1、題 目gps rtk在公路工程控制測量中的應(yīng)用摘要公路gps控制測量是利用全球定位系統(tǒng)(gps)測量公路各控制點(diǎn)坐標(biāo)的測量。 gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)很早就已應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域， 近些年來隨著gps rtk技術(shù)的出現(xiàn)以及gps接收機(jī)空間定位精度的不斷提高，gps rtk技術(shù)已廣泛用于大地測量、 工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個(gè)測量領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)著重介紹了用gps網(wǎng)作為高速公路路線首級控制測量的方法，并對gps網(wǎng)的選點(diǎn)與布設(shè)、觀測與聯(lián)測、誤差來源及精度標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)平差與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等進(jìn)行了分析。同時(shí)還就如何消除測量中的誤差，提高其測量精度提出了相應(yīng)的方法。gps 新技術(shù)的出現(xiàn)

2、,可以高精度并快速地測定各級控制點(diǎn)的坐標(biāo),在地形測量中已得到廣泛地應(yīng)用。本文介紹了gps(rtk) 配合全站儀的作業(yè)流程, 簡要闡明了其在道路測量中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：gps rtk，數(shù)字測圖，全球定位系統(tǒng)（gps） ，控制測量；abstracthighway gps control measurement is using global positioning system (gps) measurement of each control point coordinates measuring highway. gps has long application of economic fiel

3、ds peaked in recent years with the emergence of gps rtk technology and the spatial location accuracy of gps receiver unceasing enhancement, gps has been used widespreadly rtk technology geodetic, engineering surveying and aerial photography measure and topographic etc. each measurement field. introd

4、uced the design with gps network as highway route heads and the method of control measure of gps nets source and layout, observation and league measurement, error sources and precision standards, data quality and data processing, nets adjustment and coordinate transformation were analyzed. also on h

5、ow to eliminate the error of measurement, improve its precision puts forward corresponding methods. the emergence of new technology, gps and rapid determination can be high precision control at all levels in the coordinates, bathymetric survey has been widely. this paper introduces the gps (rtk) in

6、cooperation with electronic tachometer work flow, briefly explains its application in the measurement of the road. keywords： digital surveying ， global positioning system （gps）， control measure ;目 錄1、前 言41.1 gps系統(tǒng)的組成1.2 gps rtk的測量原理2、控制網(wǎng)的布設(shè)62.1 施工控制網(wǎng)的常見網(wǎng)形設(shè)計(jì)方法2.2 gps公路工程獨(dú)立控制網(wǎng)建立 2.2.1快速靜態(tài)定位模式 2.2.2 動態(tài)

7、定位3、gps公路工程獨(dú)立控制網(wǎng)建立的工作流程83.1 靜態(tài)gps測量3.2 gps控制網(wǎng)的應(yīng)用：4、精度分析95、優(yōu)化設(shè)計(jì)106、結(jié)語117、參考文獻(xiàn)128、致謝1、前言1.1 gps系統(tǒng)的組成目前，全球有美國gps全球定位系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯全球定位系統(tǒng)、歐洲伽利略全球定位系統(tǒng)、我國北斗星全球定位系統(tǒng)。這四大全球定位系統(tǒng)中要數(shù)gps開發(fā)最早，應(yīng)用更為成熟。其具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性導(dǎo)航定位和定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。根據(jù)算法模型，設(shè)計(jì)了靜態(tài)、快速靜態(tài)以及rtk等作業(yè)模式。靜態(tài)作業(yè)模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量；快速靜態(tài)

8、測量以其高效的作業(yè)效率與厘米級精度廣泛應(yīng)用于一般的工程測量；而rtk系統(tǒng)由gps接收設(shè)備、無線電通訊設(shè)備、電子手薄及配套設(shè)備組成，整套設(shè)備在輕量化、操作簡便性、實(shí)時(shí)可靠性、厘米級精度等方面的特點(diǎn)，完全可以滿足數(shù)據(jù)采集和工程放樣的要求。gps系統(tǒng)包括三大部分：空間部分gps衛(wèi)星星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分gps信號接收機(jī)。 gps衛(wèi)星星座：由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成gps衛(wèi)星星座記作（21+3）gps星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個(gè)軌道平面之間相距60度即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面

