GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文).doc

題 目: gps控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計 1 gps的基礎(chǔ)知識gps是全球定位系統(tǒng)（global positioning system）的英文縮寫，它是隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而建立的第一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。本章主要介紹gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展的概況、特點、以及gps定位技術(shù)的應(yīng)用前景。1.1 全球定位技術(shù)的概況全球定位系統(tǒng)（global positioning system - gps）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，gps以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。2 全球定位系統(tǒng)(global positioning system，縮寫gps)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。 按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（dop）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?地面監(jiān)控部分包括四個監(jiān)控間、一個上行注入站和一個主控站。監(jiān)控站設(shè)有g(shù)ps用戶接收機、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進行數(shù)據(jù)初步處理的計算機。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對地面監(jiān)控部實行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對gps衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆gps衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆gps衛(wèi)星每天進行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。 全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。 1.2 gps的特點相對于經(jīng)典的測量技術(shù)來說，gps定位技術(shù)主要有一下特點：1觀測站之間無需通視這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得更加靈活。2定位精度高試驗表明，目前在小于50km的基線上，其相對定位精度可達110210，而在100500km的基線上可達1010。隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10。3觀測時間短隨著gps系統(tǒng)的不段完善，目前20以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對定位中，在流動站與基準站相距在15以內(nèi)時，流動站觀測的時間只需12分鐘；動態(tài)相對定位，出發(fā)時流動站觀測12分鐘，然后可隨時定位，每站觀測進需幾秒。24提供三維坐標5操作簡便6全天候作業(yè)因此，gps定位技術(shù)的發(fā)展是對經(jīng)典測量技術(shù)的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進一步加強了測量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進了測繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。 1.3 gps系統(tǒng)的應(yīng)用前景最初設(shè)計gps的主要目的是用于導(dǎo)航、收集情報等軍事目的。但后來得應(yīng)用開發(fā)表明，gps不僅可以達到上述目的，而且用gps衛(wèi)星信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級精度的速度測量何毫微秒級精度的時間測量。