GPS工程测量及数据处理研究论文

GPS工程测量及数据处理研究论文摘要：GPS测量技术具有测量时间短、技术含量高、精确度高等优点，在工程测量实践中发挥着越来越重要的作用。本文主要通过介绍GPS的系统组成、工作原理、技术特点等基本情况，系统总结了GPS技术在工程测量中的应用情况，及其在工程测量后的数据处理方法。Ⅲ关键词：全球定位系统；GPS测量技术；工程测量；应用;静态测量；动态测量；数据处理GPS和工程测量等相关概念GPS相关概念1.1.1GPS概念GPS是英文NavigationSatelliteTimingAndRanging／GlobalPositioningSystem卫星测时测距导航／全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座己布设完成。1.1.2GPS技术GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，也引起了广大测量工作者的极大兴趣。当时GPS定位基本上只有一个作业模式——静态相对定位，两台或若干台GPS接收机安置在待定点上，连续同步观测同一组卫星1-2h或更长一些时间，通过观测数据的后处理，给出各待定点间的基线向量，在采用广播星历的条件下，静态定位可取得5mm＋1×10－6D（双频）或10mm＋2×10－6D（单频）基线解精度。随着技术的发展，快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路，大大提高了GPS测量的劳动生产率。一对GPS测量系统（双频）在10km以内的短边上，正常接收4-5颗卫星5min左右，即可获取5-10mm＋1×10－6D的基线精度，与1-2h甚至更长时间静态定位的结果不相上下。各个GPS测量厂商看好这个大趋势，纷纷推出各自的GPS测量新产品。有的把这种新型产品称之为GPS全站仪，有的称之为RTK（实时动态测量），有的称之为RTKGPS。总之，GPS测量理论与设备的不断发展，使得GPS测量技术日趋成熟，GPS测量功能更加完善，GPS测量应用面更广，并且GPS测量设备价格变得低廉，操作更加简便，使GPS测量更加实用化和自动化。20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替；定位方法已从静态扩展到动态；定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域。1.1.3GPS卫星测量原理GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定所在位置的坐标的，粗略的来讲，GPS卫星信号包括测距码信号（P码和C／A码信号）、导航电文（D码，即数据码信号）和载波信号。GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。就是在需要定位的位置p点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗（a、b、c）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离Sap、Sbp、Scp，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得p点的三维坐标（Xp，Yp，Zp），其数学式为：Sap2＝［（Xp－Xa）2＋（Yp－Ya）2＋（Zp＋Za）2］Sbp2＝［（Xp－Xb）2＋（Yp－Yb）2＋（Zp＋Zb）2］Scp2＝［（Xp－Xc）2＋（Yp－Yc）2＋（Zp＋Zc）2］（1）式（1）中（Xa，Ya，Za），（Xb，Yb，Zb），（Xc，Yc，Zc）分别为卫星a，b，c在t时刻的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，在公路工程控制测量中常用地固坐标系统。（如：WGS－84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。1.1.4GPS测量的技术特点相对于常规的测量方法，GPS测量拥有诸多优势特点。（1）测站之间无需通视：这一特点使得选点更加灵活方便，但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。（2）定位精度高：一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×D，而红外仪标称精度为5mm+5×D，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。（3）观测时间短：采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。（4）提供三维坐标：GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。（5）操作简便：GPS测量的自动化程度较高。目前，GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。（6）全天候作业：GPS观测可在任何地点、时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。