测绘工程毕业论文GPS在公路工程测量中的应用.doc 58页

'测绘工程毕业论文--GPS在公路工程测量中的应用摘要数字化测图是近几年随着计算机地面测量仪器数字化测图软件的应用而迅速发展起来的全新内容已广泛应用于测绘生产水利水电工程土地管理城市规划环境保护和军事工程等部门并被广大用户所接受而GPS做为数字化测绘的先进技术应用于公路测量则是公路外业勘测的一项重大技术革命其应用及开发的前景十分广阔尤其是实时动态RTK定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力本文从GPS卫星定位系统的概述入手先介绍了GPS卫星定位技术的原理和接着列举实例对GPS在公路测量中的应用及其对公路勘测的巨大推进作用做了详述主要是对孝义市市区北外环公路控制网的测绘过程做了详细介绍最后对GPS技术在公路测量中的应用前景做了展望关键词GPS全球卫星定位系统GPS控制网RTKAbstractThedigitizedmappingisinrecentyearsalongwiththecomputerthegroundsurveyinstrumentthebrand-newcontentwhichbutthedigitizedmappingsoftwareapplicationdevelopsrapidlyHaswidelyappliedindepartmentsandsoonmappingproductionwaterconservationwaterandelectricityprojectlandmanagementurbanplanningenvironmentalprotectionandmilitaryengineeringandisacceptedbytheusercommunityButGPSdoesforthedigitizedmappingvanguardtechnologyappliesinthe highwaysurveyingisasignificanttechnologicalrevolutionwhichtheroadfieldoperationsurveysitsapplicationandthedevelopmentprospectisextremelybroadThereal-timedynamicRTKlocalizationtechnologyisinparticularcontainingthehugetechnicalpotentialinthehighwaysurveyingThisarticlefromGPSsatellitepositioningsystemoutlineobtainingintroducedfirsttheGPSsatellitepositioningtechnologyprincipleandtheworkregulationsthenenumeratedtheexamplewhichsurveyedtotheroadhavemadethespecificationtoGPSinthehighwaysurveyingapplicationandthehugeadvancementfunctionMainlywastheouterringroadcontrolnetmappingprocesshasmadethedetailedintroductiontothefidelitycityurbandistrictnorthfinallyhasmadetheforecasttotheGPStechnologyinthehighwaysurveyingapplicationprospectKeywordTheGlobalPositioningSystemGPScontrolnetRTK 目录第一篇GPS在公路工程测量中的应用1第一章绪论1第一节GPS卫星定位系统的产生发展及应用前景1第二节GPS定位技术的应用现状3第三节我国GPS定位技术的发展和应用4一我国GPS定位技术的发展4二我国GPS定位技术的应用5第二章GPS卫星全球定位系统7第一节GPS卫星定位系统概论7一GPS系统简介7二GPS卫星定位原理9三GPS卫星的导航定位信号13四GPS信号接收机14第二节GPS系统的应用17一GPS系统能够实施全球性全天时全天候的连续不断的三维导航定位测量17二GPS信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数17三GPS卫星能够为陆地海洋和空间广大用户提供高精度多用途的导航定位服务17第三章GPS在公路测量中的应用及实例分析19第一节GPS在公路测量中应用趋势及相关技术19 第二节实例分析孝义市市区北外环公路控制网的测绘20一测区概述20二工程概况20三测量工作的总体方案21四GPS网的外业观测26五用RTK技术进行控制测量32总结42第二篇三度带六度带的坐标转换44第一节简述44第二节研究目的46第三节程序设计48参考文献64英文资料65致谢72第一篇GPS在公路工程测量中的应用第一章绪论第一节GPS卫星定位系统的产生发展及应用前景 20世纪60年代第一代卫星导航定位系统子午卫星系统Transit正式建成并投入军用该系统采用多普勒测量的方法进行导航和定位由于其存在的种种局限性由美国国防部等多家机构组成的联合工作办公室JPO提出了一个综合性方案GPS系统并于20世纪90年代建成并投入运行该系统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GPS系统现代化更新阶段2000-2010根据1996年美国的总统决定建立了国防部和交通部组成的联合管GPS事务局IGEB在IGEB的主持下于19971998年期间讨论了增加GPS民用信号从而改进民用和商用目的的GPS状况并与空军已经开始的计划相结合形成了更新GPS运行要求的文献ORDOperationalRequirementsDocument其内容即为目前的GPS现代化计划并于1999年1月由美国副总统戈尔以GPS现代化的名称发布通告其具体实施是以2000年5月2日取消SA政策为标志GPS现代化的主要目的有三点保护美国及其盟军的军用服务防止敌方使用保持并增强民用服务GPS发展进程时间一览表1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI发射成功1958年12月开始设计NNSSNavyNavigationSatellitSystem–TRANSIT即子午卫星系统1964年1月该系统正式运行1967年7月TRANSIT系统解密以供民用1973年12月美国国防部批准研制GPS1978年2月22日第1颗GPS试验卫星发射成功1989年2月14日第1颗GPS工作卫星发射成功1991年海湾战争中GPS首次大规模用于实战1992年IGS成立InternationalGPSService国际GPS服务机构1995年7月17日GPS达到FOC–完全运行能力FullOperationalCapability1999年1月25日美国副总统戈尔宣布将斥资40亿美圆进行GPS现代化1999年8月2122日GPS发生GPS周结束翻转问题2000年1月1日Y2K问题2000年5月1日美国总统克林顿宣布GPS停止实施SA 第二节GPS定位技术的应用现状如人们所说"GPS的应用仅受人们的想象力制约"GPS问世以来已充分显示了其在导航定位领域的霸主地位许多领域也由于GPS的出现而生革命性变化目前几乎全世界所有需要导航定位的用户都被GPS的高精度全天候全球覆盖方便灵活和优质价廉所吸引GPS应用于测量GPS技术给测绘界带来了一场革命利用载波相位差分技术RTK在实时处理两个观测站的载波相位的基础上可以达到厘米级的精度与传统的手工测量手段相比GPS技术有着巨大的优势测量精度高操作简便仪器体积小便于携带全天候操作观测点之间无须通视测量结果统一在WGS84坐标下信息自动接收存储减少繁琐的中间处理环节当前GPS技术已广泛应用于大地测量资源勘查地壳运动地籍测量等领域GPS应用于交通出租车租车服务物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪调度管理合理分布车辆以最快的速度响应用户的乘车或送请求降低能源消耗节省运行成本GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色在城市中建立数字化交通电台实时发播城市交通信息车载设备通过GPS进行精确定位结合电子地图以及实时的交通状况自动匹配最优路径并实行车辆的自主导航民航运输通过GPS接收设备使驾驶员着陆时能准确对准跑道同时还能使飞机紧凑排列提高机场利用率引导飞机安全进离场GPS应用于救援利用GPS定位技术可对火警救护警察进行应急调遣提高紧急事件处理部门对火灾犯罪现场交通事故交通堵塞等紧急事件的响应效率特种车辆如运钞车等可对突发事件进行报警定位将损失降到最低 