用gps信號可以進行海、陸、空、地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)，大地測量和工程測量的精密定位，時間傳遞和速度測量等。在測繪領(lǐng)域，gps定位定位技術(shù)已用于建立高精度的大地測量控制網(wǎng)，測定地球動態(tài)參數(shù)；建立陸地及海洋大地測量基準，進行高精度海陸聯(lián)測及海洋測繪；監(jiān)測地球板塊運動狀態(tài)和地殼形變；在工程測量方面，已成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段；在精密工程的變形監(jiān)測方面，它也發(fā)揮著及其重要的作用；同時gps定位技術(shù)也用于測定航空航天攝影瞬間相機的位置，可在無地面控制或僅有少量地面控制點的情況下進行航測快速成圖，引起了地理信息系統(tǒng)及全球遙感監(jiān)測的技術(shù)革命。在日常生活方面事一個難以用數(shù)字預(yù)測的廣闊的領(lǐng)域，手表式的gps接收機，將成為旅游者的忠實導(dǎo)游。gps將像移動電話、傳真機、計算機互聯(lián)網(wǎng)對我們生活的影響一樣，人們的日常生活將離不開它。2 相對定位原理及gps網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計簡述2.1 相對定位原理由于在gps絕對定位(或單點定位)中，定位精度將受到衛(wèi)星軌道誤差、鐘差及信號傳播誤差等因素的影響，雖然其中一些系統(tǒng)性誤差可以通過模型加以削弱，但改正后的殘差仍是不可忽略的。gps相對定位也叫差分gps定位，是目前gps測量中定位精度最高的定位方法，它廣泛地應(yīng)用于大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)的研究及精密導(dǎo)航中。相對定位的概念:用兩臺接收機分別安置在基線的兩個端點，其位置靜止不動，同步觀測相同的4顆以上gps衛(wèi)星，確定基線兩個端點在協(xié)議地球坐標系中的相對位置這種定位模式稱為相對定位相對定位的原理(見圖2-1)。出于在測量過程中，通過重復(fù)觀測取得了充分的多余觀測數(shù)據(jù)，從而改善了gps定位的精度。22.2 gps網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計gps控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計是實施gps測量的基礎(chǔ)性工作，它是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面,尋求gps控制網(wǎng)設(shè)計的最佳方案。根據(jù)gps測量特點分析可知，gps網(wǎng)需要以一個點的坐標為定位基準，而此點的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時由于gps網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差以及同地面網(wǎng)的尺度匹配問題，所以有必要提供精度較高的外部尺度基準。 由于gps網(wǎng)的精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)無關(guān)，且與觀測權(quán)相關(guān)甚小，而影響精度的主要因素是網(wǎng)中各點發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。因此，提出了gps網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化設(shè)計的概念，討論增加的基線數(shù)目、時段數(shù)、點數(shù)對gps網(wǎng)的精度、可靠性、經(jīng)濟效益的影響。同時，經(jīng)典控制網(wǎng)中的三類優(yōu)化設(shè)計，即網(wǎng)的加密和改進問題，對于gps網(wǎng)來說，也就意味著網(wǎng)中增加一些點和觀測基線，故仍可將其歸結(jié)為對圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計。綜上所述，gps網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計主要歸結(jié)為兩類內(nèi)容的設(shè)計： (1)gps網(wǎng)基準化的優(yōu)化設(shè)計。 (2)gps網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計，其中包括：網(wǎng)的精度設(shè)計能力的可靠性設(shè)計，網(wǎng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)差能力的強度設(shè)計。2.2.1 gps控制網(wǎng)基準的優(yōu)化設(shè)計 經(jīng)典控制網(wǎng)的基準優(yōu)化設(shè)計是選擇一個外部配置，使得達到一定的要求，而gps網(wǎng)的基準優(yōu)化設(shè)計主要是對坐標未知參數(shù)x進行什么是坐標未知參數(shù)x的設(shè)計?；鶞蔬x取的不同將會對網(wǎng)的精度產(chǎn)生直接影響，其中包括gps網(wǎng)基線向量解中的位置基準的選擇，以及gps網(wǎng)轉(zhuǎn)換到地方坐標系所需的基準設(shè)計。另外，由于gps尺度往往存在系統(tǒng)誤差，因此應(yīng)提出對gps網(wǎng)尺度基準的優(yōu)化設(shè)計。 1)位置基準設(shè)計 研究表明，gps基線向量解算中作為位置基準的固定點誤差是引起基線誤差的一個重要因素，使用測量時獲得的單點定位值作為起算坐標，由于其誤差可達數(shù)十米以上，所以選用不同點的單點定位坐標值作為固定點時，引起的基線向量差可達數(shù)厘米。因此，必須對網(wǎng)的位置基準進行優(yōu)化設(shè)計。 2)尺度基準設(shè)計盡管gps觀測量本身已含有尺度信息，但由于gps網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差，所以，還需要提供外部尺度基準。gps網(wǎng)的尺度系統(tǒng)誤差有兩個特點：一是隨時間變化，由于美國政府的sa政策，使廣播星歷誤差大大增加，從而對基線帶來較大的尺度誤差；另一個隨區(qū)域變化，由區(qū)域重力場模型不準確引起的重力攝動造成。因此，如何有效地降低或消除這種尺度誤差，提供可靠的尺度基準就是尺度基準優(yōu)化問題。其優(yōu)化有以下幾種方案：(1)提供外部尺度基準。對于邊長小于50km的gps網(wǎng)，可用較高精度的測距儀(或更高)測量23條基線邊，作為整網(wǎng)的尺度基準。對于大型長基線網(wǎng)，可采用slr站的相對定位觀測值和vlbi基線作為gps網(wǎng)的尺度基準。(2)提供內(nèi)部尺度基準。在無法提供外部尺度基準的情況下，仍可采用gps觀測值作為gps網(wǎng)的尺度基準，只是對作為尺度基準觀測量提出一些不同要求，其尺度基準設(shè)計如下。在gps網(wǎng)中選一條長基線對該基線盡可能多地長時間、多次觀測，最后取多次觀測段所得的基線的平均值，以其邊長作為網(wǎng)的尺度基準。由于它是不同時期的平均值，尺度誤差可以抵消。因此，它的精度要比網(wǎng)中其他短基線高得多，可以作為尺度基準。以上討論了gps基線向量解其中位置基準以及gps尺度基準的選擇與優(yōu)化問題。此外，gps成果轉(zhuǎn)換到地面實用坐標系中，還存在一個轉(zhuǎn)換基準的選擇問題，此處不再討論。2.2.2 gps網(wǎng)的精度設(shè)計精度是用來衡量網(wǎng)的坐標參數(shù)估值受觀測偶然誤差影響程度的指標。網(wǎng)的精度設(shè)計是根據(jù)偶然誤差的傳播規(guī)律，按照一定的精度設(shè)計方法，分析網(wǎng)中各未知點平差后預(yù)期能達到的精度，這常被稱為網(wǎng)的統(tǒng)計強度設(shè)計與分析。一般常用坐標的方差協(xié)方差陣來分析，也可用誤差橢圓(球)來描述坐標點的精度狀況，或用點之間方位、距離和角度的標準差來定義。對于gps網(wǎng)的精度要求，一般用網(wǎng)中點之間的距離誤差來表示。其精度與網(wǎng)的點位坐標無關(guān)，與觀測時間無明顯的相關(guān)性(整周模糊度一旦被確定后)，gps網(wǎng)平差的法方程只與點間的基線數(shù)目有關(guān)，且基線向量的三個坐標差分量之間又是相關(guān)的，因此，很難從數(shù)學(xué)的角度和實際應(yīng)用出發(fā)，建立使未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣逼近理想的準則矩陣。所以，目前較為可行的方法是給出坐標的協(xié)出數(shù)陣的某種純量精度標準函數(shù)。設(shè)gps網(wǎng)有誤差方程式中l(wèi)、v分別為觀測向量和改正向量;x為坐標未知參數(shù)向量陣；p為觀測值權(quán)陣;為先驗方差因子(在設(shè)計階段取1)，m為觀測基線數(shù);n為待定點數(shù)。