水场采区等八个首钢矿区。有公路和铁路均匀分布在各测区之间，交通便利，有利于施测。本次GNSS控制测量主要用于后续1：2000地形图测量。如下图3-1所示：图3—1首钢矿区分布图GPS控制网布网设计，必须按GPS测量规范实施。其设计的一般原则为：(1)图形闭合。即GPS控制网网一般应有足够的独立观测边构成闭合图形，以增强图形自身强度和增加平差检核条件，以提高观测质量，即必须有足够的闭合环。(2)有必要的一定数量的点位重合，以方便由已知点推算待测点，。GPS网站点应与原有地面已知控制网点有足够的重合，并力求重合点在整个控制网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的计算和研究提供资料和参考。(3)视野开阔。GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方，一般确保测站点仰角15°以上区域周围无明显的遮挡物。若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意满足网点之间间通视的通视条件。3.2GPS误差来源以及GPS网的精度要求3.2.1GPS的误差来源GPS测量误差按其生产源可分3大部分：GPS信号的自身误差，包括轨道误差(星历误差)和SA，AS影响；GPS信号的传输误差，包括太阳光压，电离层延迟，对流层延迟，多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的误差，主要包括钟误差，通道间的偏差，锁相环延迟，码跟踪环偏差，天线相位中心偏差等。有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而已知观测瞬间所观测卫星的位置，因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义。卫星星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。目前，GPS卫星轨道误差的等效伪距误差(使用的卫星广播星历)为4.2m。美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m。控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响。动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位(称Real-timeDGPS),即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统，已使导航定位精度差分距离在100km左右时达到亚米级，差分距离远于1500km时达到米级。SA技术是选择可用性(SelectiveAvailability)的简称，它是由两种技术使用户的定位精度降低，即δ（dither）技术和ε(epsilon)技术。δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号，使GPS[]卫星频率10.23MHz加以改变，最后导致定位产生干扰误差，ε技术是降低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使得卫星的真实位置增加了人为的误差。AS技术(Anti-Spoofing)叫反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其P码，不让非授权用户使用；战时防止敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低了用户定位精度。太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精密定轨的最主要误差源。太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化(地球轨道偏心距)而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星受到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸收特性有关，由于卫星表面材料的老化、卫星姿态控制的误差等也使太阳光压发生变化。已有的太阳光压改正模型有：标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型，这几种光压模型精度基本上相当，可以满足1m定轨的要求。