【GPS控制网的设计9500字（论文）】

GPS控制网的设计目录TOC\o"1-2"\h\u18461摘要 1167591绪论 1249821.1研究背景与意义 1300461.2国内外研究现状 2213841.3研究内容 3191252相关理论概述 3219182.1GPS定位的方法与观测量 3131232.2GPS控制网优化设计分类 4287092.3控制网优化设计的一般流程 513393GPS控制测量中的数据处理 6151583.1GPS数据预处理 7287333.2GPS起算基准选取 8266773.3GPS网平差处理 10100682.网平差的实际进行，这部分是软件自动完成的; 11287523.4GPS网比较分析 12204844GPS控制网设计的案例分析 13224934.1项目概括 1317014.2GPS控制网优化设计原则 13137704.3GPS控制网设计方案 1327064.4选择最佳观测时间段 16264995结论 1630980参考文献 17摘要众所周知，利用GPS系统实测各种用途的控制网可以达到降低外业劳动强度，提高工作效率，获得较高的相对定位精度和低成本的目的。为此我们首先应做好GPS网的优化设计，这也是达到此目的的关键。本文从GPS控制网的点位选择，图形设计及观测方案等方面入手，探讨了GPS控制网的优化设计问题。关键词：1绪论1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着科学技术的不断发展，GPS(GlobalPositioningSystem)与人们的生活和社会的发展紧密联系在一起。GPS具有全时段、自动化、高精度等显著特点，能够实现海、陆、空三维导航与定位，广泛应用于军事、交通导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查和日常生活等不同方面和领域。GPS与现当代通信技术相结合，测定地球表面点位三维坐标的方法，由静态发展到动态，由数据后处理发展到实时的定位和导航，极大地拓展了应用的广度和深度。GPS技术中的载波相位差分法，可以极大提高相对定位精度，在小范围内可以达到厘米级精度。GPS技术的发展为大地测量提供了一种新的高精度的测量手段。GPS测量不需要两点间通视、不受天气影响、能直接获得三维坐标、精度高、速度快、费用省、操作简便，GPS技术已成为大地测量的重要手段。1.1.2研究意义作为大地测量的起始工作，实地踏勘和选点是非常重要的，在对实地情况有了认识和掌握之后，就可以根据相关规范，进行测量工作的技术设计和外业工作;而技术设计阶段，如何最合理的布设控制点和选择最优的观测方案，这是测绘工作的关键环节。同样，在GPS控制网的优化设计中，合理优化配置GPS网观测方案，对目前的实际工作具有十分重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状对控制网优化设计的研究己经由来己久。1868年Helmert教授就发表了关于“测量的合理性研究”的论文;1882年Shreiber教授曾提出过著名的“基线网最适当权分配”的方法，对基线扩大网的测角观测方案进行了优化设计，这是对测量控制网的优化设计所作的开创性工作。但是受限于当时科学技术的落后和计算机计算能力以及图形显示能力的低下，控制网优化设计的深入研究陷入了停滞阶段。直到20世纪60年代后期，控制网优化设计问题才又重新引起了科研人员的重视。此后，国内外众多学者对控制网的优化设计问题进行了一系列深入的研究。1976年，在第七届精密工程测量国际会议中，荷兰的Baarda教授提出了评价控制网质量的三项标准，即精度、可靠性与经济性，并引入准则矩阵的概念，为控制网的优化设计工作提供了一种更为合理的精度标准。斯图加特大学的Grafarend教授在对控制网优化设计问题进行深入研究的基础上，将优化问题分为四类，并在1972年和Schafffn教授一起提出了著名的Taylor-Karman结构，按照TK结构构造的准则矩阵具有均匀和各向精度相同的特点。为了加强国际合作，IAG分别于1979年和1980年成立了重点研究控制网优化设计的具体实施方案的“大地网计算辅助优化设计”专题研究小组和偏重于探讨控制网优化设计理论的“大地网最优化设计”专题研究小组。