公路测量 毕业设计

摘 要

GPS即全球定位系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元的美国第二代卫星导航系统，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，特别是在测量领域。本文介绍了GPS的特点、发展及应用、GPS的组成及工作原理，GPS公路控制测量、实时动态测量技术、GPS数据处理、GPS基线解算的基本原理等。根据GPS测量的技术特点，论述了GPS在307国道实际测量工作中的应用。

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第一章 GPS的发展

第一节 GPS的简介

一、 概念

GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统,是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，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。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。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。

二、 GPS系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。 1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M-工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

2、观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，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1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟.

3、测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4、可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站

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点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

6、全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位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和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景

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的出现而产生革命性变化。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越来越被广泛的使用，

一、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

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携带; 全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS-84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。

2、GPS应用于交通 3、GPS应用于救援 4、GPS应用于农业 5、GPS应用于娱乐消遣

二、 我国的GPS定位技术应用情况

2002年2月，国家计委提出“卫星导航应用产业化专项”，其目标是在“十五”末期，形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过100万套，行业总产值超过100亿元（约占世界市场份额的4%）。其中导航运营服务产值将超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占60%以上。产品出口将占国产总量的10%，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用，产生明显的经济效益和社会效益。

三、 前景

据专家预测，今后几年内GPS在通信、大气探测、精细农业以及环保等领域中也将得到广泛的应用，GPS将进入各行各业。还有专家预测，不久的将来人们将生产出电子手表式的GPS接收机而价格将降至普通人都能接受的水平。到那时侯人们不仅能方便地获得时间信息而且能方便地获得三维位置和三维速度信息，从而深刻地改变人们的生活方式。全球定位系统将作为20世纪最伟大的科学成就之一而载入史册。

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第二章 GPS卫星全球定位系统

第一节 GPS卫星定位系统的组成

GPS全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。

一、 空间部分 1、GPS卫星

GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星配备有4台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户。

2、卫星星座：

发射入轨能正常工作的GPS卫星集合城GPS卫星星座。 最初的GPS卫星星座由24颗GPS卫星组成。这些卫星分布在三个倾角为63°几乎为圆形的轨道上。相邻轨道的升交点赤经之差为120°，每个轨道上将均匀地分布5颗卫星。轨道的长半径为26560km，卫星的运行周期为12h（恒星时）。后因美国财政赤子过大而做了较大的变动。GPS卫星总数削减为18颗轨道倾角改为60°，轨道增至6个，每个轨道上均匀分布3颗卫星，相邻轨道的升交点赤经之差为60°，其余参数不变。

二、 GPS地面监控部分

支持整个系统正常运行的地面设施称为地面监控部分。它由一个主控站，三个注入站和五个监控站以及通信和辅助系统组成。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；

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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。

注入站是向GPS卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3个注入站分别位于迭哥伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令分别“注入”卫星。

通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务的机构和设施。全球定位系统的通信系统由通信线、海底电缆及卫星通信等联合组成。

三、 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、气象仪器等组成，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。在测量领域，随着现代科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用了４台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS接收机，其技术指标为：测量精度：5mm＋2×10－6 mm静态测量，20ｍｍ+1×10－6mm（高

程）。这些技术指标充分地满足了控制测量的精度要求。 以下是 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）。

1、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 （1） 码接收机：用伪噪声码和载波作测距信号； （2） 无码接收机：仅用载波作测距信号；

（3） 集成接收机：既用GPS信号，又用GLONASS信号测量站星距离。

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2、 按用途分类

（1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理； （2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理； （3）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：f1=154×10.23MHz=1574.42MHZ;f2=120×10.23MHz=1227.60MHz.