最近有人提出，用附加随机过程参数的方法或者对较长的轨道用一阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可得到更理想的结果，甚至可以满足0.1～0.2m精多路径误差是指GPS信号射至其他的物体上又反射到GPS接收天线上，对GPS信号直接射至GPS接收天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小，取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板，当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m,可抑制多路径影响。据大量资料的分析统计，多路径误差有以下危害：①当边长小于10km时，主要误差源是天线的对中误差和多路径误差；②多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境下可达5～9cm，在高反射环境下可达15cm；③在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下，码信号受多径误差的影响，可导致接收机的相位失锁；④实践证明，观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射。天线附近的地形地物，例如道路、树木、建筑[]物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此，选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物，采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。3.2.2GPS网基本精度本工程的GPS控制测量是用做山区矿山测图之用，要求精度达到D级别，考虑到本工程项目的精度需要及所采用仪器设备、技术条件等影响实际精度的多种因素，GPS平面网的精度指标按《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001)中GPSD级网相邻点间距离的标准差指标要求确定。因此依照GPS测量规范将本次GPS测量作业的基本技术要求如下（表3-1）：表3-1GPS测量基本技术要求表D132015度1.6≥1060s101020GPS网相邻点间弦长精度用下式计算=式3-1GPS基线向量的弦长中误差（也称作等效距离误差，单位为毫米），；a固定误差（接收机标称精度，单位是毫米）；b比例误差系数（接收机标称精度，单位是毫米）；d网中相邻站点间的距离（单位为公里）；3.3选点与施测3.3.1选点由于GPS测量观测点之间不要求相互通视，而且网形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着至关重要的意义，因此在选点之前，除了收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点的分布及保存情况外，我们还遵守和顾及以下原则：（1）点位都设在易于安装架设接收机，视野开阔的较高点上；（2）点位目标显著，其周围15度以上没有大面积的障碍物，以减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；（3）测区有许多通向矿区的高压线路和市电线路，由于高压线路等产生的电磁场会干扰GPS信号，所以我们选点都在离其约50到100m以外的地方；（4）由于测区为矩形，布设出的网形有利于同步观测边，同步观测点的联结。图3-2控制网分布3.3.2施测 由上面可知，尽管各个待测点布设在交通较方便的公路周围，且均匀覆盖测区，但测区范围较大，到达点位仍需在路上要花费许多时间。为了提高作业效率，本次采用五台GPS接收机，测量人员五个，沿着公路依次架站，每一时段结束后，保持其中两台或一台接收机不动，其他台站接收机装车，到接下来的待测点上观测，依次类推，从最北边的二家院子到最南边的大公山点结束。具体的方案如下：（1）本次工程采用中海达HD8200E一体化蓝牙静态GPS接收机，其主要指标如下表表3-2HD8200E仪器指标（2）每一测站进行严格对中整平，确保在测量中接收机的稳定性。（3）认真填写外业记录纸，标明该接收机编号，时段号按照A，B，C…依次排列，用钢卷尺从三个方向量取仪器高，并求平均值。