由最小二乘可得參數(shù)估值及其協(xié)因數(shù)陣：優(yōu)化設(shè)計中常用的純量精度標準，根據(jù)其由構(gòu)成的函數(shù)形式的不同的可表示成不同的最優(yōu)純量精度標準函數(shù)。現(xiàn)在最常用的是求的軌跡，以次來表示純量精度。3 大同礦區(qū)gps控制網(wǎng)設(shè)計實例3.1 任務(wù)來源及工作量大同礦區(qū)為全國最大的煤炭企業(yè)大同礦物局所屬,并且預(yù)測煤炭儲量豐富,工業(yè)前景可觀。但是該礦區(qū)原有測量控制網(wǎng)為90年代建立,歷經(jīng)十幾年的采礦影響,認為破壞及地貌變化,使原有控制點大部分失去控制作用,使得服務(wù)于日常生產(chǎn)的多項測量工作難以正常進行,遠遠不能滿足礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)的需要。因此,該礦區(qū)急需建立新的測量控制網(wǎng)。該網(wǎng)不但要滿足日常采礦生產(chǎn)需要,而且還要顧及遠景規(guī)劃及預(yù)測區(qū),控制面積約600 km2，測量范圍（如圖3-1）為：圖3-1 已知點分布圖東至：550km(大同礦區(qū)獨立坐標系)南至：4415km西至：534km北至：4439km3.2 測區(qū)概況大同礦區(qū)位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州兩市，地處東經(jīng)112度53分113度12分，北緯39度55分40度零8分,距市區(qū)12。5公里，轄區(qū)與大同市南郊區(qū)交叉，總面積約90平方公里，號稱百里礦區(qū)。區(qū)內(nèi)為平緩的丘陵地貌，西南高，東北低。尖口山最高，標高1835.9米，口泉溝最低，標高1093.6米。境內(nèi)主要山脈有七峰山、雞爪山、大鐘山、馬武山等；主要河流有口泉河、十里河，均為季節(jié)性河流。該區(qū)廠礦企業(yè)主要分布在口泉黑流水(口泉溝)，馬軍營燕子山(云崗溝)兩條狹長的山溝里。 通往礦區(qū)的鐵路有大同王村、大同燕子山兩條礦區(qū)專用線，各煤礦集運站都分散在兩條專用線周圍。以橫穿礦區(qū)東西向的109國道、沿礦區(qū)東側(cè)穿行的南北向大運公路為骨干線，配以礦區(qū)內(nèi)專用公路，交通十分方便。礦區(qū)供水水源以第四系潛水為主，現(xiàn)有大同市的白馬城水源地以及時莊水源地，供水量嚴重不足，需另找新的水源。礦區(qū)電源主要來自大同市第一熱電廠和神頭電廠。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦55處，其中國有重點煤礦18處，設(shè)計能力3645萬噸/年。截至1996年末，大同礦區(qū)保有探明儲量386。43億噸，其中生產(chǎn)礦井保有儲量77。41億噸。礦區(qū)原有國家二等三角網(wǎng)8個,經(jīng)野外踏勘,發(fā)現(xiàn)有3個已明顯被破壞或受采動影響;現(xiàn)只有代家溝、孫家溝、羊坊、懷仁、土臺山5個點的標石保存完好（如圖3-1）。設(shè)計采用的是比例尺為1：10000的大同礦區(qū)航攝地形圖。1989年航攝，1992年成圖，1994年縮編成圖。地形圖采用1985國家高程基準，等高距為5米。3.3 布網(wǎng)方案3.3.1 技術(shù)設(shè)計的依據(jù)與基準設(shè)計1）技術(shù)設(shè)計的依據(jù)2001年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的(ch2001-92)。2）基準設(shè)計gps測量獲得的是gps基線向量,它屬于wgs84坐標系的三維坐標差,而實際需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標。因此需要結(jié)合測區(qū)概況和已有資料(圖3-1),進行g(shù)ps網(wǎng)的基準設(shè)計。根據(jù)大同礦區(qū)近期發(fā)展與遠景規(guī)劃相結(jié)合的戰(zhàn)略目標，按照現(xiàn)階段礦區(qū)建設(shè)的需要，采用大同礦區(qū)獨立坐標系,中央子午線經(jīng)度為11230,投影面與54北京坐標系相同而建立的坐標系統(tǒng)。