辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
5 GPS在公路控制测量中的应用
5.1 GPS在平面控制测量中的应用
GPS技术的众多优点集中体现在精度高，作业时间短，不受天气、通视条件等影响，交通便利更能提高工作效率。日前的高等级公路，尤其是高速公路，由于其车速高、全封闭的特点，对线形标准要求很高；相应的沿线经过的地形较为复杂影响通视，另外这些重点建设工程往往是任务重、时间紧。因此作为先期工作的基础控制测量，采用GPS技术是最理想的作业方法。本章主要研究GPS技术应用于公路线路控制测量的实施方法和原则。建立GPS公路路线控制网的工作内容按其性质分为外业和内业。外业工作主包括选点、建立标志，野外观测作业及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS控制网的技术设计，测后数据处理以及技术总结。按GPS控制网的施测工作程序，公路路线控制网的作业流程图如图5-1所示。
图5-1 公路路线控制网的作业流程图
Fig,5-1 Highway line of control network flow chart homework
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5.1.1采用GPS静态技术布设首级平面控制网
1)GPS测量的精度标准
GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为： σ=?a2?(b?d)2 （5-1） 式中 σ：距离中误差(mm)； a：固定误差(mm)； b：比例误差系数(ppm)； d：相邻点的距离(km)。
《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001)，将GPS的测量精度分为A到E五级(见表5.1)。其中A、B两级一般为国家GPS控制网。我国的国家GPS网就是按照这一精度标准设计的，其中A级网29点，B级网有数百个点。表中的C、D、E三级是针对局部性GPS网规定的。但近几年的生产实践，这种规定还有待根据实际情况作适当的修订。
表5.1 GPS测量技术指标
Table 5.1 Index of GPS technology
A
B
≤8 ≤1 15 250 70
C
≤10 ≤5 5 40 15～10
D
≤10 ≤10 2 15 10～5
E
≤10 ≤20 1 10 5～2
固定误差a(mm) 比例误差系数b(ppm) 相邻点最小距离(km) 相邻点最大距离(km) 相邻点平均距离(km)
≤5 ≤0.1 100 2000 300
其中，按照规范要求C级网最弱边相对中误差为1/120000、D级网最弱边相对中误差为1/80000、E级网最弱边相对中误差为1/45000。且各级GPS控制网每对相邻点间的最小距离应不小于平均距离的1/2，最大距离不宜大于平均距离的两倍。
2)按照工程实际情况，按照文中上述的设计原则，进行图形设计和基准设计后，开始进行选点与建立观测标志选点工作，开始之前应搜集测区有关资料，如地形图、行政区划图和已有的测绘成果；了解和研究测区的情况，如交通、通讯、供电、气象以及原有控制
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点情况。野外选设的点位应符合下述要求：
a)周围便于安置接收设各和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°； b)远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线 和微波无线电信号传送通道，其距离不得小于50m；
c)附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物等)； d)交通方便，并有利于其他测量手段扩展和联测； e)地面基础稳定，易于点的保存； f)充分利用符合要求的旧有控制点；
选点结束后应整理的资料有:点之记，如点位周围有高于10°障碍物时应绘制该点的点位环视图；GPS选点图；选点工作总结。
3)外业观测
GPS控制网外业观测时，作业人员应参照静态观测基本作业技术要求来执行。天线对中误差不应大于3毫米，基座圆水准气泡必须居中，观测前后在天线互为120°方向上量取天线斜高，互差应小于5毫米。开机后把测站相关信息输入GPS接收机并做外业观测记录。GPS外业观测是利用接收机接收来自GPS卫星发出的无线电信号，它是外业的核心工作。GPS控制网观测的基本技术指标应符合表5-2所示的规定。
表5-2 GPS控制网观测技术指标