按所用载波频率多少，GPS信号接收机可以分成下列类型：

（1）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； （2）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。

第二节 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d1,d2,d3。只需以三个发射台为球心，以d1,d2,d3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，d1,d2,d3，应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间

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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。

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、 GPS几种定位方式 1、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。

2、 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。

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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C/A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19cm；24cm，所以就可达到很高的精度。

3、差分GPS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。

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第三章 GPS在公路测量中的应用

第一节 GPS在公路控制测量中的应用

一、 GPS控制网的内业设计 1.GPS控制网设计

GPS控制网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的《全球定位系统(GPS)测量规范》及建设部颁发的《全球定位系统城市测量技术规程》。

（一）GPS网技术设计的一般原则 (1)、充分考虑GPS控制网的应用范围 (2)、采用分级布网的方案

（二）GPS测量的精度标准

GPS测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为 σ = a + bd 式中 σ————距离中误差，mm a————固定误差，mm b————比例误差系数，10-6 d———— 相邻点的距离，km

表 GPS的测量精度

固定误差a/mm 比例误差系数b/10-6 相邻点最小距离/km 相邻点最大距离2000 250 40 15 0 100 15 5 2 1 5 0.1 A B 8 1 C 10 5 D 10 10 E 10 20 10

/km 相邻点平均距离/km （三）坐标系统和起算数据

GPS采用的1984年世界大地坐标系（world geodetic system，WGS84坐标系）是一个协议坐标系，其空间直角坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向国际时间局（BIH1984.0）定义的地极方向。而实用上需要得到的是参心坐标系，在我国即1980年国家大地坐标系和1954年北京坐标系（或地方独立坐标系）的坐标，“参心” 意指参考椭球的中心。为此，在GPS网的技术设计中，必须有GPS网的成果所采用的坐标系和起算数据，即GPS网所采用的基准，或称之为GPS网的设计基准。

2. 影响GPS测量技术设计的因素

GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑：

（1）、同测站有关的因素网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计。

（2）、同观测卫星有关的因素观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高度角；星历来源。

（3）、同仪器有关的因素接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。

（4）、后勤方面的因素动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。 3.GPS控制网的图形设计

对于常规方法布设的三角网、三边网或导线网，图形设计是非常重要的一项工作。良好的图形设计可以减少野外选点的工作量，节省造标的经费，也为得到较高精度的成果打下基础。由于GPS的同步观测不要求通视，因此，GPS网的图形设计也具有很大的灵活性。

（1）所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。

300 70 15-10 10-5 5-2 11

（2）GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。

（3）GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。

（4）考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为精确求定转换参数，(GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。

4.技术指标

按照规范要求，其控制网的精度符合如下规定。相临点间的最小距离保持为平均距离的1／2～1／3；相临点间的最大距离保持为平均距离的2～3倍。其主要技术要求见下表：

表 GPS网的主要技术要求

等级 平均距离(km) 二等 三等 四等 一级 二级

二、 GPS控制网的外业设计 1. 选点要求

点位的选择应符合下列要求。 （1）.点位周围应视野较开阔。

（2）. GPS网点视场内不应有大于仰角15°的成片障碍物。

9 5 2 1 <1 边长中误差(m) 10 10 10 10 15 最弱边相对中误 1／120000 1／80000 1／45000 1／20000 1/10000 12

（3）. 选定能便于长期保存，稳定坚固的地方设点。 （4）. GPS网点应避开高压输电线、变电站等设施。

（5）. 交通便利点位离开附近可通轻便车的道路不应超过500m，且在点位30m内有足够的空间安置接收机和方便操作进行。

（6）. GPS网点应避开对电磁波接收有强烈吸收和反射影响的金属和其他障碍物，

2.埋石

由于时间要求，埋石拟与选点同时进行。根据现场具体情况，采用埋预制标石和现浇混凝土两种形式。

3.外业观测

确认仪器性能良好。根据GPS网形设计编制作业调度表，作好人员和交通工具的配备。观测者应根据GPS作业调度表的安排进行观测，观测者填写测量手簿和外业观测记录，并应随时监视仪器的状态，发现不良反应，及时报告或记录案。观测要求按照下表进行测量。