有了GPS的帮助救援人员就可在人迹罕至条件恶劣的大海山野沙漠对失踪人员实施有效的搜索拯救装有GPS装置的渔船在发生险情时可及时定位报警使之能更快更即使地获得救援GPS应用于农业当前发达国家已开始把GPS技术引入农业生产即所谓的"精准农业耕作"该方法利用GPS进行农田信息定位获取包括产量监测土样采集等计算机系统通过对数据的分析处理决策出农田地块的管理措施把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中从而精确地给农田地块施肥喷药通过实施精准耕作可在尽量不减产的情况下降低农业生产成本有效避免资源浪费降低因施肥除虫对环境造成的污染GPS应用于娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低GPS逐渐走进了人们的日常生活成为人们旅游探险的好帮手通过GPS人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地并且可以最优的路径行驶野营者携带GPS接收机可快捷地找到合适的野营地点不必担心迷路甚至一些高档的电子游戏也使用了GPS仿真技术70年代后期有关单位在从事多年理论研究的同时引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器1980年国家大地坐标系进行了南海群岛的联测80年代初我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术十多年来我国的测绘工作者GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作80年代中期我国引进GPS接收机并应用于各个领域同时着手研究建立我国自己的GPS接收机拥有量约在4万台左右其中测量类约500700台航空类约几百台航海类约3万多台车载类数千台GPS技术在我国各行业中应用的广泛性GPS技术开展国际联测建立全球性大地控制网提供高精度的地心坐标测定和精10多个单位30多台GPS双频接收机参加革命992年全国GPS定位GPS网点地心坐标精度优于02M点间位置精度优于10-8在我国建成了平均边长约100KM的GPS A级网提供了亚米级精度地心坐标基准此后在A级网的基础上我国又布设了边长为此30100KM的B级网全国约2500个点AB级GPS网点GPS联测使海岛与全国GPS静态相对定位技术布设精密工程控制网用于城市和矿区油田地面沉降监测GPS实时动态定位RTK测绘各种比例尺地形图和用于施工放样GPS技术进行航测外业控制测量航摄飞行导航机载GPS航测等航测成图的各个阶段GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测我国已开始用兵GPS技术GPS形变监测网等GPS技术已经用于海洋测量水下地形测绘GPS测量规范》已于己于人1992年10月1日起实施GPS技术的GPS静态定位和高动态高精度GPS跟踪站进行对GPSGPS定位测量提供观测数据和精密星历服务致力于我国自主的广域差GPSWADGPS方案的建立参与全球导航卫星系统GNSS和GPS增强系统WAASGPS接收机GPS技术的应用正向更深层次发展GPS技术的应用与发展1995年成立了中国GPS协会协会下设四个专业委员会GPS应用技图2-1GPS卫星轨道图GPS卫星系列参数情况见下表2-1表2-1GPS卫星系列的主要技术参数及发射情况指标类型BlockⅠBlockⅡBlockⅡABlockⅡR重量Kg5007749871075功率W4007107001036铯钟数1220铷钟数2223设计寿命年5737810首次发射时间comcomcomcom已发射数量119199GPS的地面控制系统 对于卫星大地测量而言GPS卫星是以一种动态已知点描述卫星及其轨道参数称为卫星星历每颗卫星的星历由地面监控系统提供另外卫星入轨运动后它的健康状况如何也需地面设备进行监测和控制地面监控系统包括一个主控站三个注入站和五个监控站主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集计算传输诊断等设备它的主要功能是收集各监测站测得的距离和距离差气象要素卫星时钟和工作状况的数据监测站自身的状态数据等根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历时钟改正状态数据以及信号的大气传播改正并按一定格式编制成导航电文传送到注入站监控整个地面监控系统是否工作正常检验注入卫星的导航电文是否正确监测卫星是否将导航电文发出调度备用卫星替代失效的工作卫星将偏离轨道的卫星拉回到正常轨道位置监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差采集气象要素等数据并将它们发送给主控站图2-2GPS组成部分示意图二GPS卫星定位原理一概述测量学中有测距交会确定点位的方法与其相似无线电导航定位系统卫星激光测距定位系统其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位就无线电导航定位来说设想在地面上有三个无线电信号发射台其坐标为已知用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1d2d3只需以三个发射台为球心以d1d2d3为半径作三个定位球面即可交会出用户接收机的空间位置如果只有两个无线电发射台则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机轮船的一种导航定位方法 近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法虽然用于激光测距的卫星表面上安装有激光反射棱镜是在不停的运动中但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离d1d2d3应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置如此可以确定三颗以上卫星的空间位置如果在第四个地面点上坐标未知也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上组成一颗卫星定位导航系统应用无线点测距交会的原理便可由三个以上地面已知点控制点交会出卫星的位置反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点用户接收机的位置这便是GPS卫星定位的基本原理GPS卫星发射测距信号和导航电文导航电文中含有卫星的位置信息用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号测量出测站点接收机天线中心P至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标据此利用距离交会法解算出测站P的位置如下图所示设在时刻ti在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星S1S2S3的距离ρ1ρ2ρ3通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为XjYjZjj123用距离交会的方法求解P点的三维坐标XYZ的观测方程为下式2-1　　　　2-1图2-3GPS卫星定位示意图在GPS定位中GPS卫星是高速运动的卫星其坐标值随时间在快速变化着需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值并进行测站点的定位依据测距的原理其定位原理与计算方法主要有伪距法定位载波相位测量定位以及差分GPS定位等对于待定点来说根据运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位静态定位指的是对于固定不动的待定点将GPS接收机置于其上观测数分钟乃至更长的时间以确定该点的三维坐标又叫绝对定位 