GPS在工程测量中的应用.doc

-作者xxxx-日期xxxxGPS在工程测量中的应用【精品文档】论 文题    目   GPS在工程测量中的应用学    生   李晓军指导教师   赵 岚    年    级   2008级班    级   一  班学    号   200853073185专    业   工程测量学    院   江苏省测绘工程院函授站 目 录摘要 I第 1 章 概 述11.1 什么是GPS及其应用11.2 GPS的组成和发展2第 2 章 GPS定位测量的原理、组成与方法3 GPS系统组成32.2 GPS原理42.3 GPS测量常用的坐标系统42.4 GPS测量的特点52.5 GPS测量的作业模式5第 3 章 GPS在工程测量中的应用9 工程（测区）概况9 工程实施概况9第 4 章 结束语4.1 工程实例的体会 134.2 提高GPS网质量的方法 134.3 GPS发展前景 13摘 要GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以宜兴市城市天然气利用工程(二期)为例，论述GPS静态相对定位和网络RTK技术与天然气工程的有效结合方法，该方法可有效保证工程的精度和进度。关键字： GPS；网络RTK；天然气工程；控制测量；应用第1章 概述 概述GPS及其应用GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的卫星导航定位系统。作为新一代的卫星导航定位系统经过二十多年的发展，已成为在航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等所有的领域中一种被广泛采用的系统。我国测绘部门使用GPS也近十年了，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网，现在它除了继续在这些领域发挥着重要作用外还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的工程测量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。GPS以测量精度高；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、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖。GPS技术在工程测量中具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。差分动态GPS在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS航测等方面。1994年6月在同济大学试验了KART实时相位差分卫星定位系统，在1km范围内达到了优于2cm的精度，因此能够用于线路控制网的加密。GPS测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在中线放样中需实时把基准站的数据由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。本文将介绍GPS在城市天燃气管道工程测量中的应用，并提出几点体会。1.2 GPS系统的应用前景最初设计GPS的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但后来得到应用开发表明，GPS不仅可以达到上述目的，而且用GPS卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量何毫微秒级精度的时间测量。用GPS信号可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；监测地球板块运动状态和地壳形变；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在精密工程的变形监测方面，它也发挥着及其重要的作用；同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制点或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，引起了地理信息系统及全球遥感监测的技术革命。在日常生活方面是一个难以用数字预测的广阔的领域，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。GPS将像移动电话、传真机和计算机互联网对我们生活的影响一样，人们的日常生活将离不开它。第2章 GPS定位测量的原理、组成与方法 GPS系统组成GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。空间部分GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。控制部分GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代实效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有5个，其作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，其作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户部分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器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。 GPS定位原理GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上GPS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。设在时刻ti在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三维GPS卫星S1，S2,S3的距离1，2，3,通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为(Xj,Yj,Zj)。j=1,2,3。用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X，Y，Z）的观测方程为12（XX1）2(YY1)2(ZZ1)222（XX2）2(YY2)2(ZZ2)2 （21）32（XX3）2(YY3)2(ZZ3)2在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如： WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。）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。2.3 GPS测量常用的坐标系统1WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。采用椭球参数为： a = 6378137m21954年北京坐标系 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a = 6378245m f = 1/298.3。我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。