3.3.2 方案設(shè)計的技術(shù)分析1）等級確定根據(jù)中華人民共和國測繪行業(yè)標準全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程、煤礦測量規(guī)程和大同礦區(qū)的具體情況，確定該測區(qū)可建立d級gps網(wǎng)10，有關(guān)技術(shù)要求見表3-1：表3-1 基本技術(shù)要求項目技術(shù)要求平均邊長(km)510a(mm)10b(mm)10最弱邊相對中誤差1/450002）技術(shù)設(shè)計i時段設(shè)計根據(jù)規(guī)范對d級網(wǎng)的要求，采用快速靜態(tài)相對定位，時段長度根據(jù)邊長而定，具體時間見表3-6。gps網(wǎng)的時段設(shè)計有點連式、邊連式和網(wǎng)連式三種基本方法。點連式所構(gòu)成的圖形幾何強度太弱；網(wǎng)連式布網(wǎng)冗贅，工作量太大；邊連式布網(wǎng)有太多的非同步閉合條件，工作量適中。根據(jù)d級gps網(wǎng)的要求我們采用邊點結(jié)合的混合式布網(wǎng)方法。ii觀測方法gps網(wǎng)的觀測采用載波相位快速靜態(tài)相對定位模式,作業(yè)儀器采用4臺timble5700雙頻gps接受機,它的標稱精度可達5 mm1ppm,滿足精度要求。作業(yè)方法是:將gps四套接收機設(shè)備分別安置在網(wǎng)中四邊形的各個端點上,對基線邊同步觀測4顆衛(wèi)星。這種模型的特點是:觀測過的基線邊構(gòu)成一個閉合圖形,便于觀測成果的檢驗,從而提高觀測成果的可靠性和gps網(wǎng)平差后的精度。93.3.3 gps網(wǎng)的設(shè)計及施測方法1） gps網(wǎng)的設(shè)計i設(shè)計原則 gps網(wǎng)一般應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。gps網(wǎng)作為測量控制網(wǎng)，其相鄰點間基線向量的精度，應(yīng)分布均勻。gps網(wǎng)點應(yīng)盡量與原有地面控制點相結(jié)合。重合點一般不少于3個（不足時應(yīng)聯(lián)測），且在網(wǎng)中分布均勻，以可靠地確定gps網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。gps網(wǎng)點應(yīng)考慮與水準點重合，而非重合點，一般應(yīng)根據(jù)要求以水準測量（或相當(dāng)精度的測量方法）進行聯(lián)測，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準聯(lián)測點。為了便于gps的測量觀測和水準聯(lián)測，減少多路徑影響，gps網(wǎng)點一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和交通便利的地方。為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測或擴展，可在gps網(wǎng)點附近布設(shè)一通視良好的方位點以建立聯(lián)測方向，方向點與觀測站距離一般應(yīng)大于300米。gps網(wǎng)必須由非同步獨立觀測邊構(gòu)成若干個閉合環(huán)或附和線路。各級gps網(wǎng)中每個閉合環(huán)或附和線路中的邊數(shù)應(yīng)符合表3-2的規(guī)定。表3-2 最簡獨立閉合環(huán)或附和線路邊數(shù)的規(guī)定7級別abcde閉合環(huán)或附和線路的邊數(shù)566810ii 方案設(shè)計（圖中1-20為同步環(huán)）圖3-2 方案設(shè)計一圖3-3 方案設(shè)計二3.3.4 方案比較a 基本特征值比較根據(jù)r. a sany 提出的公式計算gps網(wǎng)的主要特征值:c= nm/n式中c為觀測時段數(shù),n為網(wǎng)的總點數(shù), m為每點設(shè)站數(shù),n為接受機數(shù)。在網(wǎng)中:總基線數(shù): j總=c*n*(n-1)/2必要基線數(shù):j必= n-1獨立基線數(shù):j獨=c*(n-1)多余基線數(shù):j多=c*(n-1)-(n-1)2總體可靠性指標=j多/j獨計算的兩個方案的主要特征值見表3-3:表3-3 兩個方案的主要特征值方案一方案二總點數(shù)3838總基線數(shù)120114獨立基線數(shù)6057必要觀測基線數(shù)3737多余觀測基線數(shù)2320復(fù)測基線數(shù)73觀測時段數(shù)2019平均每點設(shè)站率2.112總體可靠性指數(shù)0.38330.3509最短邊(km)1.82.01最長邊(km)12.313.7平均邊長(km)4.774.72最簡獨立閉合環(huán)邊數(shù)45b 設(shè)計方案比較兩個設(shè)計方案都以大同礦區(qū)為重點,布設(shè)gps控制網(wǎng)，在重點發(fā)展區(qū)域網(wǎng)點密度稍大。