1.2.2国内研究现状20世纪80年代开始，我国的众多学者也开始对测量控制网的优化设计进行深入的研究:顾孝烈等人首先探讨了工程边角网的优化设计问题;李德仁研究了顾及精度与可靠性的测量控制网优化设计理论;1990年，陶本藻在分析了我国控制网二类优化设计的进展后，提出了今后进一步的研究方向。1992年，周秋生根据控制网机助优化设计系统原理，研制了一个机助设计系统。随着GPS技术广泛应用于大地测量领域和工程测量领域，GPS控制网的优化设计问题越来越引起国内外学者的重视。于来法，郑国宁研究了应用点位精度矩阵相关性优化GPS网的数学模型;周拥军，施民比较了GPS网与常规网的异同点，给出了GPS网平差及优化设计的数学模型;刘立龙，林文介分析了GPS控制网设计的指标，运用了蒙特卡洛法进行优化设计;张松林，张正禄等学者基于全边角网和全边方位角网模拟法设计的计算思想，提出了一种GPS平面控制网的模拟设计方法。此外，还有众多学者对此问题进行了研究，也取得了一些优秀的结果，就不再一一介绍。1.3研究内容2相关理论概述2.1GPS定位的方法与观测量2.1.1定位方法的分类利用GPS进行定位的方法有多种。若按参考点的不同位置，则可分为:(1)绝对定位(或单点定位):即在地球协议坐标系统中，确定观测站相对地球质心的位置，这时可认为参考点与地球质心相重合。(2)相对定位:即在地球协议坐标系统中，确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置。若按用户接收机在作业中所处的状态，则定位方法可分为:(1)静态定位:即在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。不过，严格说，静止状态只是相对的。在卫星大地测量学中，所谓静止状态，通常是指待定点的位置，对其周围的点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内(例如数天或数周)可以忽略。(2)动态定位:即在定位过程中，接收机天线处于运动状态。而在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与动态两种方式。为了缩短观测时间，提高作业效率，除上述基本定位方式外，还有一些快速定位的方法，如准动态相对定位法和快速静态相对定位法等。2.1.2GPS基本观测量利用GPS定位，无论以何种方法，都是通过观测GPS卫星而获得的某种观测量采买现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，其中主要包括:·根据码相位观测得出的伪距；·根据载波相位观测得出的伪距；·由积分多普勒计数得出的伪距差；·由干涉法测量得出的时间延迟。不过，当采用积分多普勒计数法进行定位时，其所需的观测时间一般较长(例如数小时)，同时在观测过程中，接收机的振荡器要求保持高度稳定。而用干涉法测量时，所需的设备尚比较昂贵；数据处理也较为复杂。所以这两种方法，目前在GPS定位中，尚难以获得广泛的应用。目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相位观测量和载波相位观测量。所谓码相位观测，即测量GPS卫星发射的测距码信号(C/A码或P码)，到达用户接收机天线(观测站)的传播时间，因此这种观测方法，也称为时间延迟测量。2.2GPS控制网优化设计分类控制网的解析优化设计法即通过对实际问题的具体分析，确定目标函数，列出约束条件，从而建立优化设计问题的数学模型，选择合适的搜索寻优算法，求出问题的严格最优解的过程。参照国际公认的Grafarend提出的测量控制网优化分类方法，GPS控制网优化设计也可分为四类：第一，零类设计问题，又称基准选择问题，即为一个己确定网型与观测方案的自由网选择一个最优的参考系，包括投影而、投影带、起算点等。己知设计矩阵A和权阵P，确定站点坐标向量X及其协因数阵Qx，Y，使坐标向量X的方差之和达到最小。第二，一类设计问题，又称图形结构设计问题，即为使坐标向量X的协因数阵Q与事先设计的准则矩阵Qx，Y，最为接近或使网内局部精度达到预期，在已知权阵P的情况下，确定网的设计矩阵A。