包头铁道职业技术学院毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：GPS在工程测量中的应用 学生姓名：徐冬 学 号：200921100028 专 业：工程测量技术 班 级：0901班 指导教师：全志强 GPS在工程测量中的应用摘要GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS 定位技术以其速度快,精 度高,全天候,不受通视条件限制、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大 地控制测量中 。时至今日，可以说 GPS 定位技术已完全取代了用常规测角、测 距手段建立大地控制网。我们一般将应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫 GPS 网。归纳起来大致可以将 GPS 网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度 GPS 网， 其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性 地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动 或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的 GPS 网，包括城市或矿区 GPS 网， GPS 工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是 直接为国民经济建设服务。本文通过利用 GPS 对实地进行数据采集，并得出使用 GPS 测量具有效率高、费用省的结论。关键词: GPS 网，全球定位系统，约束平差，GPS 静态定位测量 目录摘要I第一章 引言11.1 GPS 简介11.2 GPS 在我国发展历程11.3 GPS 系统的应用前景3第二章 GPS 测量42.1 RTK 测量42.1.1 RTK 技术的应用42.1.2 RTK 技术的基本原理42.2 GPS 静态定位测量52.2.1 GPS 静态定位在测量中的应用52.2.2 布设 GPS 基线向量网的工作步骤5第三章 GPS 网的布设73.1 GPS 基线向量网的等级73.2 GPS 网的设计准则73.2.1 出发点73.2.2 GPS 网布网作业准则73.3 GPS 基线向量网的布网形式83.4 采用同步图形扩展的布网形式布设 GPS 向量网的作业方9第四章 GPS 基线解算11 4.1 GPS 基线解算的分类114.1.1 单基线解算114.1.2 多基线解114.2 GPS 基线解算的基本原理114.2.1 初始平差114.2.2 整周未知数的确定114.2.3 确定基线向量的固定解124.3 GPS 基线解算的过程124.4 影响 GPS 基线解算的因素及其应对方法124.4.1 影响 GPS 基线解算结果的几个因素124.4.2 影响 GPS 基线解算结果因素的判别及应对措施13第五章 GPS 基线向量网平差145.1 GPS 网平差分类145.1.1 三维平差和二维平差145.1.2 无约束平差、约束平差和联合平差145.2 GPS 网平差的过程14第六章 结论16参考文献17致谢18 第一章 引言1.1 GPS 简介GPS 即全球定位系统（Global Positioning System）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1。 全球定位系 统（Global Positioning System）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。 地面监控部分包括四个监控站、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 站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。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。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。1.2 GPS 在我国发展历程 新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上，逐步 建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从 1970 年 4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人 造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。70 年代后期，有关单位在 从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人 为摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国 天文大地网的整体平差，建立了 1980 年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联 测。80 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS 技术。十多年来，我国 的测绘工作者在 GPS 定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80 年代中 期，我国引进 GPS 接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫 星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的 GPS 接收机拥有量约 在 4 万台左右，其中测量类约 500700 台，航空类约几百台，航海类约 3 万多 台，车载类数千台。而且以每年两万台的速度增加。足以说明 GPS 技术在我国各 行业中应用的广泛性2。 在大地测量方面，利用 GPS 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提 供高精度的地心坐标。组织各部门（10 多个单位，30 多台 GPS 双频接收机）参 加 1992 年全国 GPS 定位大会战。经过数据处理，GPS 网点地心坐标精度优于 0.2m，点间位置精度优于 10-8。在我国建成了平均边长约定 100KM 的 GPS A 级 网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在 A 级网的基础上，我国又布设了 边长为此 30100KM 的 B 级网，全国约 2500 个点。这样，就为我国各部门的测 绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完 成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的 GPS 联测，使海岛与全国大地网联成一整体。 在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于 城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用 GPS 实时动态定位技术（简称 RTK）测绘 各种比例尺地形图并用于施工放样 。 在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用 GPS 技术进行航测外业控制测 量、航摄飞行导航、机载 GPS 航测等航测成图的各个阶段。 在地球动力学方面，GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。 我国已开始用 GPS 技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地 壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈 GPS 形 变监测网等。GPS 技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。我国的全球定位系 统（GPS）测量规范已于 1992 年 10 月 1 日起实施。 此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农 业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理 探矿等领域，也都开展了 GPS 技术的研究和应用。在静态定位和动态定位应用技 术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了 GPS 静态定位和动态高精度定位 软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技 术人才和产业队伍。 近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性 的 GPS 跟踪站，进行对 GPS 卫星的精密定轨，为高精度的 GPS 定位测量提供观测 数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分 GPS（WADGPS）方案的建立， 参与全球导航卫星系统（GNSS）和 GPS 增强系统（WAAS）的筹建。同时，我国已 着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型 GPS 接收机。 GPS 技术的应用正向更深层次发展。1.3GPS 系统的应用前景 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。用 GPS 信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测 量的精密定位时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS 卫星定位技术已 经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用 于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于 监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网 的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或 无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命 4 。 为适应 GPS 技术的应用与发展，1995 年成立了中国 GPS 协会，协会下设四个 专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的 GPS 应用技术。可以说， GPS 在我国的应用前景是无限的。 第二章G PS 测量2.1RTK 测量 2.1.1RTK 技术的应用 RTK 是 GPS 应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。RTK 技术在 近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。利用 RTK 技术进行测量有如下优点： 具有 GPS 测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。 可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。以往都是通过后处理来获得厘米级的 点位坐标，实时处理大