若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上则通过一定时间的观测可以确定两个待定点间的相对位置又叫相对定位而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态测定的是各观测时刻观测历元运动中的接收机的点位绝对点位或相对点位利用接收到的卫星信号测距码或载波相位均可进行静态定位实际应用中为了减弱卫星的轨道误差卫星钟差接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响常采用载波相位观测值的各种线形组合即差分值作为观测值获得两点之间高精度的GPS基线向量即坐标差二伪距测量定位伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得到的量测距离由于卫星钟接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟实际测出的距离ρ与卫星到接收机的几何距离ρ有一定的差值因此一般称量出的距离为伪距用CA码进行测量的伪距为CA码伪距用P码测出的伪距为P码伪距伪距法定位虽然一次定位精度不高P码定位误差约为10mCA码定位误差为2030m但因其具有定位速度快且无多值性问题等优点仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法同时所测伪距又可作为载波相位测量中解决整周数不确定问题模糊度的辅助资料三载波相位测量定位 利用测距码进行伪距测量是GPS定位系统的基本测距方法然而由于测距码的码元长度较大对于一些高精度应用来讲其测距精度还显的过低无法满足需要如果观测精度均取至测距码波长的百分之一则伪距测量对P码而言量测精度为30cm对CA码而言为3m左右而如果把载波作为量测信号由于载波的波长短19cm24cm所以就可达到很高的精度目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为1～2mm有的精度更高但载波信号是一种周期性的正弦信号而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分因而存在着整周数不确定性的问题使解算过程变地十分复杂在GPS信号中由于已用相位调整的方法在调制了测距码和导航电文因而接收到的载波的相位已不再连续所以在进行载波相位测量以前首先要进行解调工作设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉重新获取载波这一工作称为重建载波重建载波一般可采用两种方法一种是码相关法另一种是平方法采用前者用户可同时提取测距信号和卫星电文但用户必须知道测距码的结构采用后者用户无须掌握测距码的结构但只能获取载波信号而无法获得测距码和卫星电文四差分GPS定位差分技术很早就被人们所应用比如相对定位中在一个测站上对两个观测目标进行观测将观测值求差或在两个测站上对一个目标进行观测将观测值求差或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差其目的是消除公共误差提高定位精度利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量这种差分技术已经用于静态相对定位该部分所讲述的差分GPS定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测根据基准站已知精密坐标计算出基准站到卫星的距离改正数并由基准站实时地将这一改正数发送出去用户接收机在进行GPS观测的同时也接收到基准站的改正数并对其定位结果进行改正从而提高定位精度 GPS定位中存在着三部分误差一是多台接收机公有的误差如卫星钟误差星历误差二是传播延迟误差如电离层误差对流层误差三是接收机固有的误差如内部噪声通道延迟多路径效应采用差分定位可完全消除第一部分误差可大部分消除第二部分误差视基准站至用户的距离差分可分为单基准站差分具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种三GPS卫星的导航定位信号一概述GPS卫星向广大用户发送的导航定位信号均采用L22cm波段作载波而且采用扩频技术传送卫星导航电文所谓扩频是将原拟发送的几十比特速率的电文变换成发送几兆至上十兆比特速率的由电文和伪随机噪声码组成的组合码GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串称之为数据码记作D其速率为50bits换言之D码的码率f50Hz对于距离地面20000km之遥而电能紧张的GPS卫星扩频技术能够有效地将很低码率的导航电文发送给用户其方法是用很低码率的数据码作为二级调制扩频第一级用50Hz的D码调制一个伪噪声码在D码调制伪噪声码以后再用它们的组合码去调制L波段的载波实现D码的第二级调制而形成向广大用户发送的已调波为了简便起见将每颗GPS卫星发送的两种已调波分别叫做第一导航定位信号和第二导航定位信号总称为GPS信号二GPS卫星的伪噪声码导航卫星向广大用户发送的导航定位信号也是一种已调波但有别于常用的无线电广播电台发送的调频调幅信号而是利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号1伪噪声码的定义GPS信号的调制波是卫星导航电文和伪随机噪声码的组合码称为伪噪声码 2伪噪声码的生成移位寄存器是产生伪噪声码的基础电路移位寄存器不仅具有暂时存放数据和指令的功能而且具有移位功能所谓移位功能是寄存器中所存放的数据可以在移位脉冲的作用下逐次向左移动或向右移动伪噪声码的产生不能用一般的移位寄存器而必须采用一种具有特殊反馈电路的移位寄存器称为最长线性移位寄存器它所产生的伪噪声码也称为m序列下图表示一个四级最长线性移位寄存器它包括4个D型触发器D1D2D3D4模二和反馈电路和时钟脉冲产生器图中的置1脉冲将使m序列发生器的各个触发器之初始状态均为1称为全1状态x1表示反馈到触发器D4的序列该反馈序列是触发器D1D2输出脉冲串的模二和所需要的m序列x0是从触发器D1输出的图2-4m序列发生器的方框图四GPS信号接收机一概述GPS信号接收机是GPS导航卫星的用户设备是实现GPS卫星导航定位的终端仪器它是一种能够接收跟踪变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电设备既具有常用无线电设备的共性又具有捕获跟踪和处理卫星微弱信号的特性二GPS信号接收机的类型1按工作原理分类基于被动式定位原理的GPS卫星测量技术关键在于怎样测得GPS信号接收天线和GPS卫星之间的距离简称站星距离按测量站星距离所用测距信号之异GPS信号接收机可以分为下列几种类型⑴码接收机用伪噪声码和载波作测距信号 ⑵无码接收机仅用载波作测距信号⑶集成接收机既用GPS信号又用GLONASS信号测量站星距离2按用途分类⑴测地型接收机厘米级精度测后数据处理⑵导航型接收机米级精度实时数据处理⑶定时型接收机专用于时间测定和频率控制3按所用载波频率多少分类用于卫星导航定位的载波是L1和L2它们的频率分别为f1154×1023MHz157442MHZf2120×1023MHz122760MHz按所用载波频率多少GPS信号接收机可以分成下列类型⑴单频接收机仅使用第一载波L1及其调制波进行导航定位测量⑵双频接收机同时使用多个载波及其调制波进行导航定位测量三GPS信号接收机的组成及原理1天线单元它由接收天线和前置放大器两个部件组成它的作用是将到达GPS信号接收天线的功率约为-160dBW的GPS电磁波变换成微波电信号并将如此微弱的GPS电信号予以放大为便于接收机对信号进行跟踪处理和量测对天线部分有以下要求⑴天线与前置放大器应密封一体以保障其正常工作减少信号损失⑵能够接收来自任何方向的卫星信号不产生死角⑶有防护与屏蔽多路径效应的措施⑷天线的相位中心保持高度的稳定并与其几何中心尽量一致 下图2-5是GPS接收机原理图图2-5GPS接收机原理图2接收机主机⑴变频器及中频放大器经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱为了使接收机通道得到稳定的高增益并且使L频段的射频信号变成低频信号必须采用变频器⑵信号通道信号通道是接收机的核心部分GPS信号通道是硬软件结合的电路GPS信号通道的作用有三一是搜索卫星牵引并跟踪卫星二是对广播电文数据信号实行解扩解调出广播电文三是进行伪距测量载波相位测量及多普勒频移测量⑶存储器接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历卫星历书接收机采集到的码相位伪距观测值载波相位观测值及多普勒频移目前GPS接收机都装有半导体存储器接收机内存数据可以通过数据口传到微机上以便进行数据处理和数据保存在存储器内还装有多种工作软件如测试软件卫星预报软件导航电文解码软件GPS单点定位软件⑷微处理器微处理器是GPS接收机工作的灵魂GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的其主要工作步骤为 