第三，二类设计问题，又称观测值权的分配问题，即确定最优的GPS控制网观测方案。本阶段已知控制网的设计矩阵A，需要设计的是权阵P。第四，三类设计问题，即己有GPS控制网的改造方案的设计问题。控制网的改造包括加密、扩展、补测等。三类设计需要解决的是在改造质量要求一定的前提下如何使工作量最小或是改造经费一定的情况下，如何使网的改造效果最佳。在实际的优化设计问题中，实际上很难将问题简单的归为哪一类设计问题，通常是不同类设计的交叉综合，比如三类设计问题可以看成是一类和二类的混合，又如进行一、二、三类设计之前必须解决零类设计问题。因此，各类设计问题通常是不能严格分开的。2.3控制网优化设计的一般流程控制网的优化设计可分为四个部分的内容，要制订一个优化方案须对由四部分内容组成的迭代过程求解。这四部分内容为：(1)提出优化的任务(2)制定网的设计方案(3)进行方案评价(4)进行方案优化优化流程如图2-1所示：开始开始提出优化任务提出设计方案实地勘察是否满足一些要求在实地能否变动网形改善优化结束图2-1控制网优化设计的一般流程3GPS控制测量中的数据处理卫星定位的数据处理，一般均可借助相应的数据处理软件自动完成。随着定位技术的不断发展，数据处理软件的功能和自动化程度不断增强和提高。数据处理的基本流程如图3-1所示，包括数据的粗加工和预处理、基数向量计算和基线网平差计算，坐标系统转换或与地面网的联合平差。数据采集数据采集粗加工预处理基线解算定时定位数据库管理系统

GPS网与地面网的联合处理，高程问题的解决

数据库图3-1数据处理流程3.1GPS数据预处理铁路、公路等GPS地面控制网是工程施工建设的总控制网，其网点的稳定、准确与否直接关系到工程施工的质量。因此，必须结合施工的具体要求，对GPS地面控制网观测数据进行优化处理，并分析控制网点的稳定性，做到网点点位布设合理。3.1.1基线向量解算基线向量解算(baselinevectorsolution)是指在卫星定位中，利用载波相位观测值或其差分观测值，求解两个同步观测的测站之间的基线向量坐标差的过程。此前须进行数据预处理，剔除观测值中的粗差，即进行周跳的探测与修复。由于待定测站的近似坐标相对于基站的精度较低而影响卫地距离及传播时间的计算，须逐次迭代不断提高测站近似坐标精度，以修正卫星信号发射时刻及相应的星历坐标，使整周待定值趋近于整数以获得良好的基线向量成果。有按单基线解算，和取用一测段内所有非基星相对于基星的双差观测值联合解算全部基线的两种方法。GPS基线向量解算时要顾及观测时段中信号间断引起的数据剔除、观测数据粗差的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新评估等问题。GPS基线向量的解算采用LEICA接收机随机提供的商用软件LGO软件，对每天的观测数据及时进行处理。对解算结果不好的基线进行了单独解算，采用改选卫星，去掉信一号接收条件较差、周跳出现较多的某颗卫星，截去卫星信号不好的时段和改变高度角等方法改善基线解算结果，对于单独解算不满意的基线作重测或删除处理。铁路GPS外业基线解算采用广播星历、相位观测值双差分技术，解算数据采用率达99%以上。基线结果采用双差固定解，表示精度的残差(Rms)均小于1cm，满足规范规定要求，表示固定解可靠性因子(Ratio)达98%以上。3.1.2基线质量评定除在计算GPS基线向量时，根据一定的指标(Rms，Ratio)对计算结果进行检查外，为提高GPS测量的精度与可靠度，必须对基线解算质量进行检核，一般包括以下几项检核：1)同步环坐标分量及全长相对闭合差的检查坐标分量闭合差限差:全长相对闭合差限差：式中n为同步环的边数，为相应级别规定的观测精度(按平均边长计算)。2)非同步环坐标分量及全长相对闭合差的检查坐标分量闭合差限差:全长相对闭合差限差:适中n为独立环边数：3.2GPS起算基准选取GPS控制网的建设，要依托现有控制网。如果起算点与拟建的GPS网不兼容，将会引起GPS控制网的扭曲和变形，损害GPS网精度。因此，如何选取合适的高等级控制点作为GPS扩展网的起算数据会直接影响扩展网的精度，或导致GPS控制网的失控和相对超控。