毕业论文-- GPS在变形监测中的应用研究

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1、2008届成人高等教育学生毕业论文 存档编号： 武 汉 大 学毕 业 论 文题目_ GPS在变形监测中的应用研究_ _专 业：_信息工程_学 院： 遥感信息工程学院_年 级： 2006 级 _学习形式： 函授 _学 号： _论文作者： _论文指导教师： _指导教师职称： 讲 师 _武汉大学继续教育学院 制完成时间：2008年 9 月 28 日目 录摘 要I第一章 GPS原理11.1 GPS系统概述11.2 GPS基本原理及定位方法11.3 GPS 系统的特点31.4 GPS 测量的误差来源以及纠正4第二章 GPS变形监测的数据处理72.1 变形监测概述72.2 GPS在变形监测中的应用7第三章

2、 数据处理及精度分析103.1 GPS 变形监测网的设计103.2 TGO软件介绍123.3 数据处理及精度分析13第四章 总 结18结 束 语19附 录20参考文献22摘 要GPS卫星定位系统是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于现代生活的各个领域。人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。本文为了验证GPS变形监测的精度，设计了一个方案，通过与全站仪精度的比较来检验GPS变形的精度，然后分析

3、了影响精度的误差来源，对GPS在工程测量变形监测中的应用的可行性进行探索和研究。关键字：GPS技术；变形监测；数据处理；精度分析I第一章 GPS原理1.1 GPS系统概述全球定位系统（Global Positioning System - GPS）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

4、、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。GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统； 用户设备部分GPS信号接收机。空间部分 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度,即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。地面控制部分 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星

5、运动及其轨道的 的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。用户设备部分 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信

6、号从卫星到接收机的传播时天线间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。1.2 GPS基本原理及定位方法GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图1所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定如图1所示的四个方程式。图1 GPS定位的基本原理 上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1

7、、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。按定位方式，GPS定位分为

8、单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计

9、算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种 方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接 收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。1.3 GPS 系统的特点GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。1定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7， 1000KM可达10-9。在300-1500m工

10、程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面 位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm, 校差中误差为0.3mm。2观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观 测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。 3测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。 由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去 经典大地网中的

11、传算点、过渡点的测量工作。 4可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。 目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。 5操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积 越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。 使野外工作变得轻松愉快。 6全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 7功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1M/S，测时 的精度可达几十毫微秒。其

12、应用领域不断扩大。1.4 GPS 测量的误差来源以及纠正GPS定位中出现的各种系统误差从误差来源大体可分为三大类：与卫星有关的误差，与接收机有关的误差，与传播路径有关的误差。卫星有关的误差与卫星有关的误差对伪距测量和载波相位测量所造成的影响相同1卫星星历误差(1)定义：由广播星历或其它轨道信息所给的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。(2)性质：它的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量及空间分布；观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等等。卫星星历误差对相距不太远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同，(3)产生原因：地面监测站测试误差、摄动力的影响

13、、广播星历的外推误差。(4)应对方法：A 轨道松弛法：把卫星星历给出的卫星位置当成未知量一起平差。B 同步观测值求差：卫星星历误差对相距不太远的两个测站的定位结果产生的影响大体相同，可用求差法消除影响。C 建立自己的GPS跟踪站：获得实时的卫星轨道，再把该轨道信息传递给用户。2卫星钟的钟误差(1)定义：卫星钟与GPS钟提供的时间的差异或漂移称为卫星钟差(2)性质：物理同步误差：GPS钟时间与标准时间的偏差，其应对方法是对物理同步误差加以改正，改正数为t=a0+a1(t-toe)+a2(t-toe) (t-toe)。数字同步误差：加上改正数t=a0+a1(t-toe)+a2(t-toe) (t-

14、toe)后的卫星钟读数和GPS标准时间之差；可用在接收机间求一次差来进行一步消除。(3)产生原因：受地面主控制站对卫星钟的遥控精度的限制。(4)应对方法：由于两个测站对卫星进行同步观测时卫星钟的误差对两测站观测值的影响是相同的，可用在卫星间求差来消除 。3相对论效应(1)定义：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态(运动速度和重力位)不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。(2)消除方法：在地面上将卫星比基准频率调慢.00045HE。与信号传播有关的误差1.电离层折射(1)定义：电磁波信号通过电离层时传播速度会发生变化，致使量测结果产生系统性的偏离。(2)性质：取决于外界条件(时间、太阳黑子数、地点)和信号频率。在伪距测量和载波相位测量中，电离层折射的大小相同，符号相反。(3)改正方法：A 相对定位(适用于单频接收机)B 电离层改正模型：把整个电离层压缩为一个单层，用单层来代替整个电离层C 双频改正D半和改正方法：只需将同一观测时刻的载波相位测量观测值伪距测量观测值中数即可消除电离层折射的影响。2.对流层折射(1)定义：电磁波信号通过对流层时传播速度会发生变化，致使量测结果产生系统性的偏离。