GPS工程控制网的布设与研究.doc

目录前言 11 绪论 21.1 GPS定位技术概述 21.2 国内外研究现状 31.3 本文主要研究的问题 42 GPS测量控制网的优化设计 62.1 GPS网精度的评定 62.2 GPS网的图形设计 72.3 GPS网的基准设计 93 GPS工程网的布设 113.1工程控制网的布设原则 113.2 控制网点的分布 113.2.1 点位分布 113.2.2 实例分析 123.3 基线长度对点位坐标精度的影响 153.4 已知点分布对控制点精度的影响 163.4.1 已知点的选择 163.4.2 不同控制点的精度分析 173.5 坐标系统转换 214 大同矿区GPS控制网布设实例 234.1 任务来源及工作量 234.2 测区概况 234.3 布网方案 244.3.1 技术设计的依据与基准设计 244.3.2 方案设计的技术分析 244.4 GPS网的布设 254.4.1 GPS网的设计原则 254.4.2 方案设计 264.4.3 方案比较 265 结论与展望 305.1 结论 305.2 展望 30致 谢 32参考文献 33附录A 34附录B 42前言当第一颗GPS试验卫星于1978年2月22日入轨运行后，测绘界的专家、学者很快就认识到GPS卫星在测量方面的作用;自1980年第一台商用GPS接收机问世以来，随着GPS试验卫星和工作卫星的不断入轨，GPS信号日渐广泛地应用于陆海空领域的导航和定位测量。

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由于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等优点，GPS技术已成为大地测量的主要手段本文共分五章，重在论述GPS工程控制网的布设方法不同精度、不同面积的GPS控制网有着不同的布设方法在GPS控制网布设中其方法不同，作业效率不同，费用也不同采用正确的布网方法，能够提高作业效率，降低作业成本GPS工程网布设，一般点位选择灵活性较差，活动范围较小，观测时间较短本文中结合实际工程，对GPS工程网的布设，提出了三点建议，一是要注意高精度点的分布;二是注意网的图形结构:三是当进行坐标系统转换或高程拟合时，注意重合点的分布和精度结合大同矿区GPS控制网布设实例进行详细研究，做到合理优化设计对我国工程网的布设进行研究，提出切实可行的方法，将在提高网的精度、降低布网的投入等方面有重要意义;现在许多工程的施工需要的地方坐标系、我军试验基地需要地心坐标系，GPS坐标和区域坐标系关系的研究确定它们之间的转化关系，可为经济建设和试验基地提供快速精确的区域坐标1 绪论1.1 GPS定位技术概述 GPS全球定位系统(Global Positioning System)是美国国防部U. S. Department of Defense (DOD)为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。

是结合美国海军的“Timation”计划和美国空军的“621-B”计划而研制，这两个计划在六十年代中期就已确定要用测距的方式来发展一种被动导航系统该系统真正始建于1973年，经过方案论证、工程研制和生产作业等三个阶段，历经二十余年，耗资三百多亿美元于1994年全部建成 GPS作为继子午卫星系统发展起来的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，以及具有良好的抗干扰性和保密性它己成为美国导航技术现代化的最重要标志，并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就 在测量领域较早就开始采用GPS技术，最初，它主要用于建立各种类型和等级的测量控制网，目前它除了仍大量用于这些方面外，在测量领域的其它方面也得到了充分的应用，如:用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信系统中地理数据的采集等尤其在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为主要的技术手段1997年由国家测绘局完成了A级、B级网的布设与平差，全网由756点组成，其中A级网27点，基线水平方向相对精度为2×10-8，垂直分量相对精度7×10-8。

布设A级网的目的就是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数，作为高精度卫星大地网的骨架，并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家A级网的基础上，建立了国家B级网经整体平差后，点位地心坐标精度达士0. lm, B级点基线水平分量精度优于4×10-7, 垂直分量精度优于8×10-7新布设成的国家A, B级网己成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架1998年由总参测绘局完成了一级网与二级网的布设与平差，全网共534点(其中一级网44点)，均匀分布于全国(除台湾省外)由异步环计算的相对误差，一级网为3×10-8；二级网60%以上为1×10-8，其它为1～2×10-7 1997年由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局开始建立的全国GPS控制网，由25个基准站、56个基本站、1000个区域网点组成基准站间基线年变化测定精度为2mm，基本站间基线测定精度水平分量为3～5mm，垂直分量10～15mm， 2001年完成上述三网经联合平差后取名为GPS2000网，其成果是经过严格的数据处理，精度很高，作为我国现代大地坐标框架。

