GPS在公路控制测量中的应用毕设论文

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

1 绪论

GPS（全球卫星定位系统）是随着现代科学的发展而新兴起来的一种先进的导航，定

位技术，具有传统测量所不具有的优点，随着社会的发展，GPS技术在工程测量中的地位日益重要。

在公路的控制测量当中，随着经济的快速发展，公路作为重要的现代交通基础设施，其道路工程建设的等级也不断的提高，从而对测量工作提出了更高的要求，传统的测量技术很难满足道路工程优质，准确，快速的要求，而GPS技术的出现，为公路测量展示了良好的应用前景[2]。

目前GPS在公路控制测量中的应用主要是建立公路工程控制网，控制网包括平面控制网和高程控制网。平面控制网是公路平面控制测量的主干控制网，沿线各种工程的平面控制均应联系在该主干控制网上。建立平面控制网的主要工作就是建立首级平面控制网并根据《公路勘测规范》规定以及现场勘测条件对其进行加密。高程控制网即是因为GPS定位系统得到的控制点坐标为三维坐标，其中就包含WGS-84坐标系统下的大地高，通过高程拟合分析，在联测点的大地高和水准高程己知的情况下，可以计算出高程异常拟合参数，进而计算待测点的水准高程[6]。

本文首先对GPS系统和定位原理加以介绍，然后讨论了长度变形问题，主要研究了应用GPS建立公路平面控制网和高程控制网的方法和技术流程，最后通过工程实例加以说明。

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赵鑫：GPS在公路控制测量中的应用

2 GPS定位原理与误差源分析

2.1 GPS定位原理

2.1.1 基本定位原理

GPS定位的基本原理，就是把卫星视为“飞行”的控制点，在已知其瞬时坐标（可根据卫星轨道参数计算）的条件下，以GPS卫星和用户接收天线之间的距离为基本观测量，进行空间距离后方交会，从而确定接收机天线处的位置[1]。

在一个测站上只需3个独立距离观测量。GPS采用的是时差测距原理，即通过测量GPS信号从卫星传播到用户接收机的时间差计算距离，由于卫星钟与用户接收机钟不同步，因此，观测的测站至卫星间的距离称为伪距。卫星钟差可以通过卫星导航电文提供的钟差参数修正，接收机钟差难以预先准确确定，可将其作为未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。在一个测站上，除了三个待定位置参数外，还需要增加一个接收机钟差参数，因而至少应有4个同步伪距观测量，即至少必须同步观测4颗GPS卫星。

图1-2 GPS定位原理示意图

Fig.1-2The schematic diagram of GPS positioning principle

~。对某一伪距有： 设在某时刻接收机观测了n (n>3)颗GPS卫星，测得n个伪距?~???cV?cV??p?? ?iiTaTbii （1-1）

式中：?i为卫星到接收机间的几何距离； VTa、VTb分别为卫星钟差和接收机钟差改正数，??i为电离层延迟改正和对流层延迟改正，?i为观测误差。几何距离?与卫星坐标

(xs,ys,zs)、接收机坐标(X,Y,Z)之间有下列关系：

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122 ??[(x?X)?(y?Y)?(z?Z)] （1-2） 卫星坐标和卫星钟差可以根据卫星导航电文求得，上式中只包含四个未知数。若用户同时对四颗卫星进行了伪距测量，即可解出接收机位置(X,Y,Z)和接收机钟差VTb。其常用的解算方法如下：

设：R为地心至用户距离的矢量，ri为地心至第i颗卫星的距离矢量；?i为用户至第i颗卫星的距离矢量，?i0为单位矢量。于是有：

?i?ri?R ?i0??i??i0??i0ri??i0R (i?1,2,......n;n?4)

52525~????cV?cV，令????~???, ??是加上电离层折射改正和对流层改而?i??iiiTbTaii正后测站至第i个卫星的距离。令BSi?cVTa,B?cVTb；则：

?i??i??BSi?B （1-3）

?xS??li??X?? ?? r??yS? 式中：?i0??mR?i???i??Y??n??Z??zS??i?????其矩阵形式为：GUXU?AUS??