接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检并测定校正存储各通道的时延值接收机对卫星进行搜索捕捉卫星当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪并将基准信号译码得到GPS卫星星历当同时锁定4颗卫星时将CA码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标并按预置位置更新率计算新的位置根据机内存储的卫星历书和测站近似位置计算所有在轨卫星升降时间方位和高度角根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距航偏角航行速度等接收用户输入信号⑸显示器GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息并配有一个控制键盘用户可通过键盘控制接收机工作对于导航接收机有的还配有大显示屏在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图⑹电源GPS接收机电源有两种一种为内电源一般采用锂电池主要用于RAM存储器供电以防止数据丢失另一种为外接电源这种电源常用于可充电的12V直流镉镍电池组或采用汽车电瓶当用交流电时要经过稳压电源或专用电源交换器第二节GPS系统的应用一GPS系统能够实施全球性全天时全天候的连续不断的三维导航定位测量在20000KM高空的GPS卫星从地平线升起至没落可以近乎无干扰地通过大气层而到达地面每一个用户在任何地方都能够同时接收到来自4--12颗GPS卫星导航定位信号用以测定他的实时点位和其他状态参数实现全球性全天时的连续不断的导航定位二GPS信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数 GPS卫星发送的导航定位信号不仅携带着内容丰富的导航电文而且调制着各个用于测量距离的伪随机噪声码换言之GPS信号的两个载波两个伪噪声码和导航电文为运动载体的多参数和广用途测量提供了丰富的数据载体三GPS卫星能够为陆地海洋和空间广大用户提供高精度多用途的导航定位服务一GPS技术的陆地应用各种车辆的行驶状态监测旅游者或者旅游车的景点导游应急车辆的快速引行和探寻大气物理监测地球物理资源勘探工程建设的施工放样测量大型建筑和煤气田的沉降监测陆地海洋大地测量基准的测定二GPS技术的海洋应用远洋船舶的最佳航线测定远洋船队在途航行的实时调度和监测海洋救援的探寻和定点测量海洋油气平台的就位和复位测定水文测量海岸地形的精细测量海底大地测量控制网的布设三GPS技术的航空应用民航飞机的在途自主导航航空救援的探寻和定点测量机载地球物理勘探飞机探测灾区大小和标定测量摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量四GPS技术的航天应用低轨通讯卫星群的实时轨道测量卫星入轨和卫星收回的实时点位测量载人航天器的在轨防护探测对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量五GPS技术能够达到毫米级的静态定位精度和厘米级的动态测量精度近年来美国的试验表明对于3000km以内的站间距离GPS相对定位数据经过精细的处理可达到±5mm1E-8D距离精度±3cm左右的三维位置精度GPS卫星星历情况见下表 表2-2IGS提供的GPS卫星星历情况星历类型卫星轨道精度卫星时钟精度采样间隔获取时间更新时间最终星历5cm01ns15min13day1week快速星历5cm02ns15min17hour1day预报星历25cm5ns15minRealtimeTwicedaily第三章GPS在公路测量中的应用及实例分析第一节GPS在公路测量中应用趋势及相关技术随着我国国民经济的快速增长的西部大开发的实施我国的高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇这就对勘测设计提出了更高的要求随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展公路设计已实现CAD化有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持建立勘测设计施工后期管理一体化的数据链减少数据转抄输入等中间环节是公路勘测设计内外业一体化的要求也是影响高等级公路设计技术发展的瓶颈所在目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制作业强度大且效率低大大延长了设计周期勘测技术的进步在于设备引进和技术改造在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选当前用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测理为勘测阶段测绘带状地形图路线平面纵面测量提供依据在施工阶段为桥梁隧道建立施工控制网这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段其实公路测量的技术潜力蕴于RTK实时动态定位技术的应用之中RTK技术在公路工程中的应用有着非常广阔的前景　　实时动态RTK定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPSRTDGPS 技术它是GPS测量技术发展的一个新突破在公路工程中有广阔的应用前景众所周知无论静态定位还是准动态定位等定位模式由于数据处理滞后所以无法实时解算出定位结果而且也无法对观测数据进行检核这就难以保证观测数据的质量在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性这样一来就降低了GPS测量的工作效率实时动态定位RTK系统由基准站和流动站组成建立无线数据通讯是实时动态测量的保证其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点安置一台接收机作为参考站对卫星进行连续观测流动站上的接收机在接收卫星信号的同时通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况根据待测点的精度指标确定观测时间从而减少冗余观测提高工作效率下面我将一个具体的例子详细讲述GPSRTK技术在公路测量中的应用第二节实例分析孝义市市区北外环公路控制网的测绘一测区概述⑴位置孝义市属于山西省吕梁市位于山西省中部的晋中盆地西南隅吕梁山脉中段东麓地理位置介于东经111°21～111°56北纬36°56～37°18之间海拔731～1777米北与汾阳为邻西北与中阳县相依西与交口县接壤南与灵石县相连东南与介休市隔汾河相望境域东西直线最长46公里南北直线最宽为2655公里总面积9458平方公里交通 当今孝义区位优势明显交通便利公路铁路四通八达距省会城市太原120公里境内38公里的南同蒲公铁路介西支线直插腹地贯穿东西33公里的孝柳铁路向西延伸直抵黄河大运高速公路太高速公路从南北两侧擦境而过孝义的主干公路南北纵贯的汾介一级公路和东西横穿的孝午公路与307和108国道市乡油路乡村公路构成了纵横交错四通八达的交通网络公路通车里程达1288公里CJJ899布设城市图根导线控制网分级布网如图31图31分级布网二测量作业流程图32GPS实测流程图三GPS控制网的设计方案1仪器设备⑴GPS控制网的仪器设备配置表31GPS控制网布设的仪器设备仪器设备名称数量9600型GPS接收机4台三脚架4付对讲机4个小钢尺4把数据传输线1根⑵9600型GPS接收机的主要技术参数静态相对定位精度静态基线±5mm1ppm高程±10mm2ppm2GPS控制网的技术标准⑴GPS测量的精度指标各等级GPS网相邻点间弦长精度用下式表示31 式中——标准差基线向量的弦长中误差mm——固定误差mm——比例误差1×10-6——相邻点间的距离km⑵GPS网的主要技术要求表32四等二级GPS网的主要技术要求等级平均距离kmammb1×10-6最弱边相对中误差四等二级1≤15≤20110000注①相邻点最小距离应为平均距离的12～13最大距离应为平均距离的2～3倍②当边长小于200m时边长中误差应小于20mm③闭合环或附和线路边数的规定GPS网应由一个或若干个独立观测环构成也可采用附合线路形式构成非同步观测的GPS基线向量边应按所设计的网图选定也可按软件功能自动挑选独立基线构成表33四等二级GPS网闭和环和线路边数的规定等级四等二级闭合环或附和线路边数条≤10⑶接收机的选择表34四等二级GPS网接收机的选择等级接收机类型标称精度观测量同步观测接收机数四等二级双频或单频≤10mm5×10-6×d载波相位≥2⑷GPS测量作业的基本技术要求表35四等二级GPS测量作业的技术要求 