（4）每一时段开关机时间统一安排，并在准确、清楚地记录在手薄中，每一时段观测时间长度在45分钟以上，保证观测数据的可靠性。（5）在观测过程中，定期观察接收机显示的可用卫星数量，并记录。若卫星数少于4个，则通知其他站点停止观测，查出原因，要么是周围山峰遮挡，要么是此时卫星分布不好，适当的进行测点移位或等待一段时间再观测。（6）为了保证观测基线的质量和控制网整体精度，观测过程中均采用“边联式”和“点联式”的混合方式，即：每一时段结束后，保持其中两台或一台接收机不动。（7）由于测区条件的限制，控制网中出现了一些短边基线（100m）和有小角度的闭合环，这对精度提高不利，因此，在两个时段连接处架设接收机，与大部分待测点构成较长基线(10km)，以提高点位精度。当整个任务完成之后将观测数据及时地传输到计算机中，用专业软件平差。4GPS数据的处理4.1基线解算基线处理是GPS数据处理的重要环节，基线解算质量对GPS定位结果有很大影响。利用HDS2003先将原始的观测数据通过天线与计算机连接传出来，其文件格式是以“.ZHD”为后缀的，从原始记录中，通过解码将各种数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件，观测文件和测站信息文件等。在解算之前我们先看看基线的组成，任意两个静态观测文件，只要它们具有相同的观测时段，那么,它们就能构成一条静态基线。如下图所示（图4-1）：1123BA图4-1静态基线原理三个静态观测文件（1、2、3）之间根据它们的观测时间关系构成了两条基线A和B。在HDS2003数据处理软件中，静态基线名是由起算测站名和推算测推算测站的时段名构成。处理数据时，创建完新的项目必须先要进行项目属性设置：如“施工单位，测量人，日期等”这些都要写清楚的，需要备案和以后进行，更重要的是控制网等级的确定，根据不同的精度要求选择合适的等级，一般分为AA，A，B，C，D，E级。图4-2控制网设置该工程项目控制点是用来测地形图的，所以我们选择D等级。图4-3就是坐标系统及其投影参数的设置，我们希望解算平差出来的坐标是北京54坐标系，那么在坐标系栏应选择“北京-54”，也可以在系统中自定义坐标系，只要知道该地区的中央子午线的数值，参考椭球的长半轴a和椭球扁率就行，北京地方坐标系所定义的中央子午线是30ˊ00"，当然投影方式选择高斯投影3度带。图4-3坐标系统设置在主菜单“静态基线（S）”中选择“静态处理设置”，则常用选项中出现“数据采样间隔，卫星截止高度角等”。图4-4静态基线处理设置一般GPS静态数据采样间隔默认为60，所谓历元间隔，就是在基线处理时，软件从原始观测数据中抽取数据的间隔。仪器在作静态观测时，设置为每5秒采集一组数据，但在内业处理时，这么高密度的观测数据通常并不能显著提高基线的精度，反而会大大增加基线处理的时间。因此，为提高基线处理的速度，增大数据处理的采样间隔。通常认为，对于短边，且观测时间较短时，可适当缩小采样间隔，而对于长边，可适当增大采样间隔。单从大气层折射的角度来看，对于短距离的观测，可以降低高度截止角；而对于长距离的观测，应该加大高度截止角，因为距离越短，大气折射影响越容易相互抵消。在野外观测时，应根据卫星分布状况降低高度截止角，以采集尽量多的数据，方便处理。在数据处理的过程中，常常要将一些不合格的数据当作粗差剔除。当观测值偏离模型值超过（粗差容忍系数×RMS）时，就认为这组观测值为粗差。可见，这个系数太大或者太小都会影响观测数据剔除的标准。本次工程我们采用数值3.5，如上图4-4.（1）作好上述准备后，执行“基线处理”菜单下的“处理全部基线”，程序开始依次逐条处理全部基线，软件处理基线的步骤程序如下图4-5所示：图4-5基线处理后台三差解算是将双差观测值在历元间进行相减，组合成三差观测值，建立观测方程，进行解算，得到三差解。但是对于较短的边，三差解的精度往往不高，通常三差解的目的在于得到比较近似的基线边，便于进行周跳修复。而周跳的修复往往是基线处理软件需要解决的主要问题，基线解算的关键在于找到正确的整周模糊度，能够求解整周模糊度的前提是接收机对载波相位的连续跟踪，但是接收机不可能总是连续跟踪载波相位，遮挡、干扰等都会造成对载波相位的跟踪中断，从而使历元之间的载波相位观测值出现所谓的周跳。处理基线中，解算整周模糊度的能力与基线的长度有关，获得全部模糊度参数整数解的结果称为双差固定解，只获得双差模糊度参数浮点解的结果称为双差浮动解，对于较长的基线，浮动解也不能得到较好的结果，只能用三差解。