毕业设计（论文）GPS RTK在公路工程控制测量中的应用.doc

毕 业 设 计 题 目：GPS RTK在公路工程控制测量中的应用系 别： 专 业： 姓 名： 学 号：指导教师： 河南城建学院2011年月日河南城建学院 毕业设计任 务 书题 目GPS RTK在公路工程控制测量中的应用系 别 专业班级学号学生姓名指导教师发放日期河南城建学院专科毕业设计任务书一、主要任务与目标：（1）GPS RTK的系统组成及测量原理；（2）控制网的布设；（3）GPS公路工程独立控制网的建立；（4）GPS公路工程独立控制网建立的工作流程；（5）GPS控制网的应用；（6）优化设计。二、主要内容与基本要求：GPS系统的组成，测量原理；GPS公路工程独立控制网的建立的方式和工作流程。三、计划进度：2011年4月11日-2011年4月30日，理解毕业设计指导书，并整理控制测量资料。2011年5月1日-2011年5月10日，编写毕业设计，完成毕业设计初稿。2011年5月11日-2011年5月17日，整改毕业设计初稿，完成毕业设计。四、主要参考文献：1周忠谟，周琪GPS卫星测量原理与应用M北京测绘出版社， 19972李青岳.工程测量学M.北京:测绘出版社，1995.3张予东、李雪芳.公路测量中GPS RTK的应用J.测绘通报,2002,(12). 4张耀华.GPS定位技术在公路工程中的应用J.国外公路,1998,(06).5刘基余，李征航，王跃虎全球定位系统原理及其应用 北京测绘出版社， 1995指导教师（签名）： 年 月 日教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。）教研室主任签名： 年 月 日注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定成绩，并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见河南城建学院毕业设计（论文）工作条例。五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分毕业设计成绩评定班级 姓名 学号综合成绩： 分（折合等级 ）答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计（40分）完成任务情 况（5分）毕业设计（论文）质量（5分）表达情况（5分）回答问题情 况（5分）质 量（正确性、条理性、创造性、实用性）（10分）成果的技术水平（科学性、系统性）（10分）评分答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定。（1）理工科评分表评分项目（分值）工作态度与 纪 律（10分）毕业设计（论文）完成任务情况与水平（工作量与质量）（20分）独 立工作能力（10分）基础理论和基本技能（10分）创 新能 力（10分）合 计（60分）得分（2）文科评分表评分项目（分值）文献阅读与文献综述（10分）外文翻译（10分）论文撰写质量（10分）学习态度（10分）论证能力与创新（20分） 合 计（60分）得分 指导教师签字： 年 月 日摘要公路GPS控制测量是利用全球定位系统(GPS)测量公路各控制点坐标的测量。 GPS卫星定位系统很早就已应用于国民经济的各个领域， 近些年来随着GPS RTK技术的出现以及GPS接收机空间定位精度的不断提高，GPS RTK技术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测量领域。本次设计着重介绍了用GPS网作为高速公路路线首级控制测量的方法，并对GPS网的选点与布设、观测与联测、误差来源及精度标准、数据质量与数据处理、网平差与坐标转换等进行了分析。同时还就如何消除测量中的误差，提高其测量精度提出了相应的方法。GPS 新技术的出现,可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标,在地形测量中已得到广泛地应用。本文介绍了GPS(RTK) 配合全站仪的作业流程, 简要阐明了其在道路测量中的应用。关键词：GPS RTK，数字测图，全球定位系统（GPS） ，控制测量；abstractHighway GPS control measurement is using global positioning system (GPS) measurement of each control point coordinates measuring highway. GPS has long application of economic fields peaked in recent years with the emergence of GPS RTK technology and the spatial location accuracy of GPS receiver unceasing enhancement, GPS has been used widespreadly RTK technology geodetic, engineering surveying and aerial photography measure and topographic etc. Each measurement field. Introduced the design with GPS network as highway route heads and the method of control measure of GPS nets source and layout, observation and league measurement, error sources and precision standards, data quality and data processing, nets adjustment and coordinate transformation were analyzed. Also on how to eliminate the error of measurement, improve