9、上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。 gps的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置三維方向以及運(yùn)動速度和時(shí)間信息。 gps系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等。 1.2 gps rtk的測量原理gps實(shí)時(shí)動態(tài)測量（real-time kinematic）簡稱rtk，又稱載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站載波相位觀測量的差分方法。需要至少兩臺gps接收機(jī)，在已知點(diǎn)上設(shè)置一臺gps接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，并將一些必要的數(shù)據(jù)，如基準(zhǔn)站坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)等輸入gps手簿，一至多臺g

10、ps接收機(jī)設(shè)置為流動站，共同跟蹤4顆以上衛(wèi)星。基準(zhǔn)站和流動站同時(shí)接收衛(wèi)星信號，基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信號通過基準(zhǔn)站電臺發(fā)送到流動站，流動站將接收到的衛(wèi)星信號與基準(zhǔn)站發(fā)來的信號傳輸?shù)娇刂剖植具M(jìn)行實(shí)時(shí)差分及平差處理，實(shí)時(shí)得到本站的坐標(biāo)和高程及其實(shí)測精度，并隨時(shí)將實(shí)測精度和預(yù)設(shè)精度指標(biāo)進(jìn)行比較，一旦實(shí)測精度達(dá)到預(yù)設(shè)精度指標(biāo)，手簿將提示測量人員是否接受該成果，接手后手簿將測得的坐標(biāo)、高程及精度同時(shí)記錄于手簿中。移動站可處于靜態(tài)，也可處于動態(tài)，可在一個(gè)固定點(diǎn)上進(jìn)行初始化后進(jìn)入動態(tài)工作，也可以在動態(tài)條件下進(jìn)行初始化（須有動態(tài)初始化on-the-fly簡稱otf功能接收機(jī)）。移動站與基準(zhǔn)站測量范圍距離一般在1

11、5km以內(nèi)，實(shí)時(shí)三維定位精度可達(dá)厘米級。 如圖所示： 手 數(shù)據(jù)天線 薄 動態(tài) gps接收機(jī) 數(shù)據(jù)鏈數(shù) 流動站 據(jù) 數(shù)據(jù)天線 gps接收機(jī) 數(shù)據(jù)鏈 基準(zhǔn)站 圖1.1rtk測量示意圖gps定位的基本原理原理：根據(jù)地面已知點(diǎn)坐標(biāo)，用空間距離前方交會的方法確定空中衛(wèi)星的位置，根據(jù)空中衛(wèi)星的坐標(biāo)用空間距離后方交會的方法確定地面測站點(diǎn)的位置。圖1.2 gps系統(tǒng)定位原理已知（x,y,z）s，s=1,2,3，觀測1，2，3，計(jì)算（x,y,z）p用距離交會的方法求解p點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x,y,z）的觀測方程： （公式1-1）實(shí)質(zhì)：由gps接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收4顆以上的gps衛(wèi)星信號測出gps接收機(jī)到gps衛(wèi)星

12、的距離，根據(jù)空間距離后方交會來確定地面點(diǎn)位置。觀測方程： 式中： 為衛(wèi)星的坐標(biāo)； 為測站的坐標(biāo) 為接收機(jī)鐘差。2、控制網(wǎng)的布設(shè)2.1 施工控制網(wǎng)的常見設(shè)計(jì)方法施工控制網(wǎng)的常見設(shè)計(jì)方法有：建筑方格網(wǎng)、導(dǎo)線、邊角網(wǎng)、gps控制網(wǎng)。這四種控制網(wǎng)的特點(diǎn)分別是：（1）建筑方格網(wǎng)布設(shè)的特點(diǎn)：根據(jù)工程建筑的需要按設(shè)計(jì)要求，建立建筑方格網(wǎng)。建筑方格網(wǎng)按”先主軸點(diǎn)后擴(kuò)展方格點(diǎn)”的順序測定。加強(qiáng)建筑方格網(wǎng)的直線度和平面垂直度的檢驗(yàn)。建筑方格網(wǎng)的適用范圍：地勢平坦的、建筑物眾多且布置，比較規(guī)則和密集的工業(yè)場地；新建的大中型建筑場地。（2）導(dǎo)線網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線應(yīng)用最為廣泛，布設(shè)靈活，推進(jìn)迅速，受地形限制小，邊長精度分布均