31980年西安坐标系1980年西安坐标系是参心坐标系。大地原点设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六界大会的推荐制，椭球参数：a6378140m f1/298.257。3地方坐标系（任意独立坐标系）在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。2.4 GPS测量的特点相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1×106，在大于1 000 km的基线上可达1×108。测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。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。提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。2.5 GPS测量的作业模式近几年来，随着GPS定位后处理软件的发展，为确定两点之间的基线向量，已有多种测量方案可供选择。这些不同的测量方案称为GPS测量的作业模式。其中，静态定位和动态定位为目前主要的作业模式。在GPS接收系统硬件和软件的支持下，普遍采用的模式有：静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态定位等。2.5.1 静态定位所谓静态定位，指的是将接收机静置于测站上数分钟至1小时或更长的时间进行观测，以确定一个点在WGS-84坐标系中的三维坐标（绝对定位）或两点之间的相对位置（相对定位）静态定位的几种作业模式静态相对定位作业方法：采用两台（或两台以上）接受设备，分别安置在一条后数条基线的两个端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2小时或更长。作业布置如图21所示图2-1 静态定位精度：对于双频接收机，基线的定位精度可达5mm+1ppm·D，D为基线长度（km）。对于单频接收机，基线的定位精度可达10mm+2ppm·D，D为基线长度（km）。适用范围：建立全球性或国家大地控制网、建立地壳运动检测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。注意事项：所有已观测基线应组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠度，并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。快速静态定位作业方法：在测区中部选择一个基准站，并安置一台接收机设备连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟，作业布置如图22所示。图2-2 快速静态定位精度：流动站相对于基准站的基线中误差为5mm+1ppm·D.应用范围：控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量、大批相距百米左右的点位定位。注意事项：在观测时段内应确保5颗以上卫星可供观测，流动点与基准点相距应不超过20km，流动站上的接收机在移动时，不必保持对所测卫星连续跟踪，可关闭电源以降低能耗。优缺点：优点，作业速度快，精度高，能耗低。缺点，两台接收机工作时，够不成闭合图形，可靠性差。2.5.2 动态定位与静态定位一样，动态定位也可分为绝对定位和相对定位。其特点是，支撑GPS接收机的平台是一运动载体。为确定运动载体的瞬时位置，可利用测距码伪距或载波相位测量为根据的实时差分GPS测量技术。2.5.2.1 实时动态（RTK）定位技术简介RTK测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS（RTD GPS）测量技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。实时动态测量的基本思想是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续跟踪观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时的发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时的计算并显示用户站的三维坐标及其精度。RTK作业模式快速静态测量 采用这种测量模式，要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进行观测。在观测过程中，连同接收机到基准站的同步观测数据，实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可适时的结束观测。采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达12cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测量、工程测量和地籍测量等。准动态测量这种测量模式通常要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，以便采用快速解算整周未知数的方法实时地进行初始化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观测数据实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位的精度可达厘米级。该方法要求接收机在观测过程中保持对所测卫星连续跟踪，一旦发生失锁，便需要重新进行初始化工作，准动态实时测量模式，通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样。动态测量动态测量测量模式，一般需要首先在某一起试点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。目前，其定位的精度可达厘米级。这种测量模式，仍要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需重新进行初始化，实时动态测量模式，主要应用于航道测量、道路中线测量，以及运动目标的精密导航等。目前，实时动态测量系统已在约20Km的范围内得到了成功应用。相信随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高，数据处理软件功能的增强，它的范围将会不断的扩大。第3章 GPS在工程测量中的应用实例为了解决宜兴市下辖乡镇的天燃气使用困难，需埋设一条经过几个乡镇的传输管道。我公司受宜兴港华燃气有限公司的委托承接了“宜兴市城市天然气利用工程（二期）”的测量任务。3.1 工程概况本工程测区位于江苏、宜兴市境内，起于待建的管林高中压调压站，向南沿丰张公路至徐舍镇、继续向南进入徐舍门站、拐向东沿待建的104国道、342省道、乐东路，最终进入宜城第二高中压调压站，全长30.5公里。测区地形属平原地区，地势起伏不大，沟、塘、河纵横交错、测区内工厂密集，散列式居民地遍布其中影响通行及通视；给测绘工作带来一定的困难。本次工程分为初测和详测两个阶段,初测阶段首先需建立首级平面控制测量和路线基本平面控制测量。对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。