双差浮点解：算若共观测到N颗卫星的信号，则双差观测方程组将比三差观测方程组增加N-1个未知数，双差解得到更进一步的未知点坐标和以浮点数表示的整周模糊度。理论上，整周模糊度应为整数，但由于其在解算时吸收了观测噪声以及其它未模型化的误差，因此通常只能得到一个浮点数。该浮点数往往与实际的整数有一定的偏差，有时偏差甚至达到几周。一般说来整周模糊度分解，在足够长的同步观测时间和得到足够多的观测数据的情况下，仅靠取整也可以得到正确的整周模糊度，但采用快速求解整周模糊度（FARA，FastAmbiguityResolutionApproach）方法和LAMBDA方法，可以提高工作效率，大大地缩短观测时间。软件在实际处理过程中出现的信息框中分别列出了各条解算基线的名称、基线解算的进度、以及各条基线解算的信息。基线解算是以多线程方式在后台运行的。在运行过程中，在计算区中可看到基线的Ratio值，均方根误差RMS等信息。点击右键，弹出菜单中可选择“停止”，从而停止基线的解算。以下是本次解算时出现在计算区中的信息：图4-6基线解算信息按照以上的处理基线设置软件会自动处理完毕所有的基线。（2）处理不合格基线：当各个解算基线以列表形式出现时，若其前面出现红的“！”表明该基线的解算不合格。图4-7GPS观测数据图这样就不能进行其他工作，通过观测数据页可以分析观测数据情况以及其质量好坏。更重要的是，可以在观测数据图内编辑时段（虚线框中的数据将被屏蔽，不被软件处理）以重复处理这条基线，见图4-7。在观测数据图中编辑时段时，可将以下情况的时段删除或不参与平差：（1）段数据断断续续，表明接受机在跟踪卫星时出现失锁，数据质量差；（2）段数据短，出现不完整的应该删除，以保证各个卫星有足够的相同的观测时段；也可以在基线列表中点击某一基线，单击右键点“选定基线处理设置”出现的对话框中改变该基线的数据采样间隔，卫星截止高度角等，然后在对此基线进行单独处理。还可以看基线精化处理的有力工具--残差图。在基线解算时，经常要判断影响基线解算结果质量的因素，或需要确定哪颗卫星或哪段时间的观测值质量上有问题，残差图对于完成这些工作非常有用。所谓残差图就是根据观测值的残差绘制的一种图表。在操作中选择上一组、下一组可见各个双差组合的残差，如图4-8所示：图4-8残差图上图是一种常见双差分观测值残差图的形式，它的横轴表示观测时间，纵轴表示观测值的残差，正常的残差图一般为残差绕着零轴上下摆动振幅一般不超过0.1周。4.2网平差基线解算都合格后，接下来进行网平差HDS2003数据处理软件能实现自由网平差、三维约束平差、二维约束平差、高程拟合的基本方法，，另外还可以进行边角网的平差。下图4-9为HDS2003数据处理软件进行网平差的基本步骤，从图中可以看到，网平差实际上可以分为三个过程：（1）期的准备工作，这部分是用户进行的。即在网平差之前，需要进行坐标系的设置、并输入已知点的经纬度、平面坐标、高程等；（2）平差的实际进行，这部分是软件自动完成的；（3）对处理结果的质量分析与控制，这部分也是需要我们分析图4-9网平差过程由此可见，软件只是实现了网平差的解算，更重要的是需要用户参与，并最终做出正确的判断。应当说明的是，整个平差结算通常是一个反复的过程。在进行网平差设置之前，应检查坐标系的设置是否正确。本次工程项目的测区是在河北迁安，而且解算平差出来的坐标属于北京54坐标系统，需要专门设置中央子午线（30′00″）、x和y方向的加常数等。坐标系的设置可在工具菜单下的坐标系管理中进行，在解算中具体的坐标设置如下：坐标系名称：北京54坐标系椭球长半轴：a=6378245.000000椭球扁率：f=1/298.300000(采用的是北京54坐标系统的规定的椭球参数)投影名称：高斯投影带尺度：1.000000投影高：0.000000X加常数：0.000000Y加常数：500000.000000中央纬度：0中央子午线：30′00″4.3高程拟合最后进行高程拟合平差：利用GPS观测量获取待测点高程数据，将能较大提高测量效率。但是由于采用GPS观测所得到的是大地高，为了获得我们常用的正常高结果(可视为海拔高程)，需要采用GPS测高结合水准高程测量的方法进行GPS高程拟合，求取高程异常数据，进而获得正常高。GPS高程拟合法就是利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，以水准高程为基准，把经过GPS测量和水准测量的控制点，根据两者的高差值，采用建立数学曲面模型的方法，求解正常高H，或高程异常ζ，高程拟合的方法，是一种纯几何的方法，因此，一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区)，其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区)，这种方法的准确度有限，这主要是因为在这些地区，高程异常的己知点很难将高程异常的特征表示出来。