its precision puts forward corresponding methods. The emergence of new technology, GPS and rapid determination can be high precision control at all levels in the coordinates, bathymetric survey has been widely. This paper introduces the GPS (RTK) in cooperation with electronic tachometer work flow, briefly explains its application in the measurement of the road. Keywords： Digital surveying ， Global positioning system （GPS）， Control measure ;目 录1、前 言41.1 GPS系统的组成1.2 GPS RTK的测量原理2、控制网的布设62.1 施工控制网的常见网形设计方法2.2 GPS公路工程独立控制网建立 2.2.1快速静态定位模式 2.2.2 动态定位3、GPS公路工程独立控制网建立的工作流程83.1 静态GPS测量3.2 GPS控制网的应用：4、精度分析95、优化设计106、结语117、参考文献128、致谢1、前言1.1 GPS系统的组成目前，全球有美国GPS全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯全球定位系统、欧洲伽利略全球定位系统、我国北斗星全球定位系统。这四大全球定位系统中要数GPS开发最早，应用更为成熟。其具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK系统由GPS接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备组成，整套设备在轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点，完全可以满足数据采集和工程放样的要求。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。 GPS卫星星座：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内轨道倾角为55度各个轨道平面之间相距60度即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。 GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。 GPS系统具有以下主要特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。 1.2 GPS RTK的测量原理GPS实时动态测量（Real-Time Kinematic）简称RTK，又称载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。需要至少两台GPS接收机，在已知点上设置一台GPS接收机作为基准站，并将一些必要的数据，如基准站坐标、高程、坐标转换参数等输入GPS手簿，一至多台GPS接收机设置为流动站，共同跟踪4颗以上卫星。基准站和流动站同时接收卫星信号，基准站将接收到的卫星信号通过基准站电台发送到流动站，流动站将接收到的卫星信号与基准站发来的信号传输到控制手簿进行实时差分及平差处理，实时得到本站的坐标和高程及其实测精度，并随时将实测精度和预设精度指标进行比较，一旦实测精度达到预设精度指标，手簿将提示测量人员是否接受该成果，接手后手簿将测得的坐标、高程及精度同时记录于手簿中。移动站可处于静态，也可处于动态，可在一个固定点上进行初始化后进入动态工作，也可以在动态条件下进行初始化（须有动态初始化On-The-Fly简称OTF功能接收机）。移动站与基准站测量范围距离一般在15km以内，实时三维定位精度可达厘米级。 如图所示： 手 数据天线 薄 动态 GPS接收机 数据链数 流动站 据 数据天线 GPS接收机 数据链 基准站 图1.1RTK测量示意图GPS定位的基本原理原理：根据地面已知点坐标，用空间距离前方交会的方法确定空中卫星的位置，根据空中卫星的坐标用空间距离后方交会的方法确定地面测站点的位置。图1.2 GPS系统定位原理已知（X,Y,Z）s，s=1,2,3，观测1，2，3，计算（X,Y,Z）p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： （公式1-1）实质：由GPS接收机在某一时刻同时接收4颗以上的GPS卫星信号测出GPS接收机到GPS卫星的距离，根据空间距离后方交会来确定地面点位置。观测方程： 式中： 为卫星的坐标； 为测站的坐标 为接收机钟差。2、控制网的布设2.1 施工控制网的常见设计方法施工控制网的常见设计方法有：建筑方格网、导线、边角网、GPS控制网。这四种控制网的特点分别是：（1）建筑方格网布设的特点：根据工程建筑的需要按设计要求，建立建筑方格网。建筑方格网按”先主轴点后扩展方格点”的顺序测定。加强建筑方格网的直线度和平面垂直度的检验。建筑方格网的适用范围：地势平坦的、建筑物众多且布置，比较规则和密集的工业场地；新建的大中型建筑场地。（2）导线网优点：导线应用最为广泛，布设灵活，推进迅速，受地形限制小，边长精度分布均匀。如在平坦隐蔽、交通不便、气候恶劣地区，采用导线测量法布设大地控制网是有利的。缺点：但导线测量控制面积小、检核条件少，方位传算误差大。（3）边角网：可靠并有较多的检核条件，包括点位的横向误差和纵向误差，同时对控制网的尺度能有效的控制。（4）GPS的特点：网形设计具有较大灵活性，故选点工作较常规测量简便。但GPS测量又有其自身的特点，因此选点时应满足以下要求：点位应选在交通比较方便、易于安置接收设备的地方，且视野要开阔；GPS点应避开对电磁波接收有干扰的物体。定位精度高。观测时间短。