1、 毕 业 论 文 题目 _ GPS 在变形监测中的应用研究 _ _ 目 录 摘 要 第 1 章 绪 论 .1 1.1 GPS 卫星定位技术的发展 .1 1.2 GPS 在经济建设中的应用 .1 1.2.1 GPS 在道路工程中的应用 .1 1.2.2 GPS 在汽车导航和交通管理中的应用 .2 1.2.3 GPS 在变形监测中的应用 .3 第 2 章 GPS 原理 .4 2.1 GPS 系统概述 .4 2.1.1 空间部分 .4 2.1.2 地面控制部分 .4 2.1.3 用户设备部分 .4 2.2 GPS 基本原理及定位方法 .4 2.3 GPS 系统的特点 .6 2.3.1 定位精度高 .
2、6 2.3.2 观测时间短 .6 2.3.4 可提供三维坐标 .6 2.3.5 操作简便 .7 2.3.6 全天候作业 .7 2.3.7 功能多、应用广 .7 2.4 GPS 测量的误差来源以及纠正 .7 2.4.1 卫星有关的误差 .7 2.4.3 与接收机有关的误差 .9 第 3 章 GPS 变形监测的数据处理 .10 3.1 变形监测概述 .10 3.2 GPS 在变形监测中的应用 .10 第 4 章 数据处理及精度分析 .12 4.1 GPS 变 形监测网的设计 .12 4.1.1 选点。 .12 4.1.2 布设 GPS 网 .12 4.1.3 数据采集 .14 4.2 TGO 软件
3、介绍 .14 4.3.1 用 TGO 进行平差的步骤： .15 4.3.2 全站仪测量数据处理 .17 结 束 语 .20 附 录 .21 参考文献 .23 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。在工程测量方面，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。与此同时，变形监测工作的意义更加重要。本课题正是在这样的背景下产生的，为了验证 GPS 变形监
4、测的精度，我们设计了一个方案，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1 第 1 章 绪 论 1.1 GPS 卫星定位技术的发展 全球定位系统（ Global Positioning System - GPS） 是 新一代卫星导航和定位系统， 由 美国国防部从 70 年代初开始设计、研制 ， 历时约 20 余年时间、花费上百亿美元发展起来的一项跨世纪工程，也是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工 程。其 于 1994 年全面建
5、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。在航天技术和计算机技术迅猛发展的今天 ， GPS 具有及其广阔的应用前景。 1.2 GPS 在经济建设中的应用 目 前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。 GPS 技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS 在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS 在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对 GPS 信号的处理从时间上划分为实时处
6、理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。 1.2.1 GPS 在道路工程中的应用 GPS 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，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。目前，国内已逐步采用GPS 技术建立线路首级高精度控制网，如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用 GPS 建立
7、了首级控制网，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。浙江省测绘局利用Wild 200 GPS 接收机的快速静态定位功能施测了线路的全部初测导线，快速、高精度的建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。 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。如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS 对该网进行了检测， GPS 检测网达到了毫米级精度，与常规精度网的比较符合较好。 GPS技
8、术在隧道测量中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，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。 2 差分动态 GPS 在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载 GPS 航测等方面。 1994 年 6 月在同济大学试验了 KART 实时相位差分卫星定位系统，在 1km范围内达到了优于 2cm的精度，因此能够用于线路控制网的加密。 GPS 测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在中线放样中需实时把基准站的数据由数据链传到移动
9、站，从而提供移动站的实时位置，由于 GPS 仪器不象经纬仪那样可以指示方向，因此需与计算机辅助设计系统相结合，从而可在计算机屏幕上看到目前位置与设计坐标的差异。机载动态差分 GPS 应用于航测在德国和加拿大已取得了成功，用载波相位差分测出每个摄影中 心的三维坐标，而不再需要外控点测量，取得了良好的效果。 1.2.2 GPS 在汽车导航和交通管理中的应用 三维导航是 GPS 的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用 GPS 导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统 GPS 基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由 GPS 导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、
10、CDROM 驱动器、LCD 显示器组成。 GPS 导航是由 GPS 接收机接收 GPS 卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度，通常采用差分 GPS 技 术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到 GPS 卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。 由 GPS 卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与实际行驶的
11、路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与 电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。 CD-ROM 用于存储道路数据等信息， LCD 显示器用于显示导航的相关信息 。 “GPS 车辆实时监控系统 ”，用途广泛，特别适合公安、银行、保安、部队、机场等单位对某种特种车辆的监控和调度管理，已用于北京市交通银行和福州市工商银行运钞车的监视系统中； “公安报警指挥系统 ”用于安全保卫、监控报警、指挥调度等方面，可
12、对移动目标实施动态指挥监控，对固定目标实施静态监控 。各项成果拟采取技术合作、技术转让、工程承包等方式进行推广。 此外， 在民用项目方面， “采用 D-GPS 卫星导航的农作物害虫飞防技术 ”项目，已于 1992年一 1995 年在北京郊区成功地进行了 3 次生产试验，共防治小麦蚜虫 6 4 万亩，喷幅宽度5020 米、实时差分导航精度 5 一 10 米，可完全取代人工地面信号，显著地改善飞防作业质3 量和效率，确保飞防作业符合有关农作物害虫的防治规范要求，至 1996 年累计防治面积己达 1261 万亩 。 1.2.3 GPS 在变形监测中的应用 经近 10 年我国测绘等部门的使用表明， G
13、PS 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、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。 将 GPS 设备与复杂的数据处理算法以及通讯设施相结合，已经被证明将其用于建筑物和主要地质地貌监测的可靠性。 比如， 美国陆军工程师协会和 Condor 公司于 2002 年 2 月在蒙大拿州西北的发电能力为 525 兆瓦的 Libby 水电站大坝上安装了一套 3D trackter 实时 GPS监测系统。美国地质调 查局应用 GPS 监测许多座火山，
14、如在位于加利福尼亚西部中心的蒙马湖的大峡谷火山口的就布置了 GPS 系统。还有像在腊包尔，巴布亚新几内亚及俄勒冈中部的三姐妹瀑布的应用都已证明这一系统在恶劣环境下的可靠性和低成本性。它也被用来监测油田的地面沉陷。例如， Long Beach， Calif 市已经布置了监测由于石油生产和蒸汽注入而使Long Beach 地区相当大的区域产生的地面变形。 4 第 2 章 GPS 原理 2.1 GPS 系统概述 全球定位系统（ Global Positioning System - GPS）是 能 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。 GPS 系统包括三大部分：空
15、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。 2.1.1 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。 2.1.2 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 描述卫星运动及其轨道的 的
16、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。 2.1.3 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
17、GPS 信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，甚至三维速度和时间。 2.2 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5 离后方交会的方法，确定 待测点的位置。如图所示，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以下四个方程式： 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=c ti (i=1、 2、 3、4)。 di (i=1、 2、
18、 3、 4) 分别为卫星 1、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
19、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6 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
20、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。 2.3 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
21、特点著称。 2.3.1 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。 2.3.2 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。 2.3.3 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 经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。 2.3.4 可提供三维坐 标 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。