根据控制网布设原则，选取地面起算点必须充分分析己有地面控制网的资料，综合考虑控制网的网形结构，进行优化选取。在实际GPS控制网测量中，由于受测区范围、测区控制点成果资料等影响，测区情况比较复杂。特别是铁路工程控制网等控制范围较大的GPS网，为了满足设计精度要求，不得不选取不同的地面控制点作为起算点。这些情况容易引起地面起算点与GPS网的不兼容性，引起GPS网变形，不能满足相应的GPS观测精度。数据处理过程中，要得到可靠的测量成果，必须对地面起算点进行效容分析。3.2.1地面起算控制点取舍根据规范规定，在约束平差中基线向量的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差必须满足:dV△X、dV△Y、dV△Z(为相应等级GPS网的边长精度)，当超限时可以认为约束的起算数据与GPS网不兼容，需要进行地面起算控制点的取舍。根据GPS网兼容性分析要求(约束平差GPS丛线向量的改正数与无约束平差结果的同名基线相应改正数较差绝对值较大的基线分量应与兼容性不好的起算点相关)，采用模拟法进行地面起算控制点的取舍，利用计算机快速而准确的信息加工能力，并顾及相关性影响，通过人工分析、判断和修正，不断地调整选取方案，使得目标值逼近极值，从而形成最优化选取方案，具体取舍流程如图3-2所示：…………..全网起算点等权约束平差GPS网精度失控或相对超控输出平差结果剔除兼容性不好的起算控制点起算控制点补测图3-2起算点兼容性模拟法分析流程分析满足兼容性要求后的地面起算点情况及最后一次约束平差结果，如果能满足设计精度要求，即可把该次成果作为约束平差成果。在分析选取过程中，有时会遇到多种兼容方案，当平差结果精度相差不大的情况下一般选取地面点分布较合理的方案。如果在选取中去掉不兼容点后，原网有大面积失控或精度超过限差，应加测部分起算点后再进行兼容性分析，直到满足设计精度要求为止。3.2.2兼容性计算分析这里，以武广客运专线某段控制网为实例进行分析。在测区范围内可供选择的高级联测点有二等三角点(A031、A035、A038，A041、A050、A080)，起算点兼容性分析如下：1)先把全网6个二等三角点(A031，A035，A038，A041、A050、A080)作为已知点进行GPS网约束平左，平差结果中发现与A041有关的4条墓线向量中有3条的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差绝对值超过2，其中1条为全网较差绝对值最大值；与A031有关的6条基线向量中4条的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差绝对值超过2，即确定A031，A041点为兼容性不好的起算点。2)把A031作为未知点，以其余5点作为己知点进行约束平差，平差结果中发现与A080有关的6条基线向量中3条的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差绝对值超过2，即确定A080点也为兼容性不好的起算点。3)把A031，A041作为未知点，以其余4点作为己知点再进行约束平差，平差结果中未发现基线向量的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差绝对值超过2的GPS基线，但是与A050有关的3条基线向量的改正数与无约束平差结果(剔除粗差后)的同名基线相应改正数较差绝对值相对较大，可能A050点的兼容性不是太好，但在兼容性要求范围内。4)分析满足兼容性要求后的地面起算点情况及最后一次约束平差结果，平差后的各项精度指标满足设计要求，把该次成果作为约束平差成果。在分析选取过程中，有时会遇到多种兼容方案，当平差结果精度相差不大的情况下一般选取地面点分布较合理的方案。如果在选取中去掉不兼容点后，原网有大面积失控或精度超过限差，应加测部分起算点后再进行兼容性分析，直到满足设计精度要求为止。3.3GPS网平差处理从图3-3中可以看到，网平差实际上可以分为三个过程：1.前期的准备工作，这部分是用户进行的。即在网平差之一前，需要进行坐标系的设置、并输入己知点的经纬度、平面坐标、高程等;2.网平差的实际进行，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，这部分也是需要用户分析处理的过程。坐标系、网平差设置坐标系、网平差设置已知坐标输入，如经纬度、平面坐标、高程等提取基线向量构建GPS基线向量网网图检查三维无约束平差