在中国GPS定位技术的应用已深入各个领域，国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术。在石油勘探、高速公路、通信线路、地铁、隧道贯通、建筑变形等也已广泛的使用GPS技术。GPS技术不是万能的,系统本身的特点决定了其在工程测量应用的局限性。应用的场合不同，局限性的表现形式也不同。（1）一些带有隐蔽性和遮挡性地区无法使用GPS技术在进行地下工程、隧道控制测量中，地面首级网可以采用GPS技术，然而在地下施工控制方案中却无法采用，因为地下没有GPS信号。在大森林中布设控制网，如果道路较窄而道两旁的树木茂盛，GPS信号就会被树木遮挡而呈现断断续续，很难解算出符合精度要求的基线向量。建立工业区十字控制网，采用GPS技术远没有应用全站仪方便。(2)碎部测量与放样不适合使用GPS技术目前，大面积地形测量多采用摄影测量方案。小区域1：500地形图、补图采用解析法测图，这些测图区域，多数为城建区，不是建筑物高大、就是民房密集。高大的建筑物会遮挡GPS信号，使得观测值产生周跳，破坏了整周计数的连续性，需要重新确定初始周未知数。这样,不但影响观测工作的效率，也影响了工作人员的情绪。如果这种现象频繁出现，将造成记录的支离破碎,影响成图精度，甚至会发生错误。(3)应用GPS定位技术不能直接得到地面点的正常高应用GPS定位技术不能直接得到地面点的正常高，而只能得到大地高。采用GPS定位技术确定地面点的正常高，必须要知道地面点的高程异常，这就限制了GPS技术在高程测量方面的作为。对于一个区域而言，GPS高程的常用方案是，用水准测量的方法联测部分GPS点，建立高程异常模型。当知道任一点大地高时，由地面高程模型即可推算出该点的正常高。(4)GPS定位技术不适用于变形监测对于常规工程的变形监测，水准测量容易达到毫米级精度，而且工作组织简单、操作方便。特别是数字水准仪的使用,更减轻了记录的工作量，使得水准测量工作速度快、精度高。应用GPS技术，如果不采用特殊的观测和数据处理方法,高程精度不像水准测量那样容易达到监测精度要求，而且组织复杂。工程测量介绍工程测量的主要工作为小区域大比例尺地形图测绘，施工测量，变形监测等。其特点是工作场所多变、环境复杂、干扰因素多。随着社会的发展和科学技术的进步，工程测量的对象进一步向宏观和微观发展，精度要求也愈来愈高，所使用的仪器也趋于电子化、数字化、自动化。工程测量通常使用的仪器有：经纬仪，水准仪，测距仪，全站仪，数字水准仪，GPS接收机。目前，经纬仪正在被逐步淘汰，单一功能的测距仪愈来愈少；常规水准仪商品价格低、精度可靠，因而常规水准仪将在一个较长的时间内采用；全站仪的自动化、数字化程度高，可以同时完成经纬仪、测距仪的工作，也可以完成水准仪的部分工作，但是，全站仪仍然摆脱不了对于工程控制的依赖，在未来的“数字城市”环境下，难于直接融入社会的技术环境。应用GPS卫星定位技术进行定位和导航，具有自动化程度高、定位精度高以及全天候观测等优点，因而已广泛应用于大地测量、海陆空导航、气象预报、自动控制等国民经济的各个方面。对于测绘行业而言，GPS定位技术已普遍应用于：大地测量、地壳板块运动监测、建立各种工程控制网、监测网和进行各种工程测量等。特别是在“数字城市”的环境下，城市具有区域差分网，在差分基站的支持下，单台GPS接收机可以方便地进行碎部测量和放样，因而鼓舞了GPS应用领域的扩展。GPS的广泛应用，出现了各种测绘工作都试图采用这一技术的趋势，很少有人关注GPS技术的局限性。显然，GPS对于测绘工作不是万能的，具有一定的局限性。只有正确地认识这一点，客观地对待这一技术，才能有效发挥这一技术的优势，避免GPS技术应用的盲目性。测绘的大量工作是工程测量，将GPS应用于工程测量不像人们想象得那样简单，最明显的例子是：它对于隧道、矿山等地下工程测量是无能为力的。工程测量的外业工作，大部分是碎部测量和施工放样。保证外业工作效率高的关键是，使用仪器设备少，依赖的基础控制少，工作连续。2GPS在现代工程测量中的具体应用分析2.1实时动态(RTK)定位技术简介实时动态(RTK,RealTimeKinematics)定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知,无论静态定位，还是准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性，这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其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。实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。RTK技术主要具有以下优点:1)实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程)；2)彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS作业效率；3)作业效率高,每个放样点只需要停留2-4s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的；4)应用范围广,可以涵盖公路测量(包括平、纵、横),施工放样,监理,竣工测量,养护测量,GIS前端数据采集诸多方面；5)如辅助相应的软件,RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势。