定位系统在工程控制测量中的应用设计.doc
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1、太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院 毕毕业业设设计计说说明明书书 GPS 定位系定位系统统在工程控制在工程控制测测量中的量中的应应用用 I 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院 毕业设计评阅书毕业设计评阅书 题目:题目:GPS 定位系定位系统统在工程控制在工程控制测测量中的量中的应应用用 资资源开源开发发 系系 测绘测绘工程工程 专业专业 姓名姓名 樊樊晓锋晓锋 设计时间:设计时间:2009 年年3月月16日日2009年年6月月1日日 评阅意见:评阅意见: 成绩:成绩: 指导教师:指导教师: (签字)(签字) 职职 务:务: 200 年年 月月 日日 II 太原理工大学阳泉学院太原理
2、工大学阳泉学院 毕业设计答辩记录卡毕业设计答辩记录卡 资资源开源开发发 系系 测绘测绘工程工程 专业专业 姓名姓名 樊樊晓锋晓锋 答答 辩辩 内内 容容 问问 题题 摘摘 要要评评 议议 情情 况况 记录员:记录员: (签(签 名)名) 成成 绩绩 评评 定定 指导教师评定成绩指导教师评定成绩答辩组评定成绩答辩组评定成绩综合成绩综合成绩 注:评定成绩为注:评定成绩为 100 分制,指导教师为分制,指导教师为 30%,答辩组为,答辩组为 70%。 专业答辩组组长:专业答辩组组长: (签名)(签名) 200 年年 月月 日日 i 摘摘 要要 GPS 即全球定位系统是美国从上世纪 70 年代开始研制
3、,历时 20 年, 耗资 200 亿美元的美国第二代卫星导航系统,当前,GPS 技术已广泛应 用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域,特别是在测量领 域。本文介绍了 GPS 的特点、发展及应用、GPS 的组成及工作原理,外业 测量、工作流程、GPS 基线解算的基本原理等。 第二部分主要讲述了视距测量的原理,然后根据视距测量的原理编 写了用视距测量中的三种视距计算方法:倾斜视距、三角高差、水平视距。 关键词:关键词: GPS;控制测量;视距测量; Abstract GPS is global positioning system from the United States in th
4、e 1970s started to develop, which lasted 20 years, the cost of 20 billion U.S. dollars in the second generation of satellite navigation systems, the current, GPS technology has been widely used in geodesy, resource exploration, crustal movement, Cadastral, and other fields, particularly in the areas
5、 of measurement. In this paper, the GPS feature of the development and application, GPS and the composition of principle, field measurement, workflow, GPS baseline solution, such as the basic principle. The second part mainly on the principle of measuring the line-of-sight, and then the- horizon mea
6、sured in accordance with the principles prepared by the-horizon measured in the three-horizon calculated as follows: tilt-horizon, the 1.30 height difference, level- horizon. Key words: GPS; control measurement; the-horizon measurement measurement; ii 目目 录录 第一篇 GPS 定位系统在工程控制测量中的应用 第一章 绪论1 第一节 GPS 全球
7、定位系统的概念1 第二节 GPS导航定位系统的广泛应用 2 第二章 GPS 卫星全球定位系统.5 第一节 GPS 卫星定位系统的组成5 第二节 GPS 卫星的导航定位信号8 第三节 GPS 卫星定位原理.11 第四节 GPS 导航定位误差.15 第三章 工作流程.19 第一节 GPS 控制网的内业设计.19 第二节 GPS 控制网的外业设计.22 第三节 GPS 控制网的外业实施.24 第四节 数据传输与数据处理.26 第五节 GPS 的坐标系统和时间系统.30 第四章 GPS 基线解算的基本原理31 第一节 基线解算原理.31 第二节 GPS 测量数据的预处理.35 第三节GPS 基线解算的
8、质量监控36 第四节 影响 GPS 基线解算结果的因素.39 第五章RTK(REAL - TIME KINEMATIC)实时动态差分法.41 第一节 RTK 概述41 第二节 RTK 技术的应用.42 第三节 RTK 的综合性能.45 第四节 RTK 技术的前景.46 第六章 实例部分-GPSRTK 技术在三都洗煤厂工程测量中的应用.46 第一节 测量之前的准备工作.46 第二节 GPS 在三都洗煤厂的控制测量.52 第三节 RTK 技术应用于地形图测量.54 第二篇 视距测量程序设计 第一章 程序设计.64 第一节视距测量程序原理64 第二节 程序界面及代码65 第三篇 中英文互译 外文资料
9、71 中文翻译76 参考文献81 致 谢.82 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业设计说明书 1 第一篇第一篇 GPSGPS 定位系统在工程控制测量中的应用定位系统在工程控制测量中的应用 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 GPSGPS 全球定位系统的概念全球定位系统的概念 一、概念一、概念 GPS(Global Positioning System)全球定位系统是美国从上世纪 70 年代开始 研制,历时 20 年,耗资 200 亿美元并在 1994 年投入使用的卫星导航与定位系统。 在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。其 应用技术已