表 GPS测量作业基本技术要求

项目 卫星高度角 有效卫星数 平均重复测站数 时段长度 历元间隔 图形强度因子

三、GPS控制网的外业实施 1.仪器准备

此次C级控制网的建立所采用的仪器是南方NGS9600型GPS接收机，该接收机是以四台套进行工作。所以作业以前准备四个三脚架，四台接收机，四个盒尺。

1 GPS接收机的选用

观测方法 静态 静态 静态 静态 静态 静态 技术要求 ＞15度 ＞4颗 ＞1.6 ＞45分钟 10秒 ＜6 13

对于不同的GPS网的类级和控制等级，精度要求不一，此处提出选用接收机的基本要求，见下表

表 接收机的选用

级A B C D、E 别 单双频 双频 双频 双频 频/ 单频 单频 双频 标a≤5mm， a≤5mm， a≤10mm， a≤10mm， 称 b≤0.5 b≤1 b≤2 b≤3 精度 观载波相位或载波相位或载波相位或载波相位或载 测量 载波相位+P载波相位+P载波相位+P波相位+P（Y） （Y） （Y） （Y） 码伪距 码伪距 码伪距 码伪距 同 步观测≥4 ≥3 ≥2 ≥2 接收机数 南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图：

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GPS网的总体设计 实地定点、埋石 GPS观测计划准备 野外定位观测及记录 数据传输 基线向量解算 否 质量合格 是 GPS网平差 成果输出打印 图

2. 接收机及附属设备的检验与维护

接收机、天线及其他设备是否完整齐全，可随时出测。 各设备及电缆外部有无损伤、锈蚀，能否确保安全连接。

3.人员组织

每台接收机必须有一个人进行操作，为了全面加强控制测量工作的领导，测量队伍还成立了职员组和技术指导组。

4.仪器安装

将准备好的三脚架架到已经选好的待测点上，将接收机安装到三脚架上对中、整平。量取天线高，开机进入工作阶段。

5. 野外观测

野外观测应严格按照技术设计要求进行。 （1)、安置天线: (2)、安置GPS接收机:

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(3)、操作：按规定时间打开GPS接收机，输入测站名，卫星截止高度角，卫

星信号采样间隔等。。

(4)、检查：一个时段测量结束后要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误再关机、关电源、迁站。

第二节 GPS RTK在公路测量中的应用

2 RTK技术

2.1 RTK 技术简介。RTK技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS 测量技术。是一种将GPS与数传技术相结合, 实时解算进行数据处理, 在1~2 秒的时间里得到高精度位置信息的技术, 它是GPS测量技术发展的一个新突破, 在道路工程中有广阔的应用前景。

2.2 GPS技术的基本原理。建立无线数据通讯是实时动态测量的保证, RTK 技术的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[4]。

2.3 RTK系统的组成。RTK 系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它是利用2 台以上GPS接收机同时接收卫星信号, 其中一台安置在已知坐标点上作为基准站,另一台用来测定未知点的坐标( 移动站) 。基准站根据该点的准确坐标求出其他卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站, 移动站根据这一改正数来改正其定位结果, 从而大大提高定位精度。它能够实时地提供测站点指定坐标系中的三维定位结果, 并达到厘米级精度。RTK技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站, 改正移动站的接收载波相位, 再求解坐标; 差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站, 进行求差解算坐标。