GPS高程拟合计算可采用多项式函数拟合或多曲面函数拟合等方法进行。GPS高程拟合大多采用二次多项式函数法进行计算，即高程异常ζ的计算公式为如下的二次多项式,ζ=+×dB+×dL+×+×dB×dL+×（式4－1）式中：dB=B—dL=L—B、L为GPS测量的大地纬度和经度；、为中心化点纬度和经度，即=∑B（式4－2）=∑L（式4－3）n为参加GPS拟合计算的控制点数。在测区范围内，通过设置若干同时测定GPS大地高和水准正常高的GPS高程拟合公共点，计算出该点的高程异常ζ。对于m(m>6)个公共点，可以依据公式列出m个方程，即有：V=AX+L（式4－4）其中X=V=通过最小二乘法求解出多项式的系数XX=—（式4－5）通过求取到等的参数，对于任意高程未知的控制点只要对该点进行GPS测量，测定其大地坐标(经纬度)B和L.即可按公式4－1求出高程异常ζ值。并在求出高程异常以后，即可用=H—ζ求出该点正常高系统下的高程值。如果在网平差设置时选择了水准拟合，并且至少对一个在基线向量网中的观测站点进行了BLH或XYH或H中的水准高程约束，这样，在进行网平差时将进行三维约束平差。参数为：迭代次数：2网的参考因子：84.1888参考点：BYZ_H=+A+B*x+C*yA=57.3874B=0.000274025C=1.44272E-005表4-3部分点平差高程及其中误差点名高程中误差(m)GS__84.77030.0221MSA_154.63490.0252S100107.78880.0356S101126.91580.0382S102130.41800.0408S103195.47150.0403S104161.52470.0421S105120.78030.0240S106130.55530.0245S107217.07440.0354S108220.94000.0343从表4-3可以看出各个点的拟合高程中误差平均值均大约为3cm，这是由该地区附近已知点不够多（只有NYM,HTZ和BYZ三点），而且山区的地势起伏较大，地形复杂所造成的，但对于矿区的数字测图工作其精度是满足的。4.4坐标系统以及转换在整个数据解算过程中，坐标系统的转换是贯彻始终的，是平差过程中的重点和难点，正确、深入地理解和掌握测量坐标系统的定义和各系统之间的转换原理和算法是必要的。1987年1月10日开始统一采用WGS84世界大地坐标系(WorldGeodeSystem)记录GPS测量成果，从此取代了1987年以前所采用的WGS-72坐标系WGS-84坐标系是由美国国防部制图局依据TRANSIT卫星定位测量成果而建的一种协议地球坐标系（CTS,ConventionalTerrestrialSystem)。它是GPS卫星密星历和广播星历的参考系。WGS84坐标系的建立在理论上是一个以地球质心为坐标原点的地心坐系，其坐标系的定向与BIH1984.0所定义的方向相同，其中X轴指向BIH1984的零度子午面与CTP赤道的交点，Z轴指向此BIH系统所定义的协议地极（CTP）的方向。由于WGS84所定义的地球质心与由BIH台站坐标所定义的地心不完一致，因此，WGS84所相应的地球赤道面与BIH所定义的赤道面并不重合，是保持平行。WGS84的格林威治子午面也与BIH所规定格林威治子午面相平行,于是WGS84的X轴即为WGS84赤道面与WGS格林威治子午面的交线。Y轴指向按右手法则确定。WGS84通过美国海军导航卫星系统(NNSS)在坐标原点、尺度因子、经度零点等定义上作了一系列的改进，以与BIH于1984年所定义CTS相一致。除了三维直角坐标系之外，WGS84还定义了一个地球重力模型、一个平椭球以及与其他大地参考系间的变换参数。