10、遍及国民经济的各个领域。在测量领域,GPS 系统已广泛用于大地测量、 工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。和子午仪系统一样,全球定位 系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。 按目前的方案,全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星 组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道,运行周期约为 11 小时 58 分,分布在 六个轨道面上(每轨道面四颗) ,轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何 地方,任何时间都可观测到四颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图 形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。其应用技术已遍及国民经济的各个
11、 领域。特别是在测量领域. 二二 GPSGPS 系统测量的技术特点系统测量的技术特点 相对于常规的测量方法来讲,GPS 测量有以下特点: 1 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点,使得 选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收 GPS 卫星信号不受干扰。 2 定位精度高。一般双频 GPS 接收机基线解精度为 5mm+1ppm,而红外仪标称精度为 5mm+5ppm,GPS 测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS 测量优越性愈加突 出。大量实验证明,在小于 50 公里的基线上,其相对定位精度可达 1210-6,而 在 100500 公里的基线上可达 1
12、0-610-7。 3 观测时间短。观测时间短采用 GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业设计说明书 2 30 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业设计说明书 3 40min 左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短。 4 提供三维坐标。GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测 站的大地高程。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。GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS 接收机已
13、趋小型化和操作傻瓜 化,观测人员只需将天线对中、整平,量取天线高打开电源即可进行自动观测,利 用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕 获,跟踪观测等均由仪器自动完成。 6 全天候作业。GPS 观测可在任何地点,任何时间连续地进行,不受阴天黑夜、起 雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 第二节第二节 GPSGPS 导航定位系统的广泛应用导航定位系统的广泛应用 一、一、 GPSGPS 的应用按其使用领域的简单介绍的应用按其使用领域的简单介绍 美国政府最初开发 GPS 导航定位系统主要为用于军队导航、收集情报等军事目 的,后来对民用领域开放,将 GPS 系统分为军用码和民
14、用码,但两者的接收精度相 差很大。由于 GPS 具有全天候、高精度、自动化、高效益的特点,特别是随着 GPS 系统的不断改进,软、硬件的不断完善以及美国终止降低民用 GPS 接收机精度的作 法,应用领域得到不断地开拓,目前已遍及国民经济各个部门,并开始进入人们的 日常生活。人们可以开着装有先进 GPS 导航系统的汽车,随时为你指示行进方向, 你可以戴着手表式的接收机为你在原始森林里旅游探指 明方向 1、在大地测量、工程测量中的应用: 由于 GPS 系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便,现今建立大地及工程控制 网基本上是采取 GPS 定位技术,取代了常规手段。国家 A 级和 B 级 GPS
15、大地控制网 分别于 1996 年和 1997 年建成并交付使用,A 级网,30 个点组成,其水平方向的重 复精度达 2108, ,垂直方向不低于 7108。B 级网由 800 个点组成,其精度 也分别好于 4107 和 8107。国家 A、B 级网以其特有的高精度把我国传统大 地网进行了全面改善和加强,从而克服了传统大地网的精度不均匀,系统误差较大 等传统测量手段不可避免缺点,这一高精度三维空间大地坐标系的建成将为我国 21 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业设计说明书 4 世纪前 10 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业设计说明书 5 年的经济
16、和社会持续发展提供基础测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用 GPS 定位技术建立施工控制网,取得很好的效果,可以满足其相应的精度要求;在 青藏铁路的建设中,从勘测到施工均采用了 GPS 定位技术,都取得了很好的效果。 为了在测绘领域充分利用这一新技术,国家测绘局专门颁布了全球定位系统 (GPS)测量规范 。 2、在地籍和房产测绘中的应用: 地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置,同时测绘大比例尺地籍平面图 和房产图并量算土地和房屋面积,供土地和房产管理部门使用。常规方法通常是先 布设或加密控制点,然后依据这些点,测定地物点和地形点在图上的位置并按照一 定的规律和符号绘制成平面图。而利
17、用 GPS 定位技术,特别是采用 RTK 技术替代常 规方法测绘地籍及房产成为可能。由于它不需要逐级布网加密,在测区只需少量的 控制点即可。因此,它具有速度快,精度高且分布均匀等特点。 3、在工程变形监测中的应用: 我国正处在全面基础建设中,尤其是西部大开发,大型、特大型工程不断涌现,为 了这些工程的正常、安全地运行,必须对它进行变形监测和安全预报,工程变形监 测通常要达到毫米或亚毫米级的精度,武汉测绘科技大学做了这方面的试验,试验 结果证明 GPS 定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变 形 GPS 自动化监测系统,整个系统全自动,应用广播星历 12 小时 GPS 观测