等级观测方法卫星高度角°有效观测卫星数平均重复设站数时段长度min数据采样间隔s四等二级静态≥15≥4≥16≥4510～60快速静态≥15≥5≥16≥1510～60注①当采用双频机进行快速静态观测时时间长度可缩短为10min②GPS测量各等级的点位几何强度因子PDOP值应小于6③GPS控制网测量数据的检核3数据预处理⑴基线解算可采用双差相位观测值对于边长超过30km的基线解算使也可采用三差相位观测值⑵在采用多台接收机同步观测的一个同步时段中可采用单基线模式解算也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算⑶同一级别的GPS网根据基线长度不同可采用不同的数学处理模型但8km内的基线必须采用双差固定解30km以内的基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果30km及其以上的基线可采用三差解作为基线解算的最终结果4同步观测数据的检核⑴同一时段观测值基线向量处理中二三等数据采用率都不宜低于80⑵采用单基线处理模式时对于采用同一种数学模型的基线解其同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不宜超过表36的规定表36同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定1×10-632式中——重复观测基线的长度较差——相应级别的规定中误差按平均边长计算 6同步观测环的检核对于采用不同数学模型的基线解其同步时段中任一三边同步环的坐标分量闭合差和全长相对闭和差应符合下式的规定33式中——三边同步环闭和差对于四站或更多站同步闭合环而言除应用上述方法检查一切可能的三边环闭合差外所有闭合环的分量闭合差不应大于而环闭合差符合下式规定34式中——同步环的边数7异步观测环的检核无论采用单基线模式或多基线模式解算基线都应在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构成独立环各独立环的坐标分量闭和差和全长闭合差应符合下式的规定35式中——异步环闭和差——异步环中的边数8GPS网平差处理⑴无约束平差 当各项质量检验符合要求时应以所有独立基线组成闭合图形以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息以一个点的WGS84系三维坐标作为起算依据进行GPS网的无约束平差无约束平差应提供各控制点在WGS84系下的三维坐标各基线向量三个坐标差观测值的总改正数基线边长以及点位和边长的精度信息无约束平差中基线向量的改正数绝对值应满足下式要求36当超限时可认为该基线或其附近存在粗差基线应采用软件提供的方法或人工方法剔除粗差极限直至符合上式要求⑵约束平差在无约束平差确定的有效观测量的基础上在国家坐标系或城市坐标下应进行三维约束平差或二维约束平差约束点的已知点坐标已知距离或已知方位可作为强制约束的固定值也可作为加权观测值平差结果应输出在国家或城市独立坐标系中的三维或二维坐标基线向量改正数基线边长方位以及坐标基线边长方位的精度信息转换参数及其精度信息约束平差中基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合下式要求37当超限时可认为作为约束的已知坐标距离已知方位与GPS网不兼容应采用软件提供的或认为方法剔除某些误差较大的约束值直至符合上式要求四GPS网的外业观测一作业要求1观测组应严格按调度表规定的时间进行作业本证同步观测同一卫星组当情况有变化需修改调度计划时应经作业队负责人同意观测组不得擅自更改计划2GPS接受机在正式观测前应进行预热和静置然后方可启动接收机进行观测 3开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后方能输入有关测站和时段控制信息4每时段开机前作业员应量取天线高并及时输入测站名时段号天线高等信息关机后再量取一次天线高作校核两次量天线高互差不得大于3mm取平均值作为最后结果记录在手簿若互差超限应查明原因提出处理意见记入测量手簿备注栏中5接收机开始记录数据后作业员可使用专用功能键选择菜单查看测站信息接受卫星数卫星号各通道信噪比实时定位结果及存贮介质记录情况等6仪器工作正常后作业员应及时逐项填写手簿中各项内容当时段观测时间超过60min以上应每隔30min记录一次7一个时段观测过程中不得进行以下操作关闭接收机又重新启动进行自测试发生故障除外改变卫星高度角改变数据采样间隔按动关闭文件和删除文件等功能键8观测员在作业期间不得擅自离开测站并应防止仪器受震动和被移动防止人和其他物体靠近遮挡卫星信号9接收机在观测过程中不应在接收机近旁使用对讲机雷雨过境时应关机停测并卸下接收机以防雷击10观测中应保证接收机工作正常数据记录正确每日观测结束后应及时将数据转存至计算机硬软盘上确保观测数据不丢失11在观测过程中要特别注意供电情况除在出测前认真检查电池容量是否充足外作业中观测人员不要远离接收机听到仪器的低电压报警要及时予以处理否则可能会造成仪器内部数据的破坏和丢失12 观测站的全部预定作业项目经检查均已按规定完成且记录与资料完整无误后方可迁站二技术指标根据GPS网的技术设计方案此次测量所使用的南方测绘9600型GPS接收机的标称精度满足四等二级GPS网对GPS接收机的选择要求另外拟定所设计的GPS网观测作业的技术指标符合下表要求表37四等二级GPS网测量的技术指标项目技术指标卫星高度角°20有效观测卫星数≥6平均重复设站数≥16时段长度min≥50数据采样间隔s20点位几何强度因子PDOP≤4基线平均距离km1闭合环或附和线路边数条≤10三作业步骤1选点要求①点位的选择应符合技术设计要求并有利于其他测量手段进行扩展与联测②点位的基础应坚实稳定易于长期保存并有利于安全作业③点位应便于安置接收机设备和操作视野应开阔被测卫星的地平高度角应大于15°④点位应远离大功率无线电发射源如电视台微波站等其距离不得小于200m并应远离高压输电线距离不得小于50m⑤附近不应有强烈干扰接受卫星信号的物体在点位选好后在对点位进行编号时必须注意点位编号的合理性在野外采集时输入的观测站名是由四个任意输入的字符组成为了在测后处理时方便及准确必须不使点号重复 实施为了保证GPS点位的选择符合四等二级GPS网的技术设计要求并有利于全站仪布设图根导线网进行加密结合外环公路的地理条件经过实地踏勘后决定将GPS网点均匀布设在公路中线这样做是基于GPS选点的原则避开了公路沿线建筑物的遮挡以及流动车辆的干扰更重要的是实现了GPS点间的互相通视GPS网的选点网图2拟定观测计划⑴卫星可见性预报根据网站提供的星历Yuma数据高程应取至01mf天线高应包括测前测后量得的高度及其平均值均取至0001mg观测状况应包括电池电压接收卫星信噪比SNR故障情况等②记录应符合下列要求a原始观测值和记事项目应按规格现场记录字迹要清楚整齐美观不得涂改转抄b外业观测记录各时段观测结束后应及时将每天外业观测记录结果录入计算机硬盘或软盘c接收机内存数据文件在卸到外存介质上时不得进行任何剔除或删改不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令d天线高的量取安置好仪器后观测员应在各观测时段的前后各量测天线高一次量至毫米量取时由标石或其他标志或者地面点中心顶端量至天线中部即天线上部与下部的中缝图31量取天线高示意图 采用下面公式计算天线高41其中——标石或其它标志中心顶端到天线下沿所量的斜距即为观测员用钢卷尺由地面中心位置量至天线边缘的斜距天线半径天线相位中心为准99mm天线相位中心至天线中部的距离13mm所算即为天线高理论计算值两次量测的结果之差不应超过3mm并取其平均值采用注意实际输入仪器天线高时要求输入即用钢卷尺由地面中心位置量至天线边缘的斜距⑷退出数据记录①退回到主界面然后长按PWR键关机②在任何界面下同时按下F1F4快捷键关机即可退出数据采集且不会丢失数据⑸GPS网的数据传输设置要存放野外观测数据的文件夹可以在数据通讯软件中设置将所观测数据传输到指定的盘根目录下的文件夹⑹基线解算在基线解算的菜单里面选择全部解算有自动计算进度条显示处理的进度这一解算过程可能等待时间较长处理过程若想中断请点击工具栏的停止按钮基线初步解算完成后颜色已由原来的绿色变成红色或灰色基线双差固定解方差比大于3的基线变红软件默认值3 小于3的基线颜色变灰色对灰色基线需要重新解算⑺检查闭合环和重复基线基线解算合格后在闭合环查看闭合环的情况首先对同步时段任一三边同步环的坐标分量闭合差和全长相对闭合差按独立环闭合差要求进行同步环检核然后计算异步环程序将自动搜索所有的同步异步闭合环如有同步环的超限需要对基线进行特殊处理当闭合环检验符合要求后才可进行网平差点名纵坐标X横坐标Y高程HGPS1043691396474457008801171306GPS1143690029074458332451186961GPS1243692023974458403391170840D143684544024458367171154321D243677896944458626191152895外环公路控制点成果表五用RTK技术进行控制测量一观测过程1测前准备GPSRTK内存数据容量认真了解各GPS点所处的环境运用GPS软件预测点的最佳观测时间检查GPSRTK的各项设置静态或动态高度截止角数据采样率天线类型天线量测方式2观测⑴到出发到测点前认真检查GPS主机电池电缆测GPS天线的钢尺记录纸笔脚架及对讲机等必备品⑵架站认真地架好仪器对中整平接好电缆 ⑶量测天线高各种GPS量测天线的高的方式是不一样的同一种GPS也有几种不同的量测方式一定要记清楚自己用的是哪种方式此外GPS天线高的量测一般都是量的斜高不要人为地改为垂直高要对称量几个方向然后取平均值⑷开始观测时只需按下电源开关这时记录好测点名开机时间开机时天线高⑸观测结束时先关电源不要马上拆机还要再量天线高以判断观测过程中仪器是否动过3GPS数据传输⑴在传输数据前先查看仪器里每个时段里记录的数据量是否大小相近将由于开关电源引起的无效记录先删除⑵通信参数设置⑶传输数据时先检查软件中的各项设置查看GPS类型天线类型天线高的量测方式等是否设置一致⑷传输数据时记录好各数据文件的时段号点名以备基线解算后用输入天线高⑸在做好上述工作后查看高级设置给定高度截止角PDOP值等几个重要设置即可传输数据4GPS数据处理⑴基线向量解算时可根据不同情况设置好是解算部分基线还是解算全部基线软件自动解算⑵基线向量解算后可初步检查一下评判各基线的置信参数检查同步环异步环等闭合差检查不同时段同一条边的较差查出超限原因剔除有粗差的基线⑶ 若发现有问题的基线还可以查看各点接收到的卫星状况及其他有关部因素以查找原因确定此基线是否重新解算还是重测5平差计算GPS定位成果属于WGS84大地坐标系而实用的测量成果是属于国家坐标系或地方坐标系因此必须解决成果的坐标转换问题⑴GPS基线向量网的平差分为三种类型一是无约束平差二是约束平差三是联合平差目前对于绝大多数的地区联合平差是解决GPS网成果转换的有效手段也是绝大多数的地区目前唯一行之有效的方法因此GPS网一般要联测3-5个已知点⑵GPS基线向量网成果的内精度分析根据无约束平差成果分析主要考察基线向量观测值改正数各点坐标中误差点位中误差GPS基线向量边的方位和边长相对精度若发现有明显粗差则要在联合平差前剔除⑶联合平差或约束平差成果的精度分析主要考察各类观测值的改正数的分布是否有明显粗差平差坐标点位误差转换参数单位权中误差是否通过统计检验边长相对精度是否满足设计的精度要求6高程拟合GPS高程拟合根据不同软件的要求至少要联测4个水准高程点但其高精度不高一般只能达到3厘米左右二数据处理由于RTK技术只能把测得的坐标显示在屏幕上它不能如常规仪器经纬仪钢尺等标定方向测量 距离虽然可以把一些整桩关系加桩预先算出其坐标然后按坐标去放样但中线测量和单纯的点位放样不同因为在中线测量过程中还会遇到许多地形地物等加桩需根据现场确定出位于中线上的特征点并定出其里程要解决这个问题可根据设计数据把线路显示在手持计算机上在屏幕上注明整桩及曲线主点的桩位对于临时地形地物加桩由于整个线路中线已显示在屏幕上通过与接收机的点位坐标的比较便可找到位于中线上的地形或地物加桩其里程可按一定的算法算出因此首先需要根据设计数据连续计算线路上各点在线路坐标系中的坐标其次GPS测量的结果是属于WGS-84坐标系的要进行放样就需要把该结果转化到线路坐标系才能实时进行比较另外对于中线测量获得的结果需要进一步进行处理以获得中桩的高程坐标计算的数学模型　　目前的道路设计中主要使用直线圆曲线缓和曲线三种线型其中直线的曲率K0圆曲线的曲率K1RR为设计半径缓和曲线设计时遵循RLA2A2为常数的原则距起点L处的曲率K1RLA2即与线路的长度成比例发生变化因此整个线路上各点的曲率随里程变化的函数可根据设计数据获得即KfS若将曲率沿线路作积分就得出线路上方位角的变化即曲线切线的方位角随弧长的变化5由直线圆曲线缓和曲线的曲率特性可知直线的方位角不变圆曲线的方位角线性变化缓和曲线上各点切线方位角按照二次抛物线变化若曲线起点A在线路坐标系中的坐标为XAYA过A点切线的方位角为αA则曲线上任一点的坐标可通过方位角沿线路的积分获得6对于直线段有7对于圆曲线有8 对于缓和曲线则必须采用积分式借助于数值解法求得实用公式与计算步骤　　前面给出了各种线型在起点坐标及过该点切线方位角已知时点位坐标的计算公式通过曲率的积分来获得方位角对方位角积分获得坐标增量因此若要按里程的顺序进行坐标的连续计算首先应根据设计数据确定出各种线型衔接点处的里程及曲率例如某段起点里程SA曲率KA终点里程SB曲率KB则该段内任一点SI处曲率的计算公式为　　9方位角10　　直线段按式3计算圆曲线按式4计算缓和曲线采用辛普生公式来计算相邻点的坐标差若相邻点弧长小于100m则该公式具有足够的精度　　11根据上述公式即可算出每一个点的坐标及切线方向的方位角实际计算时可选较小的间隔进行计算以准确地把中线绘制在屏幕上在连续计算时线路有左偏右偏之分因此左偏曲率取负右偏曲率取正以保证积分后对方位角大小的影响的准确性由上述可知其实际计算步骤为据设计数据计算各段曲线衔接处的里程并给出其曲率值给出路线起始点方位角αA计算α i计算坐标增量通过连续累加即可算出各点的线路坐标　　该算法适用于各种线型及其相互组合如S型凸型及复合型因其曲率在每一组合段中都是线性变化的其衔接处的曲率也很容易给出因此都道路中线各点的坐标都是表示在线路坐标系中的而GPS卫星采用的是WGS-84坐标系统测量的结果也是属于该坐标系的因此要把该结果实时转换到线路坐标系中才能使两者进行比较另外在平面位置满足要求以后还要其高程信息而GPS测得的是大地高还要将其转换为水准高才能绘制横断面图⑴坐标转换　　为在定测中运用RTK技术应首先建立RTK作业的基准站网络即控制网点之间的距离可以是几公里或十几公里这此点构成线路的首级控制网它不仅有WGS-84坐标同时也有线路坐标系的坐标在RTK作业时应求得转换参数以进行两种坐标系的实时转换在两个控制点间的线路应选用该两点的两套坐标求转换参数高程计算　　在线路工程中完全用GPS替代基平测量尚有一定的困难基平仍由水准或测距三角高程来完成基平一般每1～2km布设一个水准点在基平点选择及GPS线路控制时应顾及两者有足够多的重合点这样保证每2～3km有一个重合点这时采用拟合模型其误差就能得到有效的控制拟合后相对于基平水准点高程中误差可在2～3 cm以内这样的精度可以满足中平测量以及野外地形数据采集对高程的精度要求计算各待定点的坐标根据线形设计数据及待定点的里程按本节阐述的线路中线点位坐标计算的模型可计算出各整桩和加桩的设计坐标也可用已有的成熟软件进行计算将测设点的坐标输入到手持机中设计坐标数据可由一定的软件输送到手持机中也可由人工直接在手持机上进行数据输入但人工输入工作效率较慢且容易出错不适合于大量点的输入转换参数计算首先确定采用哪些点进行转换参数的计算这些点应具有线路坐标和WGS-84坐标若没有WGS-84坐标则可在野外利用RTK技术实时测得在桩定线路时一般实时只考虑平面位置可把平面和高程分开处理平面采用平面转换的模型后处理高程计算采用动态拟合模型野外实测野外实测时基准站可设置于视野开阔的已知控制点上试验时基准站设置于E作好GPS接收机数据链电台及电池等的连线工作输入参考站的坐标及其它一些设置参数后启动基准站设备进入工作状态数据链不断地发射校正信息此时移动站可开始工作移动站应从另一已知点出发即先验证已知坐标转换参数及参考站设置的准确性然后测设各整桩和加桩的位置在每次作业的最后应再次回到已知点上检查是否与已知数据相符以保证实测数据的质量为确定点的实际位置需要移动天线在手持机上可给出需移动的距离或者南北向和东西向各移动多少为在实际移动中能够准确确定移动的方位和距离应配合以手表式的指南针也可采用一小钢卷尺为辅助工具当与目标点在1m以内时选择两点观测两点与目标的距离可得到用小卷尺采用距离交会便可较准确地定出待定点的位置再把仪器放置上面观测确定是否准确　　利用RTK技术进行中线定测时线路上的里程可按一定的算法算出即首先计算至前一整桩的直线距离S然后根据程序计算该整桩加S处点的坐标X1Y1进而计算距离S1S1与S的差即为曲线长S处的弦曲差该差作为第一次改正加到S中即可得到加桩的里程若精度不够可再次趋近RTK到现场放样之前最好先把测量控制点成果和待放样的路线中坐标输入到RTK的内存中当然如果时间来不及以上数据未输入到RTK中也没有关系在现场放样是需要用到哪个点现场临时输入该点坐标即可只不过这样的话野外测量放样的工作效率要低一些 