WGS84椭球属于一个定位在地心旋转等位椭球，该椭球的中心和坐标轴指向是与WGS空间直角坐标系相一致的WGS-84椭球的任意一点的大地经纬度(B,L)和大地高（H）是与其三维空间直坐标(X,Y,Z)等价的表达形式或者说是两者之间的变换关系式为：X=(N+H)Y=(N+H)Z=[N(1—)+H]（式4-7）其中N=（式4-8）其逆变换式很容易得到：L=acrtanB=acrtanH=—N（式4-9）WGS84椭球基本参数以及主要几何和物理常数如下：（1）地球椭球基本参数：长轴半径：a=6378137m地球引力常数(含大气层)：GM=3986005×正常化二阶带谐系数：=-484.16685×地球自转角速度：ω=7292115×（2）主要几何和物理常数：短轴半径：b=6356752.3142m扁率：a=1/298.257223563第一偏心率平方：e2=0.00669437999013第二偏心率平方：e'2=0.006739496742227椭球正常重力位：=62636860.8497m赤道正常重力：=9.9703267714m在经典大地测量中，为处理地面控制网的坐标，通常选取一参考椭球面作基本参考面，选一参考点作为大地原点，通过天文测量确定其参数，其原点一不与地球质心重合，而是位于地球质心附近，这种坐标系称为参心坐标系。参心坐标系的主要特点是它与参考椭球体的中心(即参心)有密切关系。参考椭球体的中心，一般与地球质心不一致，因此，也称之为非地心坐标系。参心空间直角坐标系是以参心O为坐标原点，以起始子午面与赤道的交线为x轴，以椭球的旋转轴(短轴)为Z轴，向北为正，在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴。构成右手直角坐标系O-XYZ地面点P的点位用(X，Y，Z)表示，它们是位置向量在三个坐标轴上的投影。空间一点的参心大地坐标用大地纬度B，大地经度L和大地高H来表示。地面点P的法线与赤道的夹角B，称为P点的大地纬度，由赤道面起算，向南为负(0°～-90°)，称为南纬，向北为正(0°～90°)，称为北纬。P点的子午面与起始子午面所构成的二面角L,称为P点的大地经度，向东为正(0°～180°)，称为东经，向西为负，称为西经。P点沿法线方向到椭球面的距离，称为P点的大地高H。大地高H与常用的正高，或正高H＇的关系是：H=+H=H’+ξN表示大地水准面差距，它是相应点沿铅垂线自大地水准面至椭球面的离；ξ表示高程异常，它是自大地水准面至椭球面的距离。参心坐标系主要包括参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。一个国家(或地区)选择一定元素的参考椭球，对参考椭球进行定位和定向，获得大地原点的大地起算数据和基准面，就建立了一个国家坐标系。中国测量领域的大部分数据资料都是基于1954年北京坐标系或1980年西安坐标系。北京54坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而在前苏联的普尔科沃，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。其基本参数为：长轴半径a=6378245m短轴半径b=6356863.0188m扁率α=1/298.3第一偏心率平方e2=0.006693421622966第二偏心率平方e'2=0.006738525414683虽然大量的测绘任务和工作是在北京54坐标系统的基础上完成的，但随着测绘新理论、新技术的不断发展，该坐标系的缺点便出现了：（1）椭球参数有较大的误差。克拉索夫斯基椭球参数与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m。（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。这使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响，同时也对观测元素的归算提出了严格要求。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900年～1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。（4）定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议原点CIO(ConventionalInternationalOrigin)，也不是我国地极原点JYD起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。1980年西安坐标系是在1954年北京坐标系的基础上，综合利用天文、大与重力测量成果，按照多点定位方法建立起来的。新的大地原点设在陕西省泽阳县永乐镇，位于西安市西北方向60km,简称西安原点，相应的坐标系称为1980年西安坐标系，也成为1980年国家大地坐标系。该坐标系采用的地球椭球基本参数以及主要几何和物理常数如下：（1）参考椭球基本参数：长轴半径：a=6378140m地球引力常数(含大气层)：GM=3986005×二阶带谐系数：J2=1082.63×地球自转角速度：ω=7292115×（2）主要几何和物理常数：短轴半径：b=6356752.2882m。