基于GPS控制测量的研究及独立网平差法

题目：基于GPS控制测量的研究及独立网平差法专业：测绘工程【摘要】全球定位系统（GPS）具有传统测量手段所有缺少的优越性，其定位精度高，具有全球性，观测简便，等这些特点使GPS在工程测量领域方面的应用有着非常广阔的前景。因此将GPS定位系统引进到控制测量中，也是控制测量的一个必然趋势。本文主要讲述了GPS技术在控制测量中的应用。一开始对全球定位系统进行一些简单的阐述，其次对校门口至校内布设7个GPS静态控制点布设方案进行论述，接着进行一些相关的数据处理，最后对一种独立网平差法进行阐述，同时比较和平时运用平差方法的差别。【关键词】GPS控制网;GPS控制测量;基线解算；数据处理;独立网平差法目录TOC\o"1-3"\h\u42021前言 132661.1测区概况 132661.2研究的内容 1324072技术标准 132662.1测量任务 17602.2作业要求 189032.3技术指标 1168513GPS控制测量设计方案 239913.1GPS控制测量及GPS的概述 23.1.1GPS的定位原理 23.1.2GPS定位方法 33.1.3GPS系统的组成 33.1.4布网原则 3141463.2技术要求 43.2.1E级GPS布网方案 43.2.2E级GPS观测 43.2.3内业计算及精度 43.3控制测量外业 53.3.1网形的设计 53.3.2外业选点 53.3.3外业埋石 53.3.4外业观测 63.4内业数据处理 63.4.1数据的检核 73.4.2数据的预处理 73.4.3人工干预基线解算 83.4.4基线解算质量的检核 93.4.5进行网平差 103.4.6生成平差报告 1175794独立网平差法 124.129697优越性与基本步骤 1279194.1.1高斯投影的影响 134.1.2适用性 134.2.经验和体会 135工期计划与安全保证3813 13621689质量控制 13208017总结语 14208018致谢语 15参考文献3813 16 .前言目前，科学技术的进步和GPS在全球各方面的广泛应用，促进了GPS定位技术的发展，在GPS没有传播到测量和控制领域，人们主要依靠测距仪、经纬仪，不但精度低，而且耗费大量的人力物力。GPS技术凭借具备的效率高、精度高和自动化显著优点，普遍的被使用在地形控制测量中。近些年来，GPS测量以其精度很高、速度很快、价格相对便宜等一系列优点，受到广大测量工作者的喜爱。随着GPS定位技术的应用，在国民经济建设扮演的角色越来越重要，通过对GPS定位技术在城区控制测量中应用的学习，对GPS系统组成有具体的了解、熟悉GPS的工作原理、对GPS控制网的布设有充分的认识、熟悉GPS的内业解算与平差为以后技术设计书撰写、城区控制测量的规范提供可靠的资料及经验，为相关工程应用提供借鉴。1.1测区概况测区位于校门口至学校。测区内有简易公路及小路，交通较方便，区内大家普通话交流。测区内通视较困难，普遍通过对讲机或者电话联系，校门口有些地方车流量比较大，给测量作业带来一定的难度。1.2研究的内容本文首先阐述了GPS控制测量的概念，GPS控制网的组成。紧接着以测量龙岩学院到校门口地形图为例，深入分析和探讨基线解算、误差分析，成果检验，从而对GPS控制测量有了进一步的认识和了解。2.技术标准2.1测量任务条件所限，一个班共用6台RTK,以X78、X81和D64作为本测区的控制起算点。静态测量；总共布设7个GPS控制点，用静态相对定位模式施测一个E级GPS网，为RTK提供基本控制点，满足实习需要。2.2作业要求GPS观测及作业要求外业作业按实际情况由实习带队老师自主安排检验GPS接收机；进行常规的检视；检查通电情况。观测组在作业时，时间必须统一，这样以确保每一组仪器同步观测的是同一卫星。在每一个时段开机前，作业员首先要量取仪器无线高，并在开机后及时输入测站名、年月日、时段号、等信息，然后拿出纸张记录仪器高。