可见GPS在将在国民经济建设中发挥越来越重要的作用[1]1.2 国内外研究现状北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和三颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统自八十年代末，随着全球定位系统(GPS)的广泛应用，世界各发达国家和地区都相继建立了区域性的、高精度GPS网美国自80年代起先后建立了国家大地测量(NGS)的跟踪网、美国海岸防护队(USCG)的差分网、联邦航空管理(FAA)的WAAS网以及美国工程兵(USACE)的跟踪网等局部网，这些网由美国大地测量局统一负责，称为“连续运行参考站”系统，它由137个基准站组成，该系统计划发展到250个基准站，平均站距为100～200公里，覆盖全美，构成新一代动态国家参考系统。

该系统的数据和信息包括每个观测站接收到的卫星伪距、相位信息、站坐标、站移动矢量、GPS星历、站四周的气象数据等，用户可以很方便地通过信息网络得到它的主要目的是:使全美领域内的用户更方便地利用该系统实现厘米级的水平定位和导航;促进用户利用空间参考系统来发展GIS;监测地壳形变:支持遥感的应用;求定大气中的水汽分布;监测电离层中自由电子浓度和分布;通过与水准测量结合，实时确定点位的正常高英国于1992年建立了由700个站组成的国家GPS网，并建立了近30个GPS连续观测站;加拿大大地测量局在本土建立了由十几个永久站组成的GPS跟踪网;德国也在全国范围内建立了由100个永久GPS跟踪站组成的卫星定位网，平均站距为40公里:日本在全国建成了由近1200个GPS站组成的综合服务系统，该系统的永久跟踪站平均距离30公里，构成了一个格网式的GPS永久站排列，是日本国家的重要基础设施上述国家的GPS网应用于许多方面，如地震的监测和预报、控制测量、工程控制和监测、测图和地理信息系统的更新、气象监测和预报、研究地球动力等等，为军事、工农业各方面提供服务目前，利用高精度、连续运行的GPS网站建立和维持全球统一的地心大地测量坐标系，己成为大地测量发展的新趋势。

我们知道大地控制网优化一般分为四类: 0类设计，研究大地网基准的优化 1类设计，设计大地网图形，选择最佳的点位和合理的观测类型 2类设计，研究网中各类观测的最佳分布、密度和观测精度 3类设计，研究对原大地网的进一步加强，即研究在网中加入新的观测量的类型和最佳配置 一般作业中使用较多的是2, 3类设计，但无论那一种设计，其目的是使用最少的人力、物力、财力来使控制网达到最高的精度和可靠性大地控制网的优化设计实际上是利用各种条件(参数)来求极值GPS控制网外业实施方案的优化也是一个求极值的问题，所不同的是制订外业实施方案，考虑的环境因素很多，其极值关系很难求取，主要是经验值另外，由于其技术要求已有具体规定，所测点位已选好，一般不存在点位变动问题若在实际观测中出现点位破坏或异常情况需要变化点位的位置时，则要考虑该点与其它的构图情况GPS外业实施方案制定时，主要考虑两个方面，一是技术方面;二是测区环境方面技术方面决定了控制网的精度，测区环境方面决定了控制网的作业时间长度、进度和经费1.3 本文主要研究的问题GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，实施这项工作总的原则是，在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下，尽可能的减少经费、时间和人力的消耗。

因此，对其各阶段的工作都要精心设计，精心组织和实施GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节所以本文首先从精度指标的合理确定，网的图形设计和网的基准设计对GPS网的优化进行探讨由于GPS测量技术精度高、效率高、灵活性强，其应用越来越广泛，在工程测量、形变监测、地壳运动监测、天文测量等方面得到了广泛的应用GPS工程网是目前应用最广泛的控制网，本文重点对GPS工程网从控制网点的分布、已知点的选择及坐标系统的转换等方面进行探讨，研究基线长度对点位坐标精度的影响以及已知点分布对控制点精度的影响结合大同矿区GPS控制网布设实例进行论述提出既精度高、效率高、布网投入又少的最优方案2 GPS测量控制网的优化设计GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节这项工作的主要内容包括，精度指标的合理确定，网的图形设计和网的基准设计2.1 GPS网精度的评定对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度，精度指标通常是以相邻点间弦长的标准差来表示，即 （2-1）式中 ——GPS基线向量的弦长中误差，mm；——GPS接收机标称精度中的固定误差，mm；——GPS 接收机标称精度中的比例误差系数，ppm——GPS定位网中相邻点间的距离，km。

GPS卫星定位网虽然不存在常规控制网的那种逐级控制问题，但是由于不同的GPS网的应用和目的不同，其精度标准也不同根据传统的习惯做法，人们将GPS卫星定位网划分几个等级根据修订后的规范规定，GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六级，其中AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳变形测量和精度定轨，是建立地心参考框架的基础；A级主要用于区域性的地球动力学研究、地壳形。