扁率：α=1/298.257第一偏心率平方：e2=0.00669438499959第二偏心率平方：e'2=0.00673950181947椭球正常重力位：U0=62636830赤道正常重力：γ0=9.780318m1980年西安坐标系的椭球定位条件为：（1）椭球短轴平行于地球地轴(由地球地心指向1968.0地极原点（）的方向构成)；（2）起始大地子午面平行于格林尼治平均天文台起始子午面；（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合。我国采用高斯投影，在该投影中，除中央子午线没有长度变形外，其它位置上的任何线段，投影后均产生长度变形，而且离中央子午线愈远变形愈大。为此一般通过分带投影的办法，以限制长度变形.我国规定采用6°带或3°带进行分带投影，但是对于城市、工矿等工程测量中，若直接在国家坐标系中建立控制网有时会使地面长度的投影变形较大，当投影长度变形大于2.5cm/km时，就难以满足工程上的要求。因此为满足大比例尺测图和进行施工放样的要求，基于实用方便和科学的目的，通常采用自选的中央子午线，自选的计算基准面，即独立平面坐标系。一般情况下，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标，建立地方独立坐标系。地方独立坐标系都有着独立的原点和定向方式，是基于一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球。该椭球的中心、轴向和扁率一般与国家参考椭球体相同，但其长半轴则有一个改正量。这个参考椭球称为“地方参考椭球”。随着空间技术的发展，通过卫星大地测量进行洲际和国际大地联测，并综合地面天文、大地和重力资料，从而建立全球大地坐标系。但是目前世界上各个国家和地区存在有100多种地心坐标系和参心坐标系，地面上任一点，选用不同的坐标系就有不同的坐标。在我国，工程应用主要采用1954年北京坐标系、1980年西安坐标系和地方独立坐标系。因此我国坐标转换的问题归结为WGS84坐标系向上述三种坐标系的坐标转换问题，以及这三个坐标系的相互转换问题。采用不同的参考椭球和定位定向建立的坐标系，均可以转换为空间直角坐标。因此不同的参心坐标系之间的坐标转换，以及地心坐标系和参心坐标系之间的坐标转换，归根到底都是不同的空间直角坐标系之间的换算。如果己知两个不同的空间直角坐标系相应于某个转换模型的转换参数，只需要按照相应的转换模型计算，即可完成坐标的转换。但如果并不知道两个坐标系闯的转换参数，而只是己知两个坐标系中部分公共点的坐标，则先根据这些已知的公共点在两个坐标系中的坐标，根据最小二乘原理求定坐标系间的转换参数，然后利用所求得的转换参数对两个空间直角坐标系进行坐标转换。（1）空间直角坐标系的坐标转换模型国内外大量的专家、学者对不同的空间直角坐标系之间的坐标转换作了大量的研究.成熟的转换模型有布尔萨-沃尔夫(Bursa-Wolf)模型、莫洛金斯基-巴代卡斯(Molodensky-Badekas)模型和范士（Veis)模型。这些模型虽然表示形式略有差别，但从坐标变换的最终结果而言，它们是等价的。这类模型共有七个变换参数，即三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度参数，所以也笼统的称为七参数法。如果认为某些参数很小，则根据实际情况进行分析研究，剔除那些对转换精度影响不显著的参数，这就产生了三参数，四参数，五参数，六参数。其中三参数模型，一般只考虑三个平移参数，模型简单，在理论上有一定缺陷，但是在部分领域能满足一定精度要求，故也被采用。（2）转换参数的求解法A三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时,可用三个点的9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解。多采用迭代的方法求解方程，因此效率比较低，难以同时具有较高的计算速度和一定的精度保证。可以采用改进方法来求解转换参数：①取三个点在两个坐标系中的坐标差的平均值作为平移参数。当某一个公共点相对精度较高时，取此点在两个坐标系中的坐标之差作为平移参数。②由两个点在两个坐标系中的坐标，反算相应的边长S和S＇,尺度参数m可取为m=,或者由三个点所求出的三条边长计算出三个尺度参数，取平均值尺度参