三维

二维

水准拟合

质量分析和控制图3-3网平差过程为了全面考察GPS网的内部符合精度，探测可能存在的粗差，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差。在基线解算质量检核的基础上，进一步评定GPS网的内部符合精度与外业观测的质量，利用基线向量改正数进行粗差的检验。三维无约束平差对基线向量质量的检查一般可以通过分析基线向量三个分量的残差、最弱点点位误差、最弱边相对中误差以及验后单位权中误差等来判断。利用商用软件LGO在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，三维无约束平差以A031的单点定位解为起算数据，精度统计如表3-1、表3-2所示。表3-1三维基线残差基线残差＜1.0（cm）1.0-2.0（cm）＞2.0（cm）最大误差最小误差总数X基数百分比7940-1.25-0.0183占总数百分比85.2%4.80%100%Y基数百分比73912.630.0383占总数百分比88.0%10.8%1.2%100%Z基数条数701212.00-0.0183占总数百分比84.3%14.5%1.2%100%表3-2维基线相对误差、三维点位误差相对误差区间＜1/100万1-100-1/50万＞1-50万最佳值最差值总数区间个数3723231/5556万1/16万83占总数百分比44.627.727.7100%点位误差＜1.0cm1.0-2.02.0最大值最小值总数区间个数131101.590.5024占总数百分比54.2%45.80100%3.4GPS网比较分析GPS网比较分析主要是分析两期的GPS平面网的直角坐标是否有明显差异。根据规范中最弱点精度要求(小于士1.2cm)，GPS网两期点位较差的允许值为：根据网的两期二维平差坐标，计算点位较差：故两期网点较差应满足：分析GPS控制网的外符合精度，统计4个二等三角点与原测控制网坐标较差值的情况，如表3-3所示。表3-3控制网的外符合精度点号A031A035A050A080dx(cm)-2.41-0.41-2.97-0.64dy(cm)1.061.630.01-2.49d△(cm)2.631.682.972.57从3-3中说明，GPS控制网的内、外符合精度均较高，整体网形结构均较强，且精度都能充分满足工程的精度要求，两期点位较差值最大值为2.97cm，最小值1.68cm，控制点的点位较差值均满足《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》限差要求(与原有控制点的坐标较差＝50mm)，从而说明GPS网的点位误差较小，证明GPS控制网的点位是可靠的。4GPS控制网设计的案例分析4.1项目概括烟台经济技术开发区位于胶东半岛东北部，面积约200。受开发区委托，我院施测了三等GPS控制网作为首级平面控制网:因面积大，且多为山地、丘陵地，为提高观测遨变和可靠性，采用DL-102C电子水准仪建立了三等水准网作为首级高程控制网，用三等水准联测过的GPS控制点(CGPS水准点)作为GPS高程拟合的起算点。测区中央位于121°07’子午线附近，成图范围地势有平地、丘陵地、山地和高山地，平均高程为150米左右，大地水准面相对于1980西安坐标系参考椭球面的高度约为9.6米。按常规的投影(中央子午线为1200)，边长投影到高斯平面的长度变形值大于2.5cm/km的规定。4.2GPS控制网优化设计原则GPS控制网的布设应视其目的，要求的精度，卫星状况，接收机类型和数量，测区已有的资料，测区地形和交通状况综合考虑，即网的设计应在效率性、可靠性、精确性和经济性等方面力图实现用户的要求。