13、勻。如在平坦隱蔽、交通不便、氣候惡劣地區(qū)，采用導(dǎo)線測量法布設(shè)大地控制網(wǎng)是有利的。缺點(diǎn)：但導(dǎo)線測量控制面積小、檢核條件少，方位傳算誤差大。（3）邊角網(wǎng)：可靠并有較多的檢核條件，包括點(diǎn)位的橫向誤差和縱向誤差，同時(shí)對控制網(wǎng)的尺度能有效的控制。（4）gps的特點(diǎn)：網(wǎng)形設(shè)計(jì)具有較大靈活性，故選點(diǎn)工作較常規(guī)測量簡便。但gps測量又有其自身的特點(diǎn)，因此選點(diǎn)時(shí)應(yīng)滿足以下要求：點(diǎn)位應(yīng)選在交通比較方便、易于安置接收設(shè)備的地方，且視野要開闊；gps點(diǎn)應(yīng)避開對電磁波接收有干擾的物體。定位精度高。觀測時(shí)間短。可提供三維坐標(biāo)。操作簡便，并且全天候作業(yè)。2.2 gps公路工程獨(dú)立控制網(wǎng)建立公路工程獨(dú)立控制網(wǎng)建立的最有效方法

14、是采用gps方法：按gps勘測規(guī)程要求，每0.51km間設(shè)一控制點(diǎn)，其等級依公路等級而定。控制網(wǎng)的布設(shè)通常在控制地物軸線附近選定兩首級控制點(diǎn)作為已知方向點(diǎn)，其連接的基線基本平行于軸線，以最有效控制施工時(shí)軸線偏離誤差，再在兩控制點(diǎn)范圍內(nèi)布設(shè)成滿足施工要求的多邊形或三角鎖。 通過同步環(huán)、異步環(huán)的多時(shí)段觀測，經(jīng)固定端點(diǎn)無約束平差處理得到各基線邊向量。 由于gps的精度很高，反算兩端點(diǎn)的基線長作為控制網(wǎng)的已知邊長，并采用兩端點(diǎn)作為首級控制的原坐標(biāo)反算方位，作為已知方位推算另一端點(diǎn)的坐標(biāo)。這時(shí)與原作為首級控制的坐標(biāo)有一差值，當(dāng)差值在一定限差內(nèi)時(shí)，采用同一方法固定另一端點(diǎn)進(jìn)行無約束平差或直接計(jì)算坐標(biāo)，得到

15、起端點(diǎn)的另一坐標(biāo)。 將兩端點(diǎn)的新舊坐標(biāo)取平均后，作為最終已知值進(jìn)行高等網(wǎng)約束平差，得到高級網(wǎng)各點(diǎn)坐標(biāo)值，然后對兩端按導(dǎo)線重新進(jìn)行路線一級導(dǎo)線平差。gps觀測工程中，觀測時(shí)主要技術(shù)要求如下：表1 觀測的主要技術(shù)要求gpop值衛(wèi)星高度角（）有效觀測衛(wèi)星數(shù)平均重復(fù)設(shè)站數(shù)時(shí)段長度（min）數(shù)據(jù)采集間隔（s）閉合環(huán)或附合路線邊數(shù)61541.660（d）45（e）10306（d）8（e）各級公路及構(gòu)造物的水準(zhǔn)測量等級應(yīng)按表1選定 工程水準(zhǔn)測量等級 表 2 測 量 項(xiàng) 目等 級水準(zhǔn)路線最大長度（ km）4000m以上特長隧道、2000m以上特大橋三等50高速公路、一級公路、 10002000m特大橋、200

16、04000m長隧道四等16二級及二級以下公路、 1000m以下橋梁、2000m以下隧道五等102.2.1.快速靜態(tài)定位模式求gps接收機(jī)在每一流動站上，靜止的進(jìn)行觀測。在觀測過程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測。一般應(yīng)用在控制測量中，如控制網(wǎng)加密；若采用常規(guī)測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用rtk技術(shù)可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5-10min，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時(shí)間還會縮短，不及靜態(tài)測量所需時(shí)間的五分之一，在公