2.4 RTK 技术的特点。RTK技术具有如下优点[6]:

a.工作效率高。在一般的地形地势下, 高质量的RTK 设站一次即可测量完4km 半径的测区, 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数, 移动站一人操作即可, 劳动强度底, 作业速度快, 提高了工作效率。

b.定位精度高。只要满足RTK的基本工作条件, 在一定的作业半径范围内( 一般为4km) , RTK 的平面精度和高程精度都能达到cm级。

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c.全天候作业。RTK 测量不要求基准站、移动站间光学通视, 只要求满足“电磁波”通视, 因此和传统测量相比,RTK 测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小, 在传统测量看来难于开展作业的地区, 只要能满足rtk 的基本工作条件, 它也能进行快速高精度定位, 使测量工作变得更容易更轻松。 d.RTK 测量自动化、集成化程度高, 数据处理能力强。RTK 可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统, 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能, 减少了辅助测量工作和人为误差, 保证了作业精度。 3 RTK 在道路工程测量中的应用

3.1 绘制大比例地形图。高等级公路选线多是在大比例尺( 通常是1: 2000 或1: 1000) 带状地形图上进行, 用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图,其工作量大速度慢, 花费时间长。用实时GPS 动态测量, 构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图, 由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。

3.2 控制测量。用GPS 建立控制网, 最精密的方法当属静态测量。对大型建筑物, 如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制, 宜用静态测量。而一般公路工程的控制测量, 则可采用GPS 动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度。当达到要求的点位精度, 即可停止观测, 大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求通视,使得测量更简便易行。

3.3 线路勘测。在公路选线过程中, 我们往往要按照勘测设计规范, 本着尽量减少占用农田、少拆迁房屋并尽量利用旧路路基这样一个原则, 为了准确设计好道路中线路使其符合设计要求, 我们可以利用GPS RTK 技术, 用车载GPS RTK接收机做流动站, 沿原路中线按一定间隔采集数据, 选择另一已知点为参考站, 遇到重要地物, 准确定位, 最后将数据传入计算机, 利用autoCAD软件可以方便在计算机上选线。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路中线在地面上标定出来, 并得到中桩点坐标及坐标文件。采用实时GPS 测量, 只需将中桩点坐标或坐标文件输入到GPD电子手簿中, 系统软件就会自动定出放样点的点位由于每个点的测量都是独立完成的, 所以不会产生累计误差, 各点放样精度趋于一致。

3.4 道路的中线测设。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路在地面标定出来。采用动态GPD测量, 只需将中线主点的坐标输入GPS 接收机中, 系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度趋于一致。

3.5 公路纵、横断面放样。公路中线确定后,利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果

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需要进行现场断面测量时, 也可采用动态GPS测量。与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。

3.6 施工测量。动态GPS 系统既有良好的硬件, 也有极其丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷, 精度可达到厘米级。随着动态GPS 测量技术的不断发展、完善, 将更加充分的显示出这一技术的高精度和高效益, 它会为公路工程建设的发展和进步发挥更大的作用。

4 影响RTK成果精度的因素 一般来说, 影响RTK成果精度的因素主要是GPS观测其有误差源, 除此之外, 还有受基线解算精度、基准站点位精度、坐标系转换精度的影响, 但是在RTK 作业中, 基线解算精度可以达到10cm+1μmd; 基准站点位精度平均在3cm 之内; 坐标系转换精度, 对于10km 基线亦在3cm以内, 动态作业由于测距偏心, 天线高误差等, 一般也在3cm 以内, 至于正常高拟合与内插精度取决于连测点数目与分布、拟合模型等, 一般在5cm～10cm内是能够做到的。 RTK技术是GPS 定位技术的一个新的里程牌,它不仅具有GPS 技术的所有优点,而且可以实时获得观测结果及精度,大大提高了作业效率并开拓了GPS 新的应用领域。由于载波相位测量,差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合,使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合,并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。

第三节 数据传输与数据处理

一、 数据传输

观测完毕即可进行数据传输，数据传输是内业工作的基础工作，在数据传输过程中必须严格按软件的操作程序进行操作，要认真的对待这一过程。本次观测数据传输，是将NGS9600型GPS接收机与计算机连接，使用相应的软件进行数据传输和处理。