RTK测量技术用于公路测量中道路中线放样可以大大提高工作效率采用RTK技术放样工作可以由一个人完成放样方法灵活即可按照桩号放样也可按照坐标放样并可以随时变换放样时屏幕上有箭头指示偏移量和偏移方位便与前后左右移动直到误差小于设定时的为止所有中桩数据桩号高程坐标都可以文本文件的方式供给设计人员使用总结通过GPSRTK技术在孝义市市区北外环公路控制网的测绘中的应用可以深刻的体会到GPS技术的优越性感受到GPS具有其他测量仪器和测量方法无可比拟的优势以往的公路测量工作主利用传统手段如经纬仪全站仪等测量仪器进行人工测量然后在室内整理计算得到最终结果这样做不但工作量大浪费大量的人力物力且测量结果精度还比较低时间周期也长不能及时反映道路交通的实际现状这项技术也代表了测量方法的改进使其成为沿着高生产率方向发展的一种自然进程1GPS的优势主要有以下几个方面1测站间无需保持通视由于GPS定位时测站间不要求互相通视可省略许多中间过渡点且不必建标从而省大量的人力物力2可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同的方法分别施测GPS可同时精确测定测点的三维坐标目前GPS水准测量的精度可满足四等水准测量的精度3全天候观测GPS测量不受气候条件的限制目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间观测4定位精度高实践证明GPS相对定位精度在50km以内可达到10-6100-500km可以达10-71000km以上可达10-9一小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm 正因为GPS定位技术具有上述优点因而在地质勘探中得到了广泛的应用同时也发现一些不足GPS能为你提供定位服务但不能永远工作GPS能告诉你应该向那里走但不能替你走GPS能告诉你当前的位置但不能告诉你周围的地形状况GPS能帮助你记走过的路但不能完美地再现购买设备所投入的费用很高第二篇三度带六度带的坐标转换第一节简述高斯克吕格平面直角坐标用xy表示其中x表示纵轴y表示横轴显然与数学上常见的平面直角坐标系表示方法是不同的点的高斯克吕格平面直角坐标是通过高斯克吕格投影计算得到的众所周知大地测量的作用之一是测定地面点的坐标以控击IJ地形测图地图是平面的作为控制测图的大地点的坐标也必须是平面坐标我国各个等级大地点成果表中所载的坐标一般为高斯克吕格平面直角坐标将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则变换为平面上相应点的平面直角坐标通常称之为地图投影这里所说的一定的数学法则可以用下面两个方程式表示xF1LB1yF2LB式中LB是椭球面上某一点的大地坐标而xy是该点投影平面上的直坐标上式表示了椭球面上一点同投影平面上对应点之间的解析关系也叫坐标投影公式各种不同的投影就是按照一定的条件来确定式中的函数形式F1F2的地球椭球面是不可展的曲面无论用什么函数式F1F2 将其投影至平面都会产生某种变形变形虽不可避免但是可以掌握和控制的即可以使某一种变形为零也可以使各种变形一般分为角度变形长度变形和面积变形等三种减小到某一适当程度以满足不同用途对地图投影的要求按变形性质区分地图投影可分为等角投影等面积投影和任意投影包括等距离投影三种等角投影也叫正形投影相似投影鉴于该投影在无穷小范围内使地图上的图形同椭球面上的原形保持相似因而得到广泛的采用正形投影的一般条件是柯西黎曼微分方程高斯克吕格投影是正形投影的一种当然必须要满足正形投影的一般条件但是有了这个条件并不能最后确定公式中的具体函数形式为此还必须加入高斯吕格投影本身的特定条件如下图设想有一个椭圆柱面横套在地球椭球的外面并与某一子午线相切此子午线称中央子午线或轴子线椭圆柱的中心轴通过椭球中心这两个特定条件是中央子午线投影后为直线中央子午线投影后长度不变因此高斯一克吕格投影是一种等角横切椭圆柱投影共有三个投影条件第一个是正形投影条件柯西黎曼微分方程第二个和第三个是高斯一克吕格投影本身的特定条件中央子午线投影后为直线中央子午线投影后长度不变投影后中央子午线和赤道的投影直线分别为纵坐标轴即x轴和横坐标轴即y轴两者的交点O为坐标原点这就构成高斯一克吕格平面直角坐标系如下图10所示投影后点的平面坐标xy可按一定的解析式计算得到无论是从椭球面还是从球面到平面这种投影都不能用几何的方法严格表示因此不能认为是一种透视投影图1高斯克吕投影没有角度变形在中央子午线上也没有长度变形但除中央子午线外均存在长度变形且相距中央于午线越远长度变形越甚为了控制长度变形按一定的经差将地球表面分为若干带我国采用的是将中央子午线左右各3度或15度划分为带称为六度带或三度带各带均按高斯一克吕格投影三个条件进行投影为此各带将有自己的坐标轴和原点高斯一克吕格投影六度带自0 o子午线起每隔经差6o自西向东分带依此编号123设带号为n中央子午线的经度为L0则L0o6n-3反之六度带的带号也可写为nL0o十36三度带是在六度带的基础上分带的它的中央子午线一部分同六度带的中央子午线重合一部分同六度带的分带子午线重合有关规范中没有规定统一的编号现仍用123编号并在带号前注以三度带以示区别自15o子午线起每隔经差3o自西向东分带依此编号123设带号为nˊ中央子午线的经度为L0o则nˊL0o32n1六度带和三度带的编号如下图所示为了避免横坐标y出现负值规定将y值加上500000m又为了区别各带坐标的不同规定在y值已加500000m的前面冠以带号n相当于对y值加n×l000000m并以符号Y假定Y假定Y假定Y假定图2高斯克吕格投影简称高斯投影又有名谓横墨卡托投影兰勃特圆柱投影等高斯投影除了研究点的大地坐标LB和高斯克吕格平面角坐标xy相互换算外还将研究椭球面上的方向长度等变换至高斯克吕格投影平面以及相邻带不同高斯吕格平面直角坐标换算等第二节研究目的高斯投影虽然保证了角度没有变形这一优点但其长度变形较严重为了限制高斯投影的长度变形必须依中央子午线进行分带把投影范围限制在中央子午线东西两侧一定的狭长带内分别进行但这又使得统一的坐标系分割成各带的独立坐标系于是因分带的结果产生了新的矛盾即在生产建设中提出了各相邻带的互相联系问题这个问题是通过由一个带的平面坐标换算到相邻带的平面坐标简称为邻带换算的方法来解决的具体来说在以下情况下需要进行坐标邻带换算 如图10所示AB1234CD为位于两个相邻带边缘地区并跨越两个投影带东西带的控制网假如起算点AB及CD的起始坐标是按两带分别给出的话那么为了能在同一带内进行平差计算必须把西带的AB点的起始坐标换算到东带或者把东带的CD点的坐标换算到西带图3在分界子午线附近地区测图时往往需要用到另一带的三角点作为控制因此必须将这些点的坐标换算到同一带中为实现两邻带地形图的拼接和使用位于45′或375′重叠地区的三角点需具有相邻两带的坐标值如下图11所示图43当大比例尺110000或者更大测图时特别是在工程测量中要求采用3°带15°带或任意带而国家控制点通常只有6°带坐标这时就产生了6°带同3°带或15°带任意带之间的相互坐标换算问题高斯投影坐标邻带换算的方法有多种在这里主要介绍应用高斯投影正反算公式进行邻带换算的方法它具有高通用和便于计算等优点利用高斯投影正反公式进行邻带坐标换算的实质是把椭球面上的大地坐标作为过渡坐标但是因为采用不同的椭球所以公式中的有的地方会有所不同其解法是首先利用高斯投影坐标反算公式根据xy换算成椭球面大地坐标BL1进而得到LLo旧L1然后再由大地坐标BL2利用高斯投影坐标正算公式根据BL2计算该点在新带的平面直角坐标x1y1但在这一步计算时要根据新带的中央子午线经度Lo新计算P点在新带的经差L2L-L新第三节程序设计 我用VB编写了在克拉索夫斯基椭球和IAG椭球参数下的高斯投影坐标邻带换算程序代码如下窗体一PrivateSubCommand1_ClickForm1HideForm2ShowEndSubPrivateSubCommand2_ClickForm1HideForm3ShowEndSub窗体二PrivateSubCommand1_ClickIfOption1ThenForm2HideForm4ShowElseForm2HideForm9ShowEndIfEndSubPrivateSubCommand2_ClickForm2Hide Form3ShowEndSub窗体三PrivateSubCommand1_ClickEndEndSub窗体四PrivateSubCommand1_ClickForm4HideForm5ShowEndSubPrivateSubCommand2_ClickForm4HideForm6ShowEndSubPrivateSubCommand3_ClickForm4HideForm3ShowEndSub窗体五Constpi31415926Constp57295779513 