式中：AU和GU称为几何矩阵，与用户和卫星间的集合图形有关。

?l1m1?lm22 GU???......??lnmn1??r1?0n21?? A??U?.........???nn1??0n10......0?r2......0?? （1-4） .........??0......rn?依据最小二乘法，用户状态矩阵XU为：

T?1T XU?[GUGU]GU[A US??] （1-5）

2.1.2 绝对定位与相对定位概念

按照参考点的位置不同，分为绝对定位和相对定位两类。

其中绝对定位也称为单点定位，是指的独立确定待定点在坐标系中的位置。由于目前

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GPS系统采用WGS-84系统，因而其绝对定位的结果也属于该系统。绝对定位的优点在于一台接收机即可独立定位，但定位精度较差。而根据接收机天线的运动状态不同，又可分为动态绝对定位与静态绝对定位。当接收机天线处于运动的状态时，确定其瞬时的绝对位置的定位方法称为动态绝对定位，由于接收机载体的运动状态，故而得到的接收机天线的坐标是一个连续变化的量，因此，确定每一瞬间天线坐标的观测方程只有极少甚至没有多余观测。因此定位精度较低，往往只有几十米的精度。而静态绝对定位是指在接收机天线处于静止的条件下，确定测站的三维地心坐标。它可以连续地测定观测站至卫星的伪距，可获得充分的多余观测量，通过后处理可以提高定位的精度。静态绝对定位和动态绝对定位统称为伪距法定位[7]。

GPS的相对定位是指的在确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法，它采用载波相位观测量为基本观测量，由于载波波长较短，其测量精度远高于伪距测量精度，并且可以有效地削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机钟不同步误差对定位的影响，定位精度较高。其应用时需要用两台接收机分别安置在基线的两个端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上的GPS卫星，确定基线两端点在地心地固坐标系中的相对位置。并且由于天线长时间固定在基线两端点上，可保证足够的观测数据，可以准确确定整周未知数。一般采用广播星历定位，相对定位精度可达到10－6 ~10－7, 采用精密星历，相对定位精度可提高到10－8～10－9。

2.1.3 差分定位与实时动态定位概念

差分定位是提高定位精度的一种有效途径。实际上是用两台GPS接收机，将一台接收机安置在基准站上进行观测，根据已知基准站的精密坐标和卫星的导航电文，计算出基准站到卫星的观测值的各项改正数，并由基准站通过数据通讯链实时的将这些改正数发送出去。另一台接收机安置在待定点上，在进行观测的同时也接收基准站发送来的改正数，并对观测值进行改正，消除具有相关性的误差，从而提高定位精度。

GPS差分定位的具体工作原理相同，而根据GPS基准站发送的信息具体的分为三类。位置差分、伪距差分和相位差分。而由于类差分方式由于发送的改正数内容不同，精度也不同。

位置差分：是指的在安置在已知点上的基准站接收机观测4颗以上的卫星后，解算出来的基准站的坐标与已知点相比较，由于星历误差，卫星钟误差，大气影响，多路径效应

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以及其他误差，解算出的坐标与已知坐标肯定会存在差异，通过基准站接收机利用数据链的形式将位置差形成的改正数发送出去。用户接收机与基准站接收机观测相同的四颗卫星，解算出用户坐标，然后用户接收机接收数据链并对其解算的用户坐标进行改正，这样一来，待定点最后得到的改正后的坐标己消去了基准站和用户站的共同误差。位置差分只能减弱与基准站和待定站相关性强的误差，因而待定点与基准站间的距离在30km以内。

伪距差分：是一种应用比较广泛的技术。原理与位置差分相同。由在已知点上的基准站接收机观伪距，然后与利用已知点坐标计算出伪距进行比较，计算出伪距误差，然后将所有卫星的伪距误差传输给用户，用户利用此伪距误差来改正所观测的伪距，并利用改正后的伪距来解出本身的位置。同样可以消除或减弱公共误差，提高定位精度。伪距差分的定位精度随着定点到基准站的距离而衰减。

载波相位差分：载波相位技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能实时提供流动站的三维坐标，并达到厘米级的高精度。基准站通过数据通讯链实时将其载波观测量以及基准站坐标等信息一同传送给流动站，流动站接收GPS卫星的载波相位和来自基准站的载波相位观测量等信息，并组成相位差分观测值进行实时处理，实时求的流动站的三维坐标[3]。

实现载波相位差分的方法有两种：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给流动站，以改正其载波相位的观测值，然后求解坐标。后者将基准站观测的载波相位发送给流动站进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

2.2 GPS主要误差来源

2.2.1 与卫星有关的误差

卫星钟误差：卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们仍然不可避免的存在着误差。这种误差既括着系统性的误差，如钟差，频偏，频漂等产生的误差，也包含着随机误差，系统误差远比随机误差大，但前者可以通过模型进行改正[7]。

但是GPS测量都是以精密测时为依据，卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。卫星钟偏差总量达lms，产生的等效距离误差可达300km，GPS定位系统通过地面监控站对卫星的监测，测试卫星钟的偏差。用二项式模拟卫星钟的变化只能保证卫星钟

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