（一）连接计算机和GPS接收机前的准备 1、保证NGS9600型主机电源充足，打开电源

2、用通讯电缆连接好电脑的串口COM1或串口2(COM2)。

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3、要等待(约10秒钟)9600主机进入主界面后再进行连接和传输(初始界面不能传输)。

4、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。 （二）进行通讯参数的设置

1、选择“通讯”菜单中的“通讯接口”功能，系统弹出图4-3所示的通讯参数设置对话框。

2、在通讯参数设置对话框中选择通讯接口COM1或COM2，鼠标单击“确定”按钮。

图4-2 通讯参数设置对话框 （三）连接计算机和GPS接收机

图4-3 连接计算机和GPS接收机后的程序菜单

选择“通讯”菜单中的“开始连接”功能或直接在工具栏中选择“连接”。如果在第二步中设置的通讯参数正确系统将连接计算机和GPS接收机，在程序视窗

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的下半部分显示GPS接收机内的野外观测数据。见图4-3。如果通讯参数设置不正确，请重复第二步的操作。

（四）数据传输

1、选择“通讯”菜单中的“传输数据”功能，系统弹出图4-4所示的对话框。 2、在GPS数据传输对话框中选择野外的观测数据文件，鼠标单击“开始”。 （五）断开连接

选择“通讯”菜单中的“断开连接”功能或直接在工具栏中选择“断开”，即可断开计算机和GPS接收机的连接。

例如要将数据保存在E盘根目录下JT文件夹中，则可以进行如下操作： 1、打开E盘根目录下JT文件夹；

2、选定欲传输的数据（如2113点数据）如图4-4。 3、在图4-4的对话框中可更改点名、仪器天线高、时段号。

4、然后鼠标左键点击“开始”，该点上采集的数据“2113”将传输到你指定的E盘根目录下JT文件夹。

5、断开连接。

图4-4 GPS数据传输对话框

二、 数据处理

GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用GPS数据处理软件。经济基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的三维坐标。

（一）处理过程符合下列技术要求

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同一时段观测值基线处理中，二、三等数据采用率都不宜低于80%，同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表3-5规定：

表4-5 同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定（ppm）

等级 限差类型 相对闭和差 全长相对闭合差 （二）观测成果检验

1、每个时段同步环检验:同一时段多台仪器组成的闭合环，坐标增量闭合差应为零。由于仪器开机时间不完全一致，会有误差。在检核中应检查一切可能的环闭合差。其闭合差分量要求不超过限差。

2、同步边检验：一条基线在不同时段观测多次，有多个独立基线值，这些边称为重复边。任意两个时段所得基线差应小于相应等级规定精度的2 2倍。

3、异步环检验

在构成多边形环路的基线向量中，只要有非同步观测基线，则该多边形环路称为异步环。异步环检验应选择一组完全独立的基线构成环进行检验，应符合限差要求。

（三）补测与重测

为了满足成果的精度和统一年性当一个控制点不能与两条合格独立基线相连接时，则必须在该点上补测或重测不少于一条独立基线。

（四）GPS网平差处理

当各项质量检核符合要求时，应以所有独立基线组成闭合图形，进行控制网平差，平差时应遵循以下规定：

1、各观测时段均首先进行一个起算点的三维无约束平差，基线向量的改正数（VΔx、VΔy、VΔz）的绝对值均≤42mm。

2、在三维无约束平差确定的有效观测量基础上，应在阳泉市矿区独立坐标

3.0 5.0 10.0 15.0 15.0 等 2.0 二等 3.0 6.0 9.0 9.0 三四等 一级 二级 21

下进行约束平差。在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（d VΔx、dΔy、dΔz）均≤28mm。约束点的已知点坐标，已知距离，已知方位可作为强制约束的固定值，平差结果应输出阳泉市矿区独立坐标系中的三维坐标。同时应输出基线向量改正数，基线边长，及成果的精度信息。