PrivateSubCommand1_ClickxValText1TextyValText2TextIFixy1000000y0y-I1000000-500000b1x63675584969ppi180a1Cosb12bfb150221746293622235022a1a1a110-10Sinb1Cosb1ppi180a2Cosbf2nf6399698902-21562267-108973-0612-0004a2a2a2a2zy0nfCosbfe050003369a2SinbfCosbff0333333-0166667-0001123a2a2g025016161000562a2a2h02-01667-00088a2a2bbf180pi-1-g-0125zzz2z2epl11-f-hzzz2zll1p3Ip13I6If6pi-315lThen wp11Elsewp1EndIfvCosbpi1802ml-6w-3mmpi180n6399698902-21562267-108973-0612-0004vvvva0321404048-13533023-07092-0004vvva4025000253vv-004167a60167v-0083va3033333330001123vv-01666667a5000833-01667-019670004vvvy5a0-05a4a6mmm2m2ny4y5Sinbpi180Cosbpi180X163675584969bp-y4Y21a3a5mmm2mnCosbpi180Y1w1000000Y2500000Text3TextRoundX14Text4TextRoundY14EndSubPrivateSubCommand2_ClickForm5Hide 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y4y5Sinbpi180Cosbpi180X163675584969bp-y4Y21a3a5mmm2mnCosbpi180Y1w1000000Y2500000Text3TextRoundX14Text4TextRoundY14EndSubPrivateSubCommand2_ClickForm6HideForm3ShowEndSubPrivateSubCommand3_ClickForm6HideForm2ShowEndSub窗体七Constpi31415926Constp57295779513PrivateSubCommand1_ClickxValText1TextyValText2Textb1x6367452133ppi180 a1Cosb12bfb150228976293697238322a1a1a110-10Sinb1Cosb1ppi180a2Cosbf2nf6399596652-21565047-109003-0612-0004a2a2a2a2zynfCosbfe05000336975a2SinbfCosbff0333333-0166667-0001123a2a2g02501616120005617a2a2h02-016667-000878a2a2bbf180pi-1-g-0147zzz2z2epl11-f-hzzz2zll1p6I-3p16I-33If3p115lThenwp11Elsewp1EndIfvCosbpi1802ml-3wmmpi180 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演示过程如下课本中这个例子的答案为X23588576591y240396922874上个例子是六度带转换为三度带我们再举一个三度带转换为六度带的例如在克拉索夫斯基椭球参数下某点A在新54坐标系3°带的平面坐标为X13588576591y140396922874求A点在6°带的平面直角坐标x2y2演示过程如下课本中这个例子的答案为X23589644287y220679136439例如在IAG椭球参数下某点A在新54坐标系3°带的平面坐标为X119443258030y12404515085求A点在6°带的平面直角坐标x2y2演示过程如下课本中这个例子的答案为X219430425160Y2-780859399参考文献[1]李青岳主编工程测量学北京测绘出版社1984[2]张正禄主编工程测量学武汉武汉大学出版社2002[3]陈龙飞com同济大学出版社1990[4]秦昆com测绘出版社1991[5]com武汉测绘科技大学出版社1991 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withtheresultthatwithGPSrelativepositioningaccuraciesofonepartpermillionppmorbetteroverdistancesfromonekilometertothousandsofkilometersarepossibleThismeansthatGPScancompetewithterrestrialtechniquesovershortdistancesandcanachievemoreaccurateresultsinlesstimethanTRANSITobservationsoverlongerdistancesGPSwasdesignedprimarilyasanavigationsystemtosatisfybothmilitaryandcivilianneedsforreal-timepositioningThispositioningisaccomplishedthroughtheuseofcodedinformationessentiallyclevertimingsignalstransmittedbythesatellitesEachGPSsatellitetransmitsauniquesignalontwoL-bandfrequenciesAat157542MHzandBat122760MHzequivalenttowavelengthsofapproximately19and24cmrespectivelyThesatellitesignalsconsistoftheL-bandcarrierwavesmodulatedwitha"Standard"orScodeformerlycalledtheCAcodea"Precise"orPcodeandaNavigationMessagecontainingamongstotherthingsthecoordinatesofthesatellitesasfunctionsoftime---the"BroadcastEphemerides"TheScodewhichisintendedmainlyforcivilianuseyieldsarangemeasurementprecisionofabout10meterThenavigationserviceprovidedbythiscodeisreferredtoastheStandardPositioningServiceThePcodeisintendedformilitaryandselectedcivilianuseonlyandyieldsameasurementprecisionofabout1meterThenavigationserviceprovidedbythePcodeisthereforereferredtoasthePrecisePositioningServicePPSAlthoughbothcodescanbeusedforsurveyingamoreaccuratemethod 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concerningdataacquisitionandprocessingwillassumeatwo----receiverconfigurationThisisoftenreferredtoasthedifferentialmodeThepositiondifferencessodeterminedconstitutethebaselinevectororsimplythebaselinebetweenthepointsoccupiedbytworeceiversAllsatellitepositioningsystemsprovidegroundcoordinatesofareceiverorthebaselinevectorbetweenapairofreceiversinanearthcenteredcoordinatesystemTheorientationofthesystemisdeterminedbythetabulatedcoordinatesorephemeredesoftheGPSsatellitesInordertorelatecoordinatesdeterminedbyGPSsurveyingtothelocalgeodeticdatumatransformationrelationshipnee'