可提供三维坐标。操作简便，并且全天候作业。2.2 GPS公路工程独立控制网建立公路工程独立控制网建立的最有效方法是采用GPS方法：按GPS勘测规程要求，每0.51km间设一控制点，其等级依公路等级而定。控制网的布设通常在控制地物轴线附近选定两首级控制点作为已知方向点，其连接的基线基本平行于轴线，以最有效控制施工时轴线偏离误差，再在两控制点范围内布设成满足施工要求的多边形或三角锁。 通过同步环、异步环的多时段观测，经固定端点无约束平差处理得到各基线边向量。 由于GPS的精度很高，反算两端点的基线长作为控制网的已知边长，并采用两端点作为首级控制的原坐标反算方位，作为已知方位推算另一端点的坐标。这时与原作为首级控制的坐标有一差值，当差值在一定限差内时，采用同一方法固定另一端点进行无约束平差或直接计算坐标，得到起端点的另一坐标。 将两端点的新旧坐标取平均后，作为最终已知值进行高等网约束平差，得到高级网各点坐标值，然后对两端按导线重新进行路线一级导线平差。GPS观测工程中，观测时主要技术要求如下：表1 观测的主要技术要求GPOP值卫星高度角（°）有效观测卫星数平均重复设站数时段长度（min）数据采集间隔（s）闭合环或附合路线边数61541.660（D）45（E）10306（D）8（E）各级公路及构造物的水准测量等级应按表1选定 工程水准测量等级 表 2 测 量 项 目等 级水准路线最大长度（ km）4000m以上特长隧道、2000m以上特大桥三等50高速公路、一级公路、 10002000m特大桥、20004000m长隧道四等16二级及二级以下公路、 1000m以下桥梁、2000m以下隧道五等102.2.1.快速静态定位模式求GPS接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时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，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法(如全站仪测量)，受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK技术可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5-10min，随着技术的不断发展，定位时间还会缩短，不及静态测量所需时间的五分之一，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。把RTK用于公路控制测量则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。2.2.2动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需210s)进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量24s，精度就可以达到13cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器不可比拟的优点。3、工作流程：3.1静态GPS测量静态GPS测量技术主要应用于建立公路首级，之后再利用其他测量方法进行加密的附合导线测量。控制网建立过程如下：（1）：路线、导线点选址的初步勘查。接到外业测量的任务后，组织人员对路线的走向进行初步的勘察，查看沿线GPS点的位置情况。调查路线附近高等级GPS一遍进行联测（2）：GPS点控制网的设计：GPS点控制网的布设应根据公路等级、沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计（3）：GPS选点、埋石：选点应按技术设计要求有利于采用其他测量方法和联测。（4）：架设GPS仪观测：四个GPS点观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求，（观测时间不应少于0.5小时，有效观测卫星数不少于4个）（5）：GPS观测数据的处理：外业观测结束后讲GPS中的数据传入计算机中，采用软件，即使进行数据处理和质量分析（基线结算与检核、GPS点控制网平差计算两个步骤。）（6）：GPS控制网进行加密（7）：公路中线测量，公路纵横断面测量（8）：导线点座标及平差计算：将每段符合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果。RTK作用距离与基准站架设的高度的关系如下表： 表3.1高度（m）典型距离（km）理想距离（km） 30 9-11 10-12 20 7-9 8-103.2 GPS控制网的应用：建立公路GPS控制网后，其主要用途可体现在以下几个方面：（1）公路航测成图时要有相应的控制依据，可用GPS控制网控制航向和区域宽度。（2）在用其他方法测图时，GPS控制网可选用首级控制和图根控制来应用。（3）在公路勘测阶段，可以GPS控制网为基础进行防线及构造物的施放，可大大提高测设精度及原始数据的提取精度。（4）在施工阶段，根据设计要求可以GPS控制网可以对公路进行有效的改造。4.精度分析4.1基准站-流动站校正精度分析一般在标定RTK仪器测量精度时使用“固定误差+边长比例误差”的形式表示,即a+b×D式中:a为固定误差; b为边长比例误差; D为流动站与基准站之间的距离。基准站流动站校正模式为:在已知点上架设基准站,输入已知坐标。在另外一个已知点上架设流动站,输入坐标进行流动站校正。在此测量形式下,基准站仅产生对中误差,在另一已知点进行校正时既有对中误差又有RTK随距离而产生的误差。设仪器在基准站的对中误差为m基,流动站对中误差为m流,流动站与基准站相对距离为d1,测量点与基准站距离为d2。若设流动站在已知点校正时的定位精度为m校,在测量点时的定位精度为m测,则m校=a+b×D,即在已知点上只测量一个WGS-84下的坐标用于校正,该点会引入a+b×Dmm大小的误差。