当仪器工作正常后，每组作业员应该及时把测量手簿中的每一项内容填写完整。而当时段观测时间超过一小时时，作业员需要每隔半小时做一次记录。观测员在作业期间不能随意离开测站。在每日观测结束后，回去应马上开机将数据转存至计算机上，以保证当日的观测数据不会丢失。2.3技术指标1）坐标系统：平面坐标采用的是“80西安坐标系统”2）基本等高距2.0米3）精度要求a地形图精度表2-1地形图精度地形类别地物点中误差平地山地、高山地地物点0.60.8邻近点0.60.8b等高线插求点的高程中误差表2-2高程中误差地形类别平地丘陵地山地高山地高程中误差1/31/22/31.0中误差的两倍值为最大误差。GPS控制测量设计方案3.1GPS控制测量及GPS的概述GPS控制测量可分为外业和内业两大部分。根据GPS测量实施的工作程序，总体可以分为以下几个阶段：首先GPS控制网的设计，接着开始进行选点、埋石、外业观测，最后进行成果检核，观测到的数据处理，编制报告。GPS测量是比较麻烦的工作，它实施的原则是；在满足一些测量者对测量精度和可靠性等要求的情况下，尽可能地降低经费、减少时间。因此，对其各阶段的工作，在实施的时候都要经过精心的设计与组织。3.1.1GPS的定位原理GPS的定位原理；首先由地面监控站收集资料和信息，然后发送到卫星，卫星接收资料和信息最后倒发送回GPS接收机。图3-1GPS定位原理3.1.2GPS定位方法（1）绝对定位（2）相对定位按用户接收机在作业中的运动状态不同，又可分为；一种静态定位、一种动态定位。图3-2相对定位原理3.1.3GPS系统的组成GPS系统由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三大部分构成。3.1.4布网原则GPS网正常情况下采用的是用单独观测边所构成闭合图形，比如多边形以及附和路线等，这样可以提高网的可靠性。为了方便GPS的测量观测、水准联测，削弱多路径产生的影响，GPS网点在一般情况下应该设在视眼开阔、交通方便的地方。为了方便联测，布设视野良好的方向点必须和测站有一定的距离。3.2技术要求3.2.1E级GPS布网方案1)测区以C级GPS点为基础，按边连接式均匀布网，布设7个E级控制点，同时应做到两两通视。2)E级GPS编号采用英文字母“ZJE”后面加流水编号：如ZJE01、ZJE02………ZJE7，中心标志用特制的GPS标志。3)E级GPS控制网精度应满足下表要求：表3-1控制网精度等级平均距离（km）固定误差a（mm）比例误差b-6最弱边相对中误差E级0.2-5≤10≤5≤1／200003.2.2E级GPS观测1)观测主要技术要求表3-2技术要求等级项目卫星高度角有效卫星数（静态）强度因子PDOP平均重复设站数（次）时段长度（min）数据采样率（″）E级≥15°≥4≤6≥1.6≥455-152)观测前，应该检校光学对点器，使基座水平度盘垂直于竖直轴。3)观测点号的输入和记录，依《测量记录格式》要求记录。4)量取控制点的标志面中心至接收机上的指标线的读数，观测前与观测后的仪器高，取平均值为最终值。5)GPS控制测量的操作应符合《GPS规范》的要求。3.2.3内业计算及精度1)内业数据的解算采用软件《中海达测绘GPS数据处理》专业版软件数据处理系统进行。2）每个时段同步观测数据的检核，按以下规定进行；a同一时段观测值的数据需要有4颗同步卫星，且保证有共同观测的时间大于45分钟。b每一个时段的基线平差值的中误差与相对中误差，计算公式如下：(3-1)式中:δ代表标准差，mm，b=5代表比例误差系数，ppm，a=10代表固定误差，mm，d代表相邻点间距离，Km。3）每个时段同一条基线之间的成果差，必须要小于GPS接收机上面标准精度的2倍。4）闭合环的坐标分量闭合差如下规定：；；(3-2)式中；n闭合环中的边数；ó相应级别（如E级）规定的精度。