18、资料解 算的监测点位,水平精度优于 1.5mm,垂直精度优于 1.5mm,6 小时的 GPS 观测资料 解算,水平精度、垂直精度均优于 1mm。 4、在资源勘察方面的应用: 矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的 地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量,然后在 室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大,浪费大量的人力、物力,且测 量结果精度还较低。时间周期也长,不能及时反映矿产资源的实际现状。另外,在 航空摄影测量、海洋测量、山体滑波监测、运载工具导航和管制、地壳运动监测、 地球动力学研究等领域均得到了成功的应用。 二、我国二、我
19、国 GPSGPS 定位技术的应用情况定位技术的应用情况 2002 年 2 月,国家计委提出“卫星导航应用产业化专项” ,其目标是在“十五” 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业论文毕业论文 6 末期,形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基 础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过 100 万套,行业总产值 超过 100 亿元(约占世界市场份额的 4%) 。其中导航运营服务产值将超过 20 亿元。 在基础产品上,芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占 60%以 上。产品出口将占国产总量的 10%,具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专
20、 用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设,推动卫星 导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用, 产生明显的经济效益和社会效益。 汽车导航产品将进入市场/成为 GOS 最大的消费市场,同时带动导航电子地图的 生产和经销。近年来,日本、欧盟、美国采取谨慎而积极的进军姿态,争先恐后进 入中国市场。它们对我国的汽车导航市场抱有厚望,无疑源于对我国卫星导航市场 的看好。 三、前景三、前景 当初设计 GPS 系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的。但是,后来 的应用开发表明,GPS 系统不仅能够达到上述目的,而且用 GPS 卫星发来的导航定 位
21、信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态 定位,亚米级至厘米级 精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此,GPS 系统展现了极其广阔的应用前景。 1. GPS 系统用途广泛 用 GPS 信号可以进行海、空和陆地的导航,导弹的制导,大地测量和工程测量 的精密定位, 时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域,GPS 卫星定位技术已 经用于建立高精度的 全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数;用 于建立陆地海洋大地测量基准, 进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于 监测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的 主要手段。用于测
22、定航空航天摄影瞬间的 相机位置,实现仅有少量地面控制或无 地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球 环境遥感监测的技术革命。 2. 多元化空间资源环境的出现 目前,GPS,GLONASS。INMARSAT 等系统都具备了导航定位功能,形成了多元 化的空间资源环境。 这一多元化的空间资源环境,促使国际民间形成了一个共同 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业论文毕业论文 7 的策略,即一方面对现有系统 充分利用,一方面积极筹建民间 GNSS 系统,待到 2010 年前后,GNSS 纯民间系统建成,全球 将形成 GPS/GLONASS/GNSS 三足鼎立之 势,才能从根本上摆脱对单一
23、系统的依赖,形成国际共有、 国际共享的安全资源 环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。 国际民间的 这一策略,反过来有影响和迫使美国对其 GPS 使用政策做出更开放的调整。 总之, 由于多元化空间资源环境的确立,给 GPS 的发展应用创造了一个前所未有的良好 的国际环境。 3 .发展 GPS 产业 今后 GPS 将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系 统 WAAS( 即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送,使地球 同步卫星也具有 C/A 码功能,形成广域 GPS 增强系统)计划发展成国际标准。我 国目前也有一些单位生产 车载 GPS
24、系统。为发展我国的 GPS 产业,武汉已经成立 中国 GPS 工程中心。 4 .GPS 的应用将进入人们的日常生活 GPS 信号接收机在人们生活中的应用,是一个难以用数字预测的广阔天地,手 表式的 GPS 接收机,将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什么 是 GPS,但有人预言, GPS 将改变我们的生活方式。今后,所有运载器,都将依赖 于 GPS。GPS 就像移动电话、传真机、 计算机互联网对我们生活的影响一样,人们 日常生活将离不开它。 第二章第二章 GPSGPS 卫星全球定位系统卫星全球定位系统 第一节第一节 GPSGPS 卫星定位系统卫星定位系统的组成的组成 GPS 全球定
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