RTK定向误差为依据南方RTK科力达仪器标称精度(RTK平面精度±1 cm+1 ppm),并设对中误差m中=3mm,可估计出两已知点相距1 km时,其定向误差为:m定=2.4（表4.1） 表4.1基准站-流动站校正模式定向误差与距离之间的关系 距离/m 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000定向误差/s 22.6 11.4 7.7 5.8. 4.7 3.9 3.4 3.0 2.7 2.4距离/m 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 定向误差/s 2.1 1.6 1.3 1.1 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 RTK基准站流动站校正时引入的方位角误差会随距离的增加而减小,校正点相距越远,方位角精度越高。4.2流动站-流动站校正精度分析流动站-流动站校正模式为:在未知点处架设RTK基准站,利用流动站在两个已知点进行点位校正。这种方式校正的精度与基准站到距离有关,即m校=a+b×D假设两校正点到基准站的距离分D2。则引入的定向误差为 = 式中:m定1=a+b×D1; m定2=a+b×D2。若D1与D2到基准站的距离相当即D1=D2=D,则计算两点校正后引入的定向误差为= 假设D1=D2,算得定向误差(见表3)。 表4.2流动站-流动站校正模式定向误差与距离之间的关系 距离/m 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000定向误差/s 30.7 15.5 10.4 7.9 6.4 5.4 4.6 4.1 3.7 3.3距离/m 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800定向误差/s 2.8 2.2 1.8 1.6 1.4 1.2 1.1 1.0 1.0 0.9 RTK流动站-流动站校正时引入的方位角误差随距离的增加而减小,校正点相距越远,方位角精度越高。同基准站设在已知点的规律相同,不过通过对比可以发现用两流动站校正时的定向误差要大。5、优化设计：设计中，要求尽可能地进行多余观测，以增强网的内部可靠性（增加观测值多余观测分量），有利于观测值粗差定位和方差分量估计。对于采用GPS布网，就要求对网作精心布设，注意地面观测条件，并且采用精密星历解算基线。对于精密工程来说，尽量不采用单纯的GPS网，将GPS网与边角网同时联合解算是一个不错的选择，但要注意GPS网与地面网边之间的精度匹配以及地面边角测量精度匹配的影响，当然成本会相应增大，这还有待实践的进一步检验。在实践中工作中，按以下步骤进行优化设计：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量的指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时可按观测值的内部可靠性指标删减观测值，若某个观测的多余观分量太大，说明该观测值显得多余，应删去；若很小，则该观测值的精度不宜增加。根据这种方案很容易得到一个最优方案。6.结束语 实时动态GPS RTK技术在公路勘测中的应用，对等级公路的勘测手段和作业方法产生了重大改变，极大地提高了勘测精度和勘测效率，对公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景，为我国国民经济发展带来了可观的经济效益。RTK 测量技术的应用极大的推进了测量技术的发展。相信随着数据传输能力的增强，数据的稳定性，软件水平的提高，GPS RTK测量技术将在测量领域发挥具大的作用。可以预见，GPS系统技术在各个领域中的应用将进一步普及。从课题的选择、材料的搜集、方案的论证到具体写作，每一步对我来说都是巨大的尝试和挑战，通过不断的提出新问题，发现新问题，然手去论证、推翻，在这个往复的过程中，我这篇论文日趋完善。每一次的改进对我来说都是一次提高，虽然我的论文不是很成熟，并且借鉴了前人的很多资料，但我仍然心里有一种幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的毕业设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程，并且这个设计中加入了我自己鲜活的思想，改正了一些以前工作中不完善的地方。在做这次毕业论文的过程中我学到了很多，加深了GPS RTK的定位原理，基本结构和具体应用的理想，应用了所学的理论知识，尝试了一次理论指导实践的过程，加深了对测量行业的热爱。希望这次经历能让我在以后的工作和生活中不断成长和进步。7、参考文献1周忠谟，周琪GPS卫星测量原理与应用M北京测绘出版社， 19972李青岳.工程测量学M.北京:测绘出版社，1995.3张予东、李雪芳.公路测量中GPS RTK的应用J.测绘通报,2002,(12). 4张耀华.GPS定位技术在公路工程中的应用J.国外公路,1998,(06).5刘基余，李征航，王跃虎全球定位系统原理及其应用 北京测绘出版社， 19958、致谢毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功训练，培养我们综合运用所学知识独立的分析问题和解决问题的能力，为以后的工作打下良好的基础。本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校河南城建学院，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次，我要感谢测绘与城市空间信息系的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会了我们做人做事的道理。尤其要感谢的是在本次设计中给了我大力支持和帮助的王卫军老师，每有问题，老师总是给我们耐心的解答和辛勤的指导，使我在设计中避免走进误区，能够顺利的完成毕业设计；另外，我还要感谢我的同学，是在他们热心的帮助下，使我感受了来自兄弟姐妹般的情谊；最后我还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢你们为我们提供了一个良好的环境，是我的这次设计圆满成功。