三边同步环，其中一条边和别的两条边的代数和，差的数量要小于如下：；；；≤3σ／5(3-3)式中:σ——相应级别规定的精度(按平均边长计算)。6）原始观测计算数据应予全部打印（包括剔除数据），以便检查。7）数据不合格的点，安排在用一个时段一起测。3.3控制测量外业3.3.1网形的设计按校区均匀布设，合理的控制长短边的现象，总共布设7个控制点。图3-3网形图3.3.2外业选点我们主要是根据以下的原则布设的E级控制点。1)主要是以距离为参考依据，尽可能的避免长短边的现象，以免干扰基线解算的精度。2)尽可能设在视野开阔的平地上，满足地质勘探的要求。3)架设点的视野周围15度以上理论上不应有障碍物,但周围条件比较差的地方，一面可以有障碍物，而其他三面则不能，能保证能接收到足够的卫星就可以。4)远离山车辆经常经过的路段。5)附近不应有大面积水域、旁边不应该有大面积的平整切壁,以减弱多路径效应的影响。6)可以寻找人工小道通往控制点，方便其他观测手段的利用该点，以及摆静态GPS仪器。7)不可布设在路边角上，水沟旁边等危险、不利于摆点、不利于保存点的地方，选在基础稳定的地方。3.3.3外业埋石标石一般于现场用混凝土灌制，当在现场遇到旧石时，一般选择利用旧点来进行标石，同时要记得做好标记。根据要求，一般情况挖30cm（深）×30cm×30cm大小的埋桩坑，且方向要尽量朝北，桩面周围浇灌30cm(深)×30cm(宽)的混凝土后埋30×30×30cm的带有中心标志且有公司名称标志的水泥预制桩，标志正方向也要朝北方向，清理周围的杂草，以免长长覆盖控制点。3.3.4外业观测GPS控制网的等级要求有：固定误差；ɑ（mm）≤10，比例误差；b（ppm）≤20，相邻点距离；（km）≤1-10。E级控制网需要引入上一级的控制点，在实际操作中一般是C级控制点，第一天必须要三个控制点与E级点联测，且基线数量要大于三条，才能构成三角网，构成误差相关误差函数关系，一起解算。不同的时段观测与上一时段需要有重复边的观测。观测的时候，引入C级控制点的时候观测时间要比较长，大于45分钟，以便采集更多的数据，提高基线解算精度，且转点的要求需要外业条件比较好的控制点作为转点，选择较高的控制点，可以选择C级和E级各一个作为重复基线，提高整个E级网的精度。因为有截止高度角，所以尽量拉高仪器;做好各项记录;开机关机时间，仪器高，点名，仪器型号;不可在观测的时候在仪器旁边走来走去，玩手机；拍照以便做点之记。因为控制测区离C级点比较远，必须要在中间选取合适点作为转点，参与基线解算，避免长短边现象，提高网平差的精度，平差报告该转点的平差结果可以删除。3.4内业数据处理下载中海达HDS2003新建项目文件，用仪器之星软件把外业观测数据转换为标准格式文件，导入数据，自定义坐标系统，子午线采用117度，3度带高斯投影。图3-4数据导入图3-5龙岩学院静态GPS处理网图3.4.1数据的检核外业选点埋石观测是比较简单的，内业数据的处理，则需要一定的技巧跟专业知识。解算中要是发现有的基线处理结果不理想，可以用此基线的两个测点的标准格式数据文件检查一下GPS接收该点数据的一些情况，Rinex的数据文件格式如下所示：

所示的数据采样间隔为5秒，从左到右，分别是：

642881419.999999010521291418261592230

年月日小时分秒间隔符卫星编号ID

各种接收机的采样间隔不一样，但是两个数据之间的采样数据间隔一般是差不多的，差很多说明，采集的原始数据有问题。采样间隔不应该大于1分钟，如果GPS数据采样时候的间隔太大，正常是接收机的原始数据记录有错也或者是参数被设置错了。3.4.2数据的预处理1）正常情况下不会所有基线都解算成功。检验或是寻找基线有没解算成功的重要标志有两个：RATIO和RMS，如果RATIO>2,RMS<0.02我们认为基线解算成功；RATIO<2且RMS>0.02我们认为基线解算失败。