GPS控制网分析和研究

山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）1摘要GPS测量具有精度高、速度快等优越性,为了进一步得到可靠的观测成果，需要进行网形结构的优化设计,并制定相应的施测方案。本文从GPS控制网流程中实用性出发,与GPS控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例相结合，对流程中的关键环节进行了分析研究，主要探讨和研究内容如下:(1)分析利用GPS进行定位的基本方法和观测量的类型，总结GPS观测量的误差来源和相应的改正措施。(2)在分析GPS网可靠性研究和粗差分析具有观测量之间存在着较强的相关性、粗差含量大、多种类型的粗差同时存在等主要特点的基础上，对GPS控制网观测数据进行优化研究。(3)研究不同基线数或不同基线边对控制网质量的影响。并用实例论证基于网形的控制网优化设计的可行性和有效性。(4)论述残差理论，分析粗差对残差的影响和GPS网可靠性决定因子，推导总结出了GPS网可靠性指标，包括GPS基线向量的多余观测分量、内部可靠性和外部可靠性指标，总结基于相关分析的GPS网可靠性理论。(5)总结提高GPS控制网可靠性的措施和基于多余观测的优化设计思路。并通过对GPS控制网在南水北调中线工程第六标段中的应用实例的分析得到论证。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）2AbstractGPSmeasurementofhighprecision,speedandotheradvantagesinordertofurthersecuretheobservationresults,theneedornet-shapedstructureoftheoptimaldesign,andformulatecorrespondingtotestthisprogram.ThisprocessfromtheGPScontrolnetworkpracticability,andGPScontrolnetworkintheNorthWaterTransferProjectintheSixthApplicationLotcombinationoftheprocesswasthekeytoanalysisandresearhtoinvestigateandresearchareasfollows:OfthebasicuseofGPSpositioningmethodsandthetypesofobservations,summarizesourcesofGPSerrorofthemeasurementsandthecorrespondingcorrectivemeasures.ThereliabilityoftheanalysisofGPSnetworkandthegrosserrorsofobservablesexistsbetweenastrongcorrelation,grosserrorcontentofalargevarietyoftypesofgrosserrorsexistbasedonthemajorfeaturesontheGPScontrolOptimizationofnetworkobservationdata.Thenumberofdifferentbaselinesordifferentbaselineedgecontrolnetworkquality.Demonstratedwithexamplesbasedonshapeandcontrolnetworkdesignofthefeasibilityandeffectiveness.Discussestheresidualtheory,theimpactofoutliersontheresidualsandtheGPSnetworkreliability,determinants,derivedsummeduptheGPSnetworkreliability,includingredundantobservationsGPSbaselinevectorcomponents,theinternalreliabilityandexternalreliabilityindicatorsthatsummarizetheGPSnetworkbasedoncorrelationanalysisofthereliabilitytheory.TheGPScontrolnetworktoimprovethereliabilityofthemeasuresandtheoptimizationofredundantobservationsbasedondesignideas.AndthroughtheGPScontrolnetworkintheNorthWaterTransferProjectofthesixthinstanceoflotanalysisbeenproved.山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）3目录1概述..............................................51.1全球定位技术的概况.....................................51.2GPS系统的特点.........................................61.3国外研究与应用动态.....................................81.4GPS在我国工程测量中的应用前景.........................91.5本文的主要研究内容....................................112GPS定位的基本原理及误差分析.....................132.1GPS定位技术的原理...................................132.2观测量的误差来源及其改正措施.........................143控制网的优化设计.................................263.1GPS控制网优化设计概述...............................263.2GPS控制网的设计原则.................................263.3GPS控制网优化指标....................................283.4GPS控制网优化设计的方法..............................304南水北调中线工程辉县第六标段GPS控制网方案设计....344.1工程概况及已有资料分析................................344.2基准设计及技术要求....................................354.3南水北调中线六标干渠控制网的方案设计..................374.4选点与埋点............................................424.5外业观测及数据处理....................................435总结.............................................48山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）4致谢辞.............................................52参考文献...........................................50附录中英文翻译....................................53山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）51概述1.1全球定位技术的概况全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）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，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。全球定位系统(GlobalPositioningSystem，缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）6地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。1.2GPS系统的特点GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。1．定位精度高【1】目前，GPS测量基线的精度己经由过去的10^-6-10^-7提高到10^-8-10^-9，而GPS静态相对定位的精度也提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。GPS实时动态定位精度也有显著性的突破，可以达到厘米级的定位精度，可以满足各种工程测量的要求。大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在1mm左右。山东科技大学泰山科技学院本科学生毕业设计（论文）72．观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟，目前采用静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时间，对于双频接收机仅需15-20min;采用快速静态相对定位模式，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min;采取实时动态定位模式，流动站出发时观测1-2min进行动态初始化，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。因而用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。3．测站间无需通视经典测量技术均有严格的通视要求，必须建造大量的规标，这给经典测量的实施带来了相当的困难。GPS测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通视即可，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造规标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%-50%)，同时也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位位置，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。4．仪器操作简便随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的己趋J几“傻瓜化”。在观测中测量员的主要任务只是安置仪器，边接电缆线