17、路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點(diǎn)加密工作。把rtk用于公路控制測量則不僅可以大大減少人力強(qiáng)度、節(jié)省費(fèi)用，而且大大提高工作效率，測一個(gè)控制點(diǎn)在幾分鐘甚至于幾秒鐘內(nèi)就可完成。2.2.2動態(tài)定位測量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測數(shù)分鐘(有的儀器只需210s)進(jìn)行初始化工作，之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進(jìn)行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級。動態(tài)定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作。測量24s，精度就可以達(dá)到13cm，且整個(gè)測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器不可比

18、擬的優(yōu)點(diǎn)。3、工作流程：3.1靜態(tài)gps測量靜態(tài)gps測量技術(shù)主要應(yīng)用于建立公路首級，之后再利用其他測量方法進(jìn)行加密的附合導(dǎo)線測量。控制網(wǎng)建立過程如下：（1）：路線、導(dǎo)線點(diǎn)選址的初步勘查。接到外業(yè)測量的任務(wù)后，組織人員對路線的走向進(jìn)行初步的勘察，查看沿線gps點(diǎn)的位置情況。調(diào)查路線附近高等級gps一遍進(jìn)行聯(lián)測（2）：gps點(diǎn)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)：gps點(diǎn)控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)公路等級、沿線地形地物、作業(yè)時(shí)衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)（3）：gps選點(diǎn)、埋石：選點(diǎn)應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)要求有利于采用其他測量方法和聯(lián)測。（4）：架設(shè)gps儀觀測：四個(gè)gps點(diǎn)觀測的共同時(shí)間、有效觀測衛(wèi)星總數(shù)等應(yīng)滿足規(guī)范要求，（觀

19、測時(shí)間不應(yīng)少于0.5小時(shí)，有效觀測衛(wèi)星數(shù)不少于4個(gè)）（5）：gps觀測數(shù)據(jù)的處理：外業(yè)觀測結(jié)束后講gps中的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中，采用軟件，即使進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析（基線結(jié)算與檢核、gps點(diǎn)控制網(wǎng)平差計(jì)算兩個(gè)步驟。）（6）：gps控制網(wǎng)進(jìn)行加密（7）：公路中線測量，公路縱橫斷面測量（8）：導(dǎo)線點(diǎn)座標(biāo)及平差計(jì)算：將每段符合導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行角度、距離平差得到最后結(jié)果。rtk作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)的高度的關(guān)系如下表： 表3.1高度（m）典型距離（km）理想距離（km） 30 9-11 10-12 20 7-9 8-103.2 gps控制網(wǎng)的應(yīng)用：建立公路gps控制網(wǎng)后，其主要用途可體現(xiàn)在以

20、下幾個(gè)方面：（1）公路航測成圖時(shí)要有相應(yīng)的控制依據(jù)，可用gps控制網(wǎng)控制航向和區(qū)域?qū)挾取＃?）在用其他方法測圖時(shí)，gps控制網(wǎng)可選用首級控制和圖根控制來應(yīng)用。（3）在公路勘測階段，可以gps控制網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行防線及構(gòu)造物的施放，可大大提高測設(shè)精度及原始數(shù)據(jù)的提取精度。（4）在施工階段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以gps控制網(wǎng)可以對公路進(jìn)行有效的改造。4.精度分析4.1基準(zhǔn)站-流動站校正精度分析一般在標(biāo)定rtk儀器測量精度時(shí)使用“固定誤差+邊長比例誤差”的形式表示,即a+bd式中:a為固定誤差; b為邊長比例誤差; d為流動站與基準(zhǔn)站之間的距離。基準(zhǔn)站流動站校正模式為:在已知點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站,輸入已知坐標(biāo)。在另