方案一采用點連接和邊連接的混合連接形式,構(gòu)成異步環(huán)和復(fù)測邊，異步環(huán)具有良好的自檢能力,能有效地發(fā)現(xiàn)觀測成果的粗差,確保網(wǎng)的可靠性,復(fù)測邊連接時幾何強度較高。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上,也采用邊點混合連接方式,但較方案一的連接方式不同,方案設(shè)計的指導(dǎo)思想是在滿足精度的基礎(chǔ)上,盡量減少人力、物力、財力。c 成本比較成本取決于網(wǎng)點總數(shù)和重復(fù)設(shè)站率，設(shè)一臺接收機觀測一期的平均費用為c，則總費用為:f=c*s*m由于方案設(shè)站數(shù)多,數(shù)據(jù)處理平差費多,方案一比方案二多花費大約1萬元。d 精度比較對于兩種方案的精度,因為點位相差不大,邊長也相差不大,所以兩種方案的精度也相差不大。利用相鄰點間弦長精度計算公式:2式中, -gps基線向量的弦長中誤差(mm),亦即等效距離誤差;a-gps接受機標稱精度中的固定誤差(mm);b-gps接受機標稱精度中的比例誤差系數(shù)(ppm);d-gps網(wǎng)中相鄰點間的距離(km)?？捎嬎愠?方案一最弱邊邊長相對中誤差為1/5.210,平均邊長相對中誤差為1/6.910;方案二最弱邊邊長相對中誤差為1/5.210,平均邊長相對中誤差為1/6.8610,兩者幾乎無差別,且都符合四等城市測量規(guī)范的要求。e 效率比較一個gps網(wǎng)中,在測量點數(shù)、gps接收機數(shù)和平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)確定后，完成該測量所需的理論最少觀測期數(shù)就可以確定。但是，當(dāng)按照某個具體的布網(wǎng)方式和觀測作業(yè)方式進行作業(yè)時，要按要求完成整網(wǎng)的測量，所需的觀測期數(shù)與理論上的最少觀測期數(shù)會有所差異，理論最少觀測期數(shù)與設(shè)計的觀測期數(shù)的比值，稱之為效率指標(e)。2設(shè)gps網(wǎng)中點的個數(shù)為n,用m臺接收機進行觀測，則該網(wǎng)的最少觀測期數(shù)為11如重復(fù)設(shè)站率以r表示，則理論觀測期數(shù)為 r2網(wǎng)的效率指標定義如下:式中，是理論設(shè)計效率,是實際效率，e是總效率。根據(jù)以上公式,可計算出方案一的可靠性為:=0.6, =1,e=0.6方案二的可靠性為:=0.63, =1,e=0.63顯然,方案二的可靠性比方案一略好。從以上分析可以看出,方案二比方案一花費少,技術(shù)指標相差不大,精度都能滿足要求,所消耗的人力、物力、財力、時間都比方案一少,所以,方案二比方案一要優(yōu),故本設(shè)計選擇方案二。3.3.5 所選方案的精度分析根據(jù)所選方案的獨立基線邊構(gòu)成的gps網(wǎng)成圖(圖3-4),統(tǒng)計出該網(wǎng)中有38個控制點,其中5個為已知;57條基線。圖3-4 選定方案的獨立基線邊構(gòu)成的gps網(wǎng)gps控制網(wǎng)設(shè)計時，可以在wgs84坐標系統(tǒng)下進行控制點三維精度估算，然后應(yīng)用精度轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換到二維，也可以直接估算控制點的二維精度。在這里我們用直接估算控制點二維精度的方法。設(shè)有二維基線向量觀測值33個,，其相應(yīng)的誤差方程式系數(shù)陣為 (1)式中與是單位矩陣，對應(yīng)于第i點未知數(shù)和第j點未知數(shù)，其余未知數(shù)前的系數(shù)為零。二維基線向量觀測值的權(quán)陣,可以根據(jù)gps接收機的標稱精度求得，具體方法為根據(jù)標稱精度計算gps的邊長方差，其計算公式為 (2)1式中a ,b分別是gps接收機邊長測量固定誤差和比例誤差因子，s是基線長度。 因為: (3)因為在gps測量中,方向誤差主要是由點位誤差引起的,所以在這里我們把方位誤差忽略不計,則有微分關(guān)系式 (4)根據(jù)協(xié)方差傳播律，可求得基線向量觀測值的協(xié)方差陣: (5)式中,是基線近似坐標方位角，(3)到(6)式省略了下標“ij”。設(shè)單位權(quán)方差為4km，則,本設(shè)計所用的gps的標稱精度為5 mm1ppm ,則為41。