但是这两种参数不是绝对的指标，并不能判定最后的网平差的精度，对于基线解算失败的基线可以重新进行基线解算；解算不好的基线可以考虑把它删除，否则将影响精度。2）基线解算不合格的基线可以修改一些参数后重新解算，周跳图反应的是数据的波动情况，通过它的变化情况来调整起始跟结束历元。3)采样率的数值越大，每次采集数据的数据的时间变长，采样率的数值越大，数据的灵敏度越低，则它的周跳图越平稳，同样不是越大越好，一般情况是同一个时段的采样率都设为一样的，提高它们的匹配度，有解算数据不合格的基线，可以适当的改变该条基线的采样率，使数据达到合格。4)软件默认是15度的卫星截止角，低于该角度的卫星数据是不参与解算的，使更好质量的数据参与解算，提高解算的精度。但不是角度越大越好，会导致其它误差的加大和卫星数量的不够，影响其他误差的大小，一般是不大于60度。解算技巧在对本身存在质量问题的野外观测数据处理时也会存在一定的漏洞，数据预处理只是对观测数据质量的一种检测，还需要人工的干预基线的解算，提高精度使得符合要求。3.4.3人工干预基线解算1）剔除观测时间太短的卫星，即观测时间小于45分钟的卫星要剔除，因为确定不了整周未知数。2）在周跳图中，有些线条会有断掉的情况，就是卫星失锁了，所以剔除周跳多的卫星，屏蔽周跳多的时段，不能只剔除线条中间的数据，保存两端的数据。3）在检查观测值的改正数时，发现多路径效应相对严重的，要剔除多路径效应严重的卫星。4）经过处理的卫星数据进行重新解算，形成新的周跳图，按以上的办法反复剔除参差比较大的卫星时段，必须要保证同一时段公共卫星数量大于4颗，且时间大于45分钟。5）基线解算参数的修改：截止高度角、观测值类型、星历类型、Ratio值限值、编辑因子、电离层对流层改正。图3-6静态基线图图3-7进行基线解算过程图3-8基线解算结果3.4.4基线解算质量的检查1)同步环是同时对相同一组卫星进行同步观测所获得的基线向量所构成的闭合多边形，理论上同步环等于零，但是外业不能同步观测，如果不能达到精度的要求，就表示基线解算有错，需要重新解算，E级控制网的三条基线的同步闭合差的限差为15PPM，如果没有超过限差，但并不足以表明观测值的高精度，因为它不是绝对精度指标。图3-9同步环检验2)异步环闭合差精度的绝对指标依靠的是异步环闭合差，指相互独立的基线组的闭合环图3-10异步环检验3)重复观测基线较差，指不同时段对同一条基线进行重复观测的观测值之间存在的差异，限差要求，ds≤3√2σ(ds基线长度较差，σ实际边长)，如果此方法不行，改善的方法依然还是重新进行基线解算。3.4.5进行网平差1）无约束平差:无约束平差是在没有输入控制点坐标的时候对GPS网的内部进行各种误差分析。具体有基线粗差分析、对网的精度分析、解算三维平差因子。调整各基线向量观测值的权，重新构网。输入生成的三维平差因子进行约束平差。图3-11无约束平差2）约束平差；输入控制点后的平差，其中约束平差的步骤有以下几点：先指定进行平差的基准以及坐标系统，接着指定开始计算时的数据，然后检验约束条件的质量,最后对平差进行相应的解算。图3-12约束平差3.4.6生成平差报告表3-1平差报告点名xy正高(m)平面中误差中误差(m)中误差(m)中误差(m)D64276918.7420501673.6890378.2800********************E012769321.4561502030.6363407.53050.01190.00860.00810.0030E022769663.5011502052.1508396.81030.01160.00480.00570.0018E032769423.3922201928.9490391.13930.00750.00920.00900.0023E042769622.7944501467.7395375.88890.00630.00380.00500.0021X792769885.6300501259.5870367.6750*****0.00890.00880.0025X812769507.7040501133.0280377.1570********************4.