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1、南阳师范学院 20XX 届毕业生毕业论文（设计） 题 目：GPS在工程测量中的应用与探讨 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录摘要（1）1前言（1）2 GPS的工作原理及使用方法（1）2.1 GPS测量仪器的结构组成部分（1）2.1.1空间部分（2）2.1.2地面控制系统（2）2.1.3用户设备部分（2）2.2 GPS在工程测量中的原理（2）2.2.1测量的特点（2）2.2.2 工程测量平面坐标系的建立原理（3）2.2.3 GPS测量技术原理（3）2.3 GPS在工程测量中的使用探讨（4）2.3.1GPS 测量的技术设计（4）2.3.2GPS 测
2、量的外业实施（5）3 GPS的工程应用与工作方法（7）3.1 GPS在控制测量中的应用（7）3.2 GPS在碎步测量中的应用（8）4 与常规测量比较及其优缺点（9）4.1 GPS的优势特点（9）4.1.1操作方面（10）4.1.2精度比较（10）5 结束语（12）参 考 文 献（13）Abstract:（13）GPS在工程测量中的应用与探讨 摘要：GPS是常用的测量工程的仪器之一，其是一种全球定位系统。随着我国经济的快速发展，其在工程中广泛应用。基于此，本文主要探讨其在工程方面的应用原理方法，以大量的现场操作去验证。从数据中分析其方法的优缺点，找出最快捷的方法。最后分析其未来的发展趋势，以及我
3、国将来在这方面的前景，从而使其更好地应用到我国的国民经济建设中，为广大国民带来更快，便利的生活。 关键词：全球定位系统；快速；大量；快捷；前景1前言最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方
4、式1。GPS在工程中的应用，主要是用于建立各种工程控制网及测定航测外控点等。随着发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，以知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。中国已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，
5、速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。2 GPS的工作原理及使用方法 2.1 GPS测量仪器的结构组成部分第 1 页 (共 15 页)2.1.1空间部分GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。2.1.2地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master
6、Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。2.1.3用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。2.2 GPS在工程测量中的原理2.2.1测量的特点：相对于常规测量来说,GPS 测量主要有以下特点: （1）测量精度高。 GPS 观测的精度明显高于一般常规测量, 在小于50km 的基线上, 其相对定位精度可达 10-6, 在
7、大于 1000km的基线上可达 110-9。（2）测站间无需通视.。GPS 测量不需要测站间相互通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便。 (3)观测时间短。 随着 GPS 测量技术的不断完善,软件的不断更新,在进行GPS测量时,静态相对定位每站仅需20min左右,动态相对定位仅需几秒钟。(4)仪器操作简便。目前 GPS 接收机自动化程度越来越高,操作智能化,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。（5）全天候作业。GPS卫星数目多,且分布均匀,可保证在任何时间、任何地点连续进行观测,一般不受天气状况的影响。（6）提供三维坐标2。GPS
8、测量可同时精确测定测站点的三维坐标,其高程精度已可满足四等水准测量的要求。GPS 定位技术以其高精度 、速度快、费用低 、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量、工程测量、变形观测中,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, 一般将 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫GPS 网。GPS 控制网分为两大类:一类是全球或全国性的高精度 GPS 测量网,网内相邻点的距离在数千公里至上万公里, 主要任务是作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研工作服务, 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 GP
9、S 测网,它包括城市或矿区 GPS 网、施工区域控制网等,网内相邻点距离为几公里至几十公里,主要作用是直接为国民经济建设服务，下面主要阐述后者。 区域 GPS 是指国家 C、D、E 级 GPS 网或者专为工程项目布设的工程 GPS 测量网,这类网的特点是控制区域有限,边长短(一般从几百米到 20km), 观测时间短(从快速静态定位的几分钟至一两个小时)。由于 GPS 定位的高精度、快速度、省费用等优点, 建立工程首级控制网的手段基本被 GPS 技术所取代。 GPS 快速静态测量用于平面控制测量与传统的全站仪和典型静态测量相比, 不仅能够显著提高工作效率,而且所测成果精度能够满足设计要求。2.2
10、.2 工程测量平面坐标系的建立原理高斯投影长度变形公式地面上的边长归化至平均海水面上,再投影至高斯平面,变形公式如式(1):s=(s1+s2)=s(V1+V2)=s-(Hm+h)/Rn+s(ym2/2Rm) 其中: s为地面长度归化的高斯投影面的总改正值;s为地面两点间距离;s1为地面长度归化至海平面的改正;s2为海平面距离投影到高斯平面的改正;V1为地面长度归化至海平面的改正系数;V2为海平面距离投影到高斯平面的改正系数;Hm为归算边高出海平面的平均高程;h为平均海水面与参考椭球体之间的高差;Rn为归算边方向平均海水面法截弧的曲率半径;ym为归算边两端点坐标的平均值),Rm为平均海水面的平均
11、曲率半径。从工程测量平面坐标系建立的方法可以看出, 当测区平均高程 Hm 在100m 以下,Y 坐标平均值在 40km 以下,高斯投影改正每公里小于 2.5cm。 能满足相应规范的要求。每公里距离改正 2.5cm,即为:从公式中的S1、S2 两项改正,符号相反,故对以上要求 , 为此,需通过选择某一独立的平面坐标系来解决,具体方法是:根据测区的具体情况,将投影的中央子午线选在测区的中央,地面观测值归算到测区平均高程面上, 按高斯正形投影计算平面直角坐标, 可以有效的实现两种长度变形改正的补偿3。2.2.3 GPS测量技术原理在 GPS 测量中, 卫星主要被作为位置已知的空间观测目标,从而形成了
12、不需要地面点的后方交会, 每台接收机都是一个独立的控制点, 经过接受到的数据解算出点的经纬坐标(WGS-84), 在多台接收机同时接收数据便形成了很多三角网形参与平差解算, 自由网无约束平差解算出 WGS-84 坐标,然后把己知的控制点进行约束平差得到 BJ-54 坐标。考虑到测区的实际情况, 选多于 4 台 GPS 接收机为一套设备,以两台仪器为一组,成对布设 GPS 点。 在组成良好网形的前提下,每一对 GPS 点必须通视良好,其间距一般 500 m左右,以便于以后作为全站仪导线点的起始点4。GPS 联测和高等级导线采用软件平差解算。 在做较长距离导线时就会产生投影变形, 投影变形处理与否
13、将直接影响整个控制网精度是否达到要求。2.3 GPS在工程测量中的使用探讨GPS 构成 GPS 主要由空间卫星系统、地面监控站及用户设备三部分构成GPS 空间卫星系统由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成。 24 颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,卫星的平均高度为 20 200km，运行周期为 11h58min。卫星用 L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点,在地球的任何地点任何时刻，在高度角 15以上，平均可同时观测到 6 颗卫星，最多可达到 9 颗。GPS 地面监控站主要由分布在全球的一个主控站 、三个注
14、入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对 GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出 GPS 接收机中心（测站点）的三维坐标。应用实例工程概况 本文涉及的工程由某集团公司投资建造，是一个集休闲、娱乐、旅游、假等功能于一体的综合项目。工程位于城郊，占地 86.4km2，属两山夹一沟地形，山地面积约占三分之二。最高处约 90m。山上树木茂盛，地形复杂，通视困难，行走不便。 为了该工程的设计和施工，需建立首级控制网。考虑到工程复杂，工期较紧，测区通视困难，地形起伏大等因素，决定采用 GPS 测量。2.3.1GPS 测量的技术设计设