因此基線的權(quán)為 (7)有了誤差方程式和,就可以組成法方程子陣未知數(shù)的方差陣為根據(jù)可以計算各待定點的坐標中誤差和點位中誤差,見表3-4:表3-4 gps網(wǎng)精度估算成果表點號坐標中誤差（mm）點位中誤差(mm)點號坐標中誤差（mm）點位中誤差（mm）1x1.46133.564620x1.22211.6705y3.2513y1.13892x2.06033.235421x0.28340.3369y2.4946y0.18223x2.46234.783822x1.21643.2247y4.1015y2.98654x0023x3.49014.2601y0y2.44295x2.11673.258524x0.91080.9367y2.4774y0.21876x3.03124.627225x0.91482.8102y3.4961y2.65717x1.13253.549926x1.10231.8859y3.3644y1.53028x0.34441.119127x3.96525.0316y1.0648y3.09749x1.21593.485028x0.45030.5767y3.2660y0.360410x2.35292.905629x00y1.7048y011x2.96493.909330x00y2.5479y012x4.14895.258231x0.85211.2017y3.2305y0.847413x3.59214.604932x1.16911.5654y2.8813y1.041014x0033x0.83281.4916y0y1.237515x2.21412.581834x1.94074.8807y1.3280y4.478316x1.39992.674835x4.44154.8640y2.2793y1.982817x1.72934.167236x0.03910.1169y3.7914y0.110218x0.99121.527937x1.87512.6352y1.1628y1.851519x0.86101.959838x00y1.7606y0該表中帶邊框的點號為已知點，從表中我們可以看出，該網(wǎng)的最大點位誤差發(fā)生在12號點上，中誤差為5.26mm;最小點位誤差發(fā)生在36號點上，中誤差為0.12mm。這里的點位誤差偏小，分析其原因是，這里我們沒有考慮已知點的點位誤差。3.4 選點與埋標3.4.1 選點由于gps測量觀測站之間不一定要求相互通視,而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,所以選點工作比常規(guī)控制測量的選點要簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結(jié)果的可靠性有著重要的意義,所以在選點工作開始前,除收集和了解有關(guān)測區(qū)的地理情況,決定其適宜的點位外,選點工作還應(yīng)遵守以下原則:1 點位應(yīng)設(shè)在易于安裝接受設(shè)備、視野開闊的較高點上;2 點位目標要顯著,視場周圍15以上不應(yīng)有障礙物,以減小gps信號被遮擋或被障礙物吸收;3 點位應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源(如電臺、微波站等),其距離不小于200m;遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道,其距離不得小于50m。以避免電磁場對gps信號的干擾;4 點位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強烈干擾衛(wèi)星信號接受的物體,以減弱多路徑效應(yīng)的影響;5 點位應(yīng)選在交通方便,有利于其他觀測手段擴展與聯(lián)測的地方;6 地面基礎(chǔ)穩(wěn)定,易于點的保存;7 選點人員應(yīng)按技術(shù)設(shè)計進行踏勘;在實地按要求選定點位。當(dāng)利用舊點時,應(yīng)對舊點的穩(wěn)定性、完好性,以及覘標是否安全、可用性進行檢查,符合要求方可利用。3.4.2 標志埋設(shè)gps網(wǎng)點應(yīng)埋設(shè)具有中心標志的標石，以精確標志點位。點的標石和標志必須穩(wěn)定、堅固以利長久保存和利用（如圖3-5）。在基巖露頭地區(qū)，也可直接在基巖嵌入金屬標志。每個點位標石埋設(shè)結(jié)束后，應(yīng)按表3-5填寫點的記錄, 并提交以下資料： (1)點的記錄。 (2)gps網(wǎng)的選點網(wǎng)圖。 (3)土地占用批準文件與測量標志委托保管書。(4)選點與埋石工作技術(shù)總結(jié)。點名應(yīng)向當(dāng)?shù)卣块T或群眾進行調(diào)查后確定，一般取村名、山崗名、地名、單位名。利用原有舊點時，點名不宜更改，點號編排(碼)應(yīng)便于計算機計算。