4.3GPS控制网设计方案4.3.1选择有利的GPS点位选择合理的GPS点位是进行GPS控制网测量的一个必不可少的先决条件，GPS点位选择得恰当与否将直接影响到GPS测量的精度、费用和下级测量工作。所以在实测GPS控制网之前，进行踏勘选点时，除了遵循《全球定位系统(GPS)测量规范》(以下简称《规范》外，还应注意以下几点:GPS点位应该离公路稍远一些。因为在公路上行驶的车辆很容易给路边GPS观测造成多路径误差，同时观测人员及仪器设备也很危险。GPS点位应远离枝叶茂盛的大树。因为茂盛的树枝和树叶容易遮挡信号，特别是在枝叶潮湿时极易引起信号失锁，产生周跳，造观测误差。GPS点位应尽量远离对无线电信号有反射作用的建筑物及具有发射无线电信号功能的电视台、电台等。无线电信号易使GPS测量数据产生多路径误差，甚至使信号失锁，产生屏蔽。单从GPS观测的特点出发，没必要保证相邻点间的通视，但是GPS网往往作为各种用途的首级控制网，后续工作很有可能利用GPS点使用常规仪器进行发展，此时应保证有定向点和检核点，所以在选择GPS点位时应该考虑某些点间的通视问题。在布设GPS网时，有时可能会遇到基线长度超过50km的情况。这时整周未知数的解算和周跳的探测与修复都十分困难，此时应该在长基线中间增加几个GPS点。使被截开的各基线长度保持在10km与15km以内，利用这些短基线来解算整周未知数，从而解决了长基线所产生的困难。4.3.2三等GPS控制网对起算点的精度检核对起算点的检核联测略图详见图4-2的粗长实线部分。首先用GPS对4个国家二等三角点II是顾家围子山(点号为100)，II是九目山(点号为101)，II炮山(点号为102)，II是磁山(点号为104)，进行内部符合精度的检测。固定100号点、101号点、102号点、104号点中任意一点平差后的精度统计情况详见表4-1：表4-1对起算点的精度检测统计表基线边号理论边长实测边长差值△S（m）相对精度△S/SI100-10415417.717615417.72310.00551/2803221100-10218688.274318688.06430.21131/88444100-1018186.67808166.71430.03541/230754101-1047636.26757636.54260.27511/27758从表4-1中可以看出号点与号点的点位精度较低，号点与号点的内符精度最高，故选定号点与号点这两点作为全网平差的起算点。4.3.3三维无约束平差该网的总基线数为条，基线向量改正数详见表4-2，表4-3，点位中误差统计表详见表4-4。表4-2基线向量改正数精度统计表基线向量改正数误差区间0-11-22-33-4Vx百分比97.66%2.34%0%0%Vy个数、百分比98.44%1.56%0%0%Vz百分比98.44%1.56%0%0%表4-3基线相对精度统计表误误差区间间1/10万-1/20万1/10万-1/50万1/150万百分比0%8.7%91.3%最弱边为一，其相对精度为远远小于完全满足精度要求。表4-4三维无约束平差点位中误差统计表中误差类别X中误差MxY中误差MyZ中误差Mz点位中误差Wp最大值（cm）0.821.141.151.82点号20202020在一坐标系下的三维无约束平差的最弱点为20号点，其点位中误差为1.82cm，最优点点号为38号点，其点位中误差为0.50cm。下面以一个简单的网图加以说明，见图4.1。设A，B，C为国家高级三角点，都有规标，G01、G02、G03、G04、为新布设的GPS网点，新布设各点的周围基本上没有障碍物，则按3台GPS接收机进行观测，都是6个测段，而1-a图形方案要优于1-b图形方案。因为1-b方案中AB、BC、CA3段基线在同一时段观测，A、B、C3点都有规标，都对观测时间有特殊要求，较难满足。而1-a图形方案除一个时段外，其他每一个时间段内都只有一个点有障碍物，较容易取得满足要求的时间段。图4-1原图图4-2优化后图4.4选择最佳观测时间段在GPS正式投入运行后，GPS卫星能达到全球三维覆盖，也不一定能有较好的分布图形。因此，在测量之前，需计算出一天中可见卫星的情况和可见卫星分布情况及GDOP值，以便制定观测计划，也就是选择最佳观测时间段，使GDOP值达到最小。一般认为观测时间段越长对于提高观测精度是