详测阶段需进行中桩放样、中平测量、纵断面测量,考虑到工程复杂，工期较紧，决定采用静态GPS和动态的网络GPS(RTK)测量方法施测。 工程实施概况 GPS测量的技术设计依据（1）2001年国家质量技术监督局发布的全球定位系统（GPS）测量规范（2）长距离输油输气管道测量规范（SY/T0055-2003）（3）工程测量规范(GB 50026-2007)（4）本次测量任务书 设计精度根据工程需要和测区情况，初测阶段首级平面控制选择四等GPS网作为测区首级控制网，要求平均边长2 km，最弱边相对中误差不小于140000。选择一级GPS网为测区路线基本平面控制 ，要求平均边1 km，最弱边相对中误差小于120000。3.2.3 设计基准和网形如图3-1所示，首级控制网共10个点，其中联测已知平面C级GPS点3个（同文墩、铜官山、儒林北）。采用4台GPS接收机观测，网形布设成边连式。 测区路线基本平面控制点共60点采用网络RTK（双观测）进行采集。观测计划根据GPS卫星的可见预报图和几何图形强度（空间位置因子PDOP），选择最佳观测时段（卫星多于4颗，且分布均匀，PDOP值小于6），并编排作业调度表。 图3-1 GPS点布网图3.2.4 GPS测量的外业实施1)选点 GPS测量测站点之间不要求一定通视，图形结构也比较灵活，因此，点位选择比较方便。但考虑GPS测量的特殊性，并顾及后续测量，选点时应着重考虑：点位应设在易于安装结束设置、视野开阔、交通便利、上点方便，适合GPS接收机采集坐标的地方。点位目标要显著，视场周围15°以上不要有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收。点位应远离大功率电发射源（如：电视台、微波站等），其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电通道，其距离不小于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰。点位附件不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减少多路径效应的影响。地面基础稳定，易于点的保存。网形应有利于同步观测边、点连接。2) 标志埋设GPS网点埋设具有中心标志的标石，在基岩露头地区做上中心标志。并做点之记。3) 观测工作根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取首级平面控制采用静态相对定位，卫星高度角15°，时段长度45min，采样间隔10 s。在3个点上同时安置3台接收机天线（对中、整平、定向），量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿。测区基本平面控制采用动态网络RTK定位方法，当卫星锁定，坐标稳定，出现固定解（窄带）时进行采集。并且分时间段进行双观测，取两次坐标的平均值为最终坐标。3.2.5 GPS测量的数据处理GPS网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，采用随机软件HDS2003完成。经基线解算、质量检核、外业重测和网平差后，得到GPS控制点的二维坐标（见表3-1），其各项精度指标符合技术设计要求。 表3-1 GPS测量成果表点 名X(m)Y:(m)中误差(m)备注同文墩已知点铜官山已知点儒林北已知点JT01316JT10072JT1713JT23JT27JT32JT380753JT44JT51JT582HDS2003软件导入观测数据后，会自动形成静态基线，首先对观测数据测站点点名、时段、天线高等项目进行检查，输入电脑中。然后设定基线解算的控制参数，以实现基线的优化处理。便可利用软件的功能实现基线的自动解算，基线解算完毕后，基线结果不能马上用于后续的处理，还必须对基线的同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差检验。对不合格的基线查找原因，查明后可以通过基线处理设置或编辑基线时段来重复处理，如果多次处理仍不能求得合格解，则将其废除，如其在基线控制网中是必不可少的，则需重测这条基线。此次观测值数据剔除率仅为2，外业观测质量较好。3.2.6 网络RTK技术的应用在控制网解算完成后，应用测量所得的WGS84坐标和1980年西安坐标，通过点校正建立坐标转换模型，应用RTK技术在测区内加密控制点，作为地形图测绘的图根控制点。同时选取测区内空旷的地区，用RTK直接测量地形图，这样不仅地形图精度高，而且大大缩短了外业作业时间。在图上定线完成后，应用RTK技术现场确定燃气管线的走向，同时采集沿线转折点的高程信息，以及路线上地形变化点的三维坐标，并结合地形图确定地下交叉管线的位置和高程。然后将测量数据整理成设计施工图所需要的断面图和成果表。第4章 结束语 工程实例的体会通过GPS技术在宜兴市城市天然气利用工程（二期）中的良好应用，证明GPS静态和网络RTK技术测量成果安全满足天然气工程测量的要求。尤其是由于网络RTK技术的成熟和稳定，在满足观测条件的要求下，它的高效是常规测量方法无法比拟的。特别是在燃气工程测量中，由于其选线比较灵活，经常会有一些变化，同时还要配合其他部门现场看线，因此常规测量手段很难满足这些要求，而网络RTK技术则很好的解决了这些问题。4.2 提高GPS网质量的方法1）增加独立基线数。2）保证一定的重复设站次数。3）保证每个测站至少与三个以上的独立基线相连。4）在布网时要使网中最小异步环的边数不大于6条。5）为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。6）若采用高程拟合，需提高大地高（差）测定的精度，提高联测几何水准的精度，提高拟合计算点精度，在布网时选定一定数量的水准点，水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网的四周，将整个网包含其中。4.3 GPS 发展前景1） GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。2） GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。3） GPS网络RTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。4）GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。 5） GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。致谢本文从拟定题目到定稿，历时数月。而今论文完成打印之时，我思绪万千，心情久久不能平静。回忆我在南京学习的三年中，最令我难忘的恩师是赵岚老师，恩师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则。这些都将使我终生受益。借此机会我向导师表示衷心的感谢.还要感谢所有测绘系的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢南京测绘工程院函授站，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的学习生活丰富多彩，为我的人生留下精彩的一笔。众多同学也给予了我热情的帮助，在此感谢08级工程测量系全体同学给我带来的快乐，感谢大家带来不同学科之间的交流，有你们陪伴的日子让我终身难忘！ 李晓军 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