独立网平差法4.1优越性与基本步骤平时有很多方法进行独立网进行平差，但平时我们所用的独立网平差法虽然精度要求达标，可是有时不够简便，计算起来很复杂。这时采取一种简单而又便捷的方法、同时又能达到精度要求是一件很值得深思的事情。通过学习中对大量独立网平差经验的积累和分析，详细说明一下如下方法。此方法在一定的条件下，既可以满足便捷又能保证精度。以下面的图4-1为例，来详细说明利用PowerADJ计算独立网的思路与方法。图4-1独立网在图4-1里，S1，S2，S3，S4分别为新布设的GPS点，G1，G2，G3是地面高等级三角点的已知点，共同组成GPS独立网。在图1网中，要计算出采用54北京坐标并以G3为挂靠点,、以G3~G2的北京坐标系下的方法作为起算方位，进行整网平差。目前进行如下步骤可以实现这一平差：首先先用常规方法进行基线解算和3维无约束平差。然后在进行完3维无约束平差之后，接着评定整网的精度是否符合（即评定内符合精度），得到GPS网点的WGS-84坐标。以G1，G2，G3为固定点，开始2维约束平差，接着检验起算点的正确性和兼容性。为了得到测区中间子午线的经度，必须对起算点坐标进行换带，具体指把起算点坐标融入到测区中间子午线下的新带中，紧接着要同时计算G3~G2在该新带下的坐标方位角。在换算后的新带中，固定点采用G3点（G3的新带坐标应用到目前的坐标），固定方位角取G3~G2的方位角（方位取G3~G2的新带方位）。接着在计算中导入GPS基线向量，然后对换算后的GPS网进行二维约束平差，最后得到GPS各网点之间的边长。回到原来54坐标系下的原带中，固定点采用G3，（坐标取G3的1954年北京坐标），固定方位为G3~G2的方位角，在导入GPS基线向量的时候，同时将上面步骤4里计算得出的各网点之间的边长作为强制约束条件，对GPS网进行二维联合平差，最后得到相应的独立网成果。通过以上五个步骤，计算出的结果，不仅可以同时满足精度要求而且还能满足施工放样的要求。4.1.1高斯投影的影响这种平差方法子啊应用的时候还需要考虑到地面高程的影响，即三差改正；垂线偏差改正、标高差改正、截面差改正。4.1.2适用性此方法运用起来简单而且容易掌握，但是它有一定的局限性，只适用于一些低海拔地区。因为在高海拔地区中，无法消除椭球面改正，而且影响值非常大，所以在运用时，一定要先对局限性进行分析，在觉得此方法可以使用时在进行使用，不要到计算一半的时候才发现存在很多误差。4.2经验与体会在平时学习的时候，可以把此方法融入到学习中，一旦发现实际情况符合的话就加以使用。计算中运用此方法，是一种非常节约时间而且又可以达到相应的精度要求的方法；但是在海拔相当高的地区，由于高斯投影的影响，所以不再适用，需要寻求其他的解决方法。从这次方法的讲述中，深刻体会到在平时的学习中不能盲目的学习，选择正确的方法是一种非常聪明的学习方式。5工期计划与安全保证1）将于9月20日组织10个作业小组轮流测量，11月1日前提交全部成果资料。2）安全员应该经常提醒作业组成员要切实注意人身、仪器设备安全，全体作业员要遵校区有关安全规定。6质量控制1）工程质量保证措施：重视质量管理工作，针对本项目，对每道工序，每个阶段成果设立三级检查和一级验收制度，尽量做到及时发现问题、解决问题，并把问题反馈给作业组。质量控制程序贯穿着作业全过程。2）质量检查内容a各种数据、各项精度的要求，仪器检查的测绘精度。b上交数据成果的内容、文件名正确、数据无错漏。c控制网测绘正确，精度符合要求，标石埋设符合要求，地形、地貌表示合理，定性准确、无遗漏。各地类要素编辑质量良好，属性要素无错、要素的规格性符合图式要求。d最终成图数据经技术部抽样检查。7总结语如今，随着测量仪器越来越多，手段也越来越丰富，当遇到复杂的地形，糟糕的天气，