（五） GPS高程拟合方法

高程拟合采用附加地形改正的曲面拟合法。本项目导线网联测四等精度以上水准点4座，且分布均匀，通过4个水准点正常高与三维平差得到的同名点大地高做比较，来检核高程异常值变化。确保高程成果的精度满足项目设计的要求。由于本测区地形多为山地，高程起伏大，又由于GPS高程拟合受地形变化的影响大，拟合精度存在不稳定因素，对全网的高程精度会有所影响，在时间和其它条件具备的情况下，可以考虑对部分控制点采用直接水准方法，以提高全网的高程成果精度，满足后期施工的要求。

第四节 基线解算原理

一、 基线解算

基线解一般采用差分观测值，GPS载波相位测量值可以在卫星间或接收机间求差 ，也可以在不同历元间求差 。在卫星间求一次差 、在接收机间求一次差以及在不同历元间求一次差是常见的三种求一次差的方法 。对载渡相位测量的一次差还可以继续求差 ，称为求二次差 。常见的求二次差的方法也有三种 ，即在接收机和卫星间求二次差 、在接收机和历元间求二次差以及在卫星和历元间求二次差 。二次差还可以继续求差 ，称为求三次差 。求三次差的方法只有一种 ．即在接收机 、卫星和历元间求三次差。考虑到GPS定位的误差源 ，实际上经常采用的求差法只有三种 ，即在接收机间求一次差 、在接收机和卫星间求二次差以及在接收机 、卫星和历元间求三次差 (图5- 1)。

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图 5-1 求 一次 差 、二 次 差 、三 次 差示 意 图

较为常用的差分观测值为双差观测值 ，即由两个测站(接收机 )的原始观测值分别在测站和卫星间求二次差后得到的观测值 (图5- 1)。双差观测值可以表示成下面的形式

ijpqpqfcijlijqppqpqfclvoppqij(Nc)ijpqijijijlijlijlijlijliipqpqqpccpqfqjVTjjrjiVTiiriVTjjqppjppqqqqqpfpiiVTiiip

ronijronijronijqijlvopNoijpqpqijlvoplvopqppijNnijNoij23

式 中：ij为在接收机j和 i至卫星 P和q之间的二次差虚拟观测值 ；

pq为卫星P和q至接收机J和 i之间的距离二次差 ；ronpqijpqij为在接收机 J

和 i至卫星 q和 P之间的电离层延迟之二次差 ；至卫星 q和 P之间的对流层延迟之二次差 ；NCq和 P之间的整周未知数之二次差 ；

lvopPqIJpqij为在接收机 j和 i

 为在接收机 J和 i至卫星

T 、TJ 分别为接收机 i、j的钟差 ；

pqpi ,i 分别为第p、q颗卫星信号传到接收机i所用的时间 ；j 、j

q分别为第 P、q颗卫星信号传到接收机j所用的时间 。 若在某一历元中，对4颗卫星进行了同步观测，则每个历元在两个测 站上共有 8个载波相位观测值，可以组成 4个一次差观测值和3个二次差观测值 。在进行基线解算时 ，电离层延迟和对流层延迟一般并不作为未知参数 ，而是通过模型改正或双频改正将它们消除。因此，基线解算时一般只有两类参数：一类是测站的坐标参数，数量为 3(基线解算时将一个端点的坐标作为已知值固定 )；另一类是 整周未知数 ，数量为 n-1( 为同步观测卫星总数 )。

二、 GPS基线解算的分类

基线解算一般分为单基线解和多基线解算 。 1、单基线解

所谓单基线解算 ，就是不顾及同步观测基线间的误差相关性 ，对每一条基线单独进行解算 由于其基线解算结果无法反映同步基线间误差的相关性 ，所以不利于GPS网平差处理 。

2、多基线解

多基线解的解算是在顾及了同步观测基线间误差相关性的情况下。对同步观测的所有基线一并计算。由于多基线解在解算时考虑了同步观测基线间的误差相关性，所以在理论上是严密的，有利于GPS网平差计算 。