21、外一個(gè)已知點(diǎn)上架設(shè)流動站,輸入坐標(biāo)進(jìn)行流動站校正。在此測量形式下,基準(zhǔn)站僅產(chǎn)生對中誤差,在另一已知點(diǎn)進(jìn)行校正時(shí)既有對中誤差又有rtk隨距離而產(chǎn)生的誤差。設(shè)儀器在基準(zhǔn)站的對中誤差為m基,流動站對中誤差為m流,流動站與基準(zhǔn)站相對距離為d1,測量點(diǎn)與基準(zhǔn)站距離為d2。若設(shè)流動站在已知點(diǎn)校正時(shí)的定位精度為m校,在測量點(diǎn)時(shí)的定位精度為m測,則m校=a+bd,即在已知點(diǎn)上只測量一個(gè)wgs-84下的坐標(biāo)用于校正,該點(diǎn)會引入a+bdmm大小的誤差。rtk定向誤差為依據(jù)南方rtk科力達(dá)儀器標(biāo)稱精度(rtk平面精度1 cm+1 ppm),并設(shè)對中誤差m中=3mm,可估計(jì)出兩已知點(diǎn)相距1 km時(shí),其定向誤差為:m定

22、=2.4（表4.1） 表4.1基準(zhǔn)站-流動站校正模式定向誤差與距離之間的關(guān)系 距離/m 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000定向誤差/s 22.6 11.4 7.7 5.8. 4.7 3.9 3.4 3.0 2.7 2.4距離/m 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 定向誤差/s 2.1 1.6 1.3 1.1 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 rtk基準(zhǔn)站流動站校正時(shí)引入的方位角誤差會隨距離的增加而減小,校正點(diǎn)相距越遠(yuǎn),方位角精度越高。4.2流動站-流動站校正精度分析流動

23、站-流動站校正模式為:在未知點(diǎn)處架設(shè)rtk基準(zhǔn)站,利用流動站在兩個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位校正。這種方式校正的精度與基準(zhǔn)站到距離有關(guān),即m校=a+bd假設(shè)兩校正點(diǎn)到基準(zhǔn)站的距離分d2。則引入的定向誤差為 = 式中:m定1=a+bd1; m定2=a+bd2。若d1與d2到基準(zhǔn)站的距離相當(dāng)即d1=d2=d,則計(jì)算兩點(diǎn)校正后引入的定向誤差為= 假設(shè)d1=d2,算得定向誤差(見表3)。 表4.2流動站-流動站校正模式定向誤差與距離之間的關(guān)系 距離/m 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000定向誤差/s 30.7 15.5 10.4 7.9 6.4 5.4 4.6 4.1

24、 3.7 3.3距離/m 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800定向誤差/s 2.8 2.2 1.8 1.6 1.4 1.2 1.1 1.0 1.0 0.9 rtk流動站-流動站校正時(shí)引入的方位角誤差隨距離的增加而減小,校正點(diǎn)相距越遠(yuǎn),方位角精度越高。同基準(zhǔn)站設(shè)在已知點(diǎn)的規(guī)律相同,不過通過對比可以發(fā)現(xiàn)用兩流動站校正時(shí)的定向誤差要大。5、優(yōu)化設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)中，要求盡可能地進(jìn)行多余觀測，以增強(qiáng)網(wǎng)的內(nèi)部可靠性（增加觀測值多余觀測分量），有利于觀測值粗差定位和方差分量估計(jì)。對于采用gps布網(wǎng)，就要求對網(wǎng)作精心布設(shè)，注意地面觀測條件，并且采用精密星歷解算基線。對于精密工程來說，盡量不采用單純的gps網(wǎng)，將gps網(wǎng)與邊角網(wǎng)同時(shí)聯(lián)合解算是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但要注意gps網(wǎng)與地面網(wǎng)邊之間的精度匹配以及地面邊角測量精度匹配的影響，當(dāng)然成本會相應(yīng)增大，這還有待實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。在實(shí)踐中工作中，按以下步驟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：先固定觀測值的精度，對選取的網(wǎng)點(diǎn)，觀測所有可能的邊和方向，計(jì)算網(wǎng)的質(zhì)量的指標(biāo)，若質(zhì)量偏低，則必須提高觀測值的精度。在某一組先驗(yàn)精度下，若網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)偏高了，這時(shí)