表3-5 gps點 點 之 記日期： 年 月 日 記錄者： 繪圖者： 校對者：點名及種類gps點點土質(zhì)號相鄰點（名號里程通視否）標石說明（單雙層類型）舊點舊點名所在地交通路線所在圖幅號概略位置x yl b（略圖）備注3.5外業(yè)觀測3.5.1 外業(yè)作業(yè)原則進行g(shù)ps控制測量作業(yè)設(shè)計時，一方面要考慮經(jīng)濟問題，目的在于縮短野外作業(yè)時間，節(jié)約資金，使測量費用指標達到最優(yōu)。另一方面，要有較多的多余觀測，以提高觀測成果的精度和可靠性。同時還必須考慮各待測點的點位精度的均勻性和各觀測時段的獨立性?；谶@些因素，我們的作業(yè)設(shè)計原則是：a gps網(wǎng)中各待測點的設(shè)站次數(shù)應(yīng)相同；b優(yōu)先測量點間距離較近的點，同時沿最短距離欠站；c 應(yīng)該聯(lián)測相距較遠的高等級已知點；d gps網(wǎng)中各待測點每次重復(fù)設(shè)站都使用不同的接受機。3.5.2 觀測時段的選擇gps衛(wèi)星的觀測是待gps衛(wèi)星離開地平線一定的角度才開始的，高度角愈小，愈有利于減小三維位置圖形強度因子- pdop值。但衛(wèi)星高度角愈小，對流層影響愈顯著，測量誤差隨之增大?？傊?，若pdop值愈大，說明觀測條件愈差。因此，要根據(jù)實際情況選定最佳值。gps定位精度與能同步跟蹤的衛(wèi)星數(shù)有至關(guān)重要的作用，若接收機有觀測到五顆衛(wèi)星以上的能力，就能把所有可能觀測到的衛(wèi)星都鎖定進行跟蹤觀測。雖然gps衛(wèi)星星座共計24顆(其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星)，在地球表面上任何地點、任何時刻，在高度角15以上均可同時觀測到6顆衛(wèi)星。但對于一些接收條件差，基線向量相對較長的基線，如何保證同步跟蹤衛(wèi)星數(shù)，就需要分析星歷預(yù)報與實地結(jié)合的原理選定最佳觀測時段，以確保工作順利進行，減少作業(yè)返工量。 大同礦區(qū)星歷預(yù)報如下(圖3-6):在選擇最佳時段時盡量避開衛(wèi)星頻繁起落時段，圖表分析得知在9:30至10:00、4:45至5:30之間頻繁的起落，雖能保證衛(wèi)星數(shù)，但很難長時間鎖定衛(wèi)星；另外在8:00至9:30衛(wèi)星數(shù)不足4顆。這在觀測條件差的測站就很難保證精度，因此應(yīng)盡量避開;根據(jù)星歷預(yù)報的圖表分析得知在5:00至8:00、10:00至16:30時間段能保證穩(wěn)定地5顆以上衛(wèi)星數(shù)，對于一天的作業(yè)而言也便于開展圖3-6大同礦區(qū)星歷預(yù)報工作。所以選定此時段為最佳觀測時，應(yīng)充分利用。另外,還要與實地結(jié)合，根據(jù)礦區(qū)地形分析此時段衛(wèi)星所處的方位，結(jié)合實際情況制定方案。3.5.3 外業(yè)作業(yè)方案(見表3-6)表3-6 gps控制網(wǎng)外業(yè)觀測方案時段接受機編號最長基線(km)時段觀測長度（min） iiiiiiiv1點號14366.503024219711.846032110895.13304373619215.72305383536376.09306333134356.293073032333812.326082927323013.67609282631275.723010242528299.164511161317245.873012512161411.25601316256.5030147111226.26301581513116.273016201817154.962017262518234.202018342320223.412019221510196.2530注：觀測時段長度結(jié)合規(guī)范和以前的觀測經(jīng)驗確定3.5.4 觀測工作的主要技術(shù)指標(見表3-7)表3-7 四等gps相對定位測量的主要技術(shù)規(guī)定衛(wèi)星截止高度角15同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)4有效觀測衛(wèi)星總數(shù)4觀測時間段1.6觀測時段長度/min10數(shù)據(jù)采樣間隔515時段中任一衛(wèi)星有效觀測時間/min3點位幾何圖形強度因子/pdop83.6 數(shù)據(jù)處理gps測量數(shù)據(jù)處理基本步驟：粗加工、預(yù)處理、基線解算平差處理、坐標轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。這里我們只簡單介紹粗加工和預(yù)處理。3.6.1 粗加工l 原始觀測數(shù)據(jù)的下載。在進行基線