Tab.5-2 Observed technical index GPS control network
卫星截止高度角（°） 有效观测卫星总数 观测时段数 时段长度(min)
快速静态
采样间隔 s
静态 快速静态
30
30 ≥5
≥30 10～30 5～15 ≥5
≥20 10～30 5～15 ≥5
≥15 10～30 5～15 ≥5
静态
A 10 ≥20 ≥6 ≥540
B 15 ≥9 ≥4 ≥240
C 15 ≥6 ≥2 ≥60
D 15 ≥4 ≥1.6 ≥45
E 15 ≥4 ≥1.6 ≥40
重复测量的最小基线数（%）
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其中，表中所示的计算有效观侧卫星总数时，应将各时段的有效观测卫星数扣除其间的重复卫星数观测时段数≥1.6，指每站观测一时段，至少60%,测站再观测一时段。 4)GPS数据处理
GPS数据处理通常包括为三个步骤:数据预处理、基线解算和网平差。 a 数据预处理
数据预处理主要是对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效数据以及统一数据；统一文件格式，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件；GPS卫星轨道方程的标准化，一般用一多项拟合观测时段内的星历数据；诊断整周跳变点，发现并恢复整周跳变，是观测值复原；对观测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正。
b 基线解算
利用 GPS相对定位技术，所确定的是控制点间相对位置关系。这种相对位置关系是用WGS-84大地坐标系的三维直角坐标（?xij,?yij,?zij,）来表示的，我们称这种点间的相对位置量为基线向量。
求解基线向量一般均采用差分模型。其中在接收机和卫星间求二次差的模型是多数GPS基线向量处理软件中的必选模型，以站星二次差分观测值作为解算时的观测量，以测站间的基线向量为主要未知量建立误差方程，组成并求解法方程，这就是双差法的基线向量解算。
重复基线长度较差ds应满足下式要求：
ds?22? (5-2)
在GPS定位数据采集过程中，每天采集的数据应及时输入计算机，并进行基线解算，
根据基线解算结果进行各项检核。
观测时段内的检核：计算同一观测时段内各同步边的平差值中误差和相对中误差，计算结果应符合规定。计算同步环闭合差，且符合下式要求：
?x???xi?1nn?5n?5 （5-3）
?y???yi?1n
n?z???zi??51n???2x??2y??2z?3n?5 24
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式中 n——同步闭合环数
σ——相应级别的GPS网规定的中误差
重复观测边的检核：如果对同一边进行了多个观测时段，该边即为重复观测边（亦称重复基线）。重复观测边的多个观测结果之差间差值应小于接收机标称精度的22倍，n为基线的复测时段数。
异步环闭合差的检核：有独立观测边构成的异步环，其闭合差大小应符合
?x?3n??y?3n? （5-4）
?z?3n?异步环闭合差反映了多种误差影响，能够较全面地反映观测质量。是评价观测成果优劣的重要指标。
c 网平差
通过基线向量解算，得到了同步观测的基线向量。通常GPS定位网是由多个异步网构成的，他们之间往往形成多个异步环闭合条件。所以基线网平差的目的，其一是将各观测时段所确定的基线向量视作观测值，以其方差阵之逆阵为权，进行平差计算，清除环中闭合差；其二是建立网的基准（位置基准、方向和尺度基准），求出各GPS点在规定坐标系中的坐标值，并评定定位精度。
基线向量网平差可以分为三种类型：一是经典的自由网平差，又叫无约束平差，平差时固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，同时为用GPS大地高与公共点正常高联合确定GPS网点的正常高提供平差处理后的大地高程数据；二是非自由网平差，又叫约束平差，平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标，边长和方位角为约束条件，顾及GPS网与地面网之间的转换参数进行平差计算；三是GPS网与地面网联合平差，即除了GPS基线向量观测值和约束数据以外，还有地面常规测量值如边长、方向和高差等，将这些数据一并进行平差。非自由网平差与联合平差一般是在国家坐标系或地方坐标系内进行，平差完成后网点坐标已属于国家坐标系或地方坐标系，因而这两种平差方法是解决GPS成果转换的有效手段。
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