三、 GPS基线解算的过程

目前，我国使用的绝大部分软件是接收机厂家配备的处理软件 ，国内也于2O世纪9O年代初开发研制出GPS数据处理软件 。上述软件的使用方法虽具有不同

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的特点 ，但GPS基线解算过程是基本相同的 。

1、观测数据的读入

在GPS外业观测中，每天必须把原始观测数据输入到计算机中 。在进行基线解算时。需首先读取这些 GPS原始观测数据。接收厂家配备的GPS数据处理软件，能读取本厂生产的GPS接收机的原始观测数据 ，而不能直接读取其他厂家生产的 GPS接收机的原始观测数据；如果要处理这些原始观测数据，首先需要进行格式转换。目前最常用的格式转换软件是RINEX 格式 。

2、输入数据的检查

在把原始观测数据输入到计算机中后，就需要对野外手工输入的原始观测数据进行检查，检查的内容有测站名、测站坐标、天线高(包括斜高以及天线高固定偏差)等，如有错误立刻进行修改。

3、设置基线解算的参数

设置基线解算的参数是基线解算的一个重要环节 。基线解算的参数包括单基线解与多基线解算、卫星截止高度角、电离层与对流层改正模型、L1与 L2频率选择、解算模糊度的基线长度、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值 (RATIO)、卫星选择、时段选择等。通过设定基线解算的控制参数，用以确定基线处理方法和基线的精化处理。

4、基线解算

GPS接收机采集的数据是接收机天线至卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规测量所测的地面点间的边长、角度和高差等。因此，接收机采集的GPS数据还需要通过一系列的处理，才能得到定位成果。

第四章 公路控制测量实例 阳泉市307国道复线坡头至水峪项目

一， 项目概述：

受阳泉市交通局委托，山西国辰建设工程勘察设计有限公司，阳泉市测

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绘处承担了阳泉市307国道复线坡头至水峪工程的GPS导线控制测量任务。测区从矿区马家坡桥经阳煤集团一矿，大村，黄砂堰村，三泉村，白泉村直至水峪村。全长约30公里。地形多为山地沟壑，较为复杂，交通多为山间小道，给操作人员的工作和物资设备的运输增加了很多困难。

二， 项目内业设计： 1，坐标系统

本项目平面采用阳泉市矿区独立坐标系，中央子午线经度为113.332703。高程采用1985年国家高程基准。

2，作业依据

项目严格按照1997年中华人民共和国行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97，1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》CJJ8-99的要求设计。按照《项目设计书》要求，项目控制网的等级为GPS一级导线，全线共拟布设一级导线点38个点。为了保证要求和成果的精度，并为GPS高程拟合计算提供高程起算数据，全线设计联测二等三角点一个，三等三角点一个，四等三角点八个，四等水准点五个。由于测区大部位于煤矿开采区，存在沉降位移等因素，因此须联测所有已知点，检验其内部符合精度，如果平差后不能满足需要，则还须联测其他高等级控制点。

3，技术指标，

按照规范要求，项目精度应符合如下规定。相临点间的最小距离应为平均距离的1/2～1/3；相临点间的最大距离应为平均距离的2～3倍。 GPS网的主要技术要求

等级 平均距离（km） 边长中误差(mm) 二等 三等 四等 一级 二级 9 5 2 1 <1 ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤15 最弱边相对中误差 1∕120000 1∕80000 1∕45000 1∕20000 1∕10000 26

根据此技术要求我们设计的GPS网如下图（6—1）

图6-1

三． 项目外业设计： 1，选点要求

选点前应做好各种准备，收集与工程有关的资料，收集原有的控制测量资料，合理进行控制网的设计。

2，埋石 3，外业观测

ＧＰＳ测量作业基本技术要求表：

项目 卫星高度角 有效卫星数 平均重复测站数 时段长度 历元间隔 图形强度因子 静态 静态 静态 >45分钟 10秒 ﹤6 观测方法 静态 静态 静态 技术要求 >15度 >4颗 >1.6 四、 数据处理及精度分析

GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用南方测绘公司的南方GPS数据处理软件。经基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控

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制点的三维坐标。

处理过程符合下列技术要求： ⑴基线解算:•

采用双差相位观测值，其数学处理模型采用双差固定解； ⑵基线解算的质量检验要求：

同一时段观测值基线处理中，二，三等数据采用率都不宜低于80%， 同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表规定。

同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定(ppm)

等级 限差类型 相对闭合差 全长相对闭合差 3,补测和重测

为了满足成果的精度和统一性当一个控制点不能与两条合格独立基线相连接时,则必须在该点上补测或重测不少于一条独立基线。

五、 技术总结与成果资料提交

GPS测量的全部工作结束后，应及时写出技术总结报告，并在规定的时间内及时向甲方提供测量成果，成果的内容应包括：（1）数据处理中生成的文件，资料（2）平差成果表（3）GPS外业观测手薄（4）GPS导线平面布置图（5）项目技术总结报告（6）GPS观测网图（7）GPS导线点点之记（8）本技术设计书。

2.0 3.0 二等 等 3.0 5.0 6.0 10.0 9.0 15.0 9.0 15.0 三四等 一级 二级 307国道复线水峪---坡头工程GPS导线控制网成果表

点名 柏山 白泉 鼻头山 冯家庄 点号 BAIS BQOO BTSH FJZB X坐标 106333.354 105422.553 105340.834 103189.618 Y坐标 109156.840 105925.108 115967.976 101694.541 H高程 797.290 728.836 931.500 827.089 备注 高程已知点 已知点 高程已知点 已知点 28

近井点 马家坡桥 南天之庙 武校水准点 辛兴水准点 官沟 官沟水池 大垴梁 前庄 北头咀 大村北 大村东 汉河沟煤矿 太行武校西 硫酸厂南 上烟西 粮库北 林里 白泉三岔口 东梁庄口 道班东 小河北 大麦峪 水峪 疙套一号 疙套二号 巨城一号 巨城二号

JJDH MJPQ NTZM S001 XXSZ BY01 BY02 BY03 BY04 BY05 BY06 BY07 BY08 BY09 BY10 BY11 BY12 BY13 BY14 BY15 BY16 BY17 BY18 BY19 BY20 BY21 BY22 BY23

104520.003 100114.026 102562.213 105287.037 99731.038 100610.352 101290.557 102091.430 103024.968 103956.832 105374.477 104835.342 104798.042 105301.647 105515.418 105765.831 106189.256 106500.198 106257.425 106055.835 106170.746 106782.919 107153.125 106936.382 107394.147 107478.195 107791.611 107463.623 96246.100 93090.575 99051.339 100584.442 92338.611 93895.111 94021.206 94374.352 95006.136 95248.780 96849.274 97907.185 99619.196 100308.655 101458.774 102762.814 103841.354 104786.474 105654.052 106942.544 107923.400 108959.612 110283.346 111498.874 112572.055 113260.430 113980.080 114702.197 841.140 755.524 854.990 861.057 761.936 773.378 835.260 931.776 887.044 867.650 907.482 915.292 942.201 912.893 884.233 817.250 779.874 731.656 726.563 698.335 699.340 666.195 649.374 631.412 627.587 613.085 607.724 580.097 高程已知点 已知点 已知点 水准点 水准点

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总 结

通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：

第一 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。

第二 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。

第三 GPSRTK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。

第四 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。

第五 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。

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致 谢

经过一个多月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有老师的指引和赠予，没同学们的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师石老师，他平日里工作繁多但对我们的指导仍然是不厌其烦，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。除了敬佩石老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下测绘专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。

再次由衷感谢答辩组的各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！

最后感谢学校三年来对我的大力栽培。

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