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1、学 号06270115毕业设计说明书RTK技术在施工测量中的控制网 优化设计学生姓名专业名称土木工程班级06测绘工程 1 班指导教师土木工程系2010年6月18日RTK技术在施工测量中的控制网优化设计Construction technology in the measurement of the GPS-RTK control network optimization design摘 要本次设计的题目RTK技术在施工测量中的控制网优化设计。近年来由于GPS系统进一步稳定和完善,计算机技术和其他相应学科的迅猛发展,GPS技术也随之愈来愈稳定成熟,该项技术优点日益凸现,其在测绘精度、速度和经济效
2、益方面都大大优于目前的常规测量技术手段,已成为工程测量的主要方法。对于级别高的控制测量由相对静态定位技术完成，应用RTK技术进行实时定位可达到厘米级的精度,很多生产单位已把RTK技术作为低等级测量的主要手段。在具体的实践生产过程中,由于受传统控制思路,以及现行规范不匹配的影响,相应资料较少,导致基于RTK的GPS控制网效益还没有达到最优化。控制网的优化设计是实施测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性方面,寻求控制网设计的最佳方案。以实际设计效率高而且耗费少为原则。在能保证实测网质量要求的前提下以最经济为原则，这就要合理地确定重复设站率以及具体地分配网点上的重复设站次数，找出针对不同
3、工程提出最适合工程的控制网优化方案。关键词：RTK;控制网；优化设计；数据处理；控制测量；ABSTRACT The design of the subject construction technology in the measurement of the gps-rtk control network optimization design. In recent years, due to stabilize and improve the GPS system, computer technology and other related disciplines, GPS technolo
4、gy rapid development of more mature, stable and the technical advantages, the protruding in surveying and mapping accuracy, speed and economic benefit are much better than the conventional measure current technology, has become a major method of engineering surveying. For high level of control measu
5、re relative static positioning technology, application of RTK technology real-time positioning accuracy can reach the cm-level, many production unit has put RTK technology as the main means of low level measurements. In practical production process, because of traditional ideas, as well as the contr
6、ol of the match, not less, cause corresponding data based on the GPS control network RTK benefit havent reach optimization. Control network optimization design is the basic work for the implementation of measurement, it is the accuracy and reliability in the nets and economy, seeking the best scheme
7、 design of control network. Based on the actual design efficiency and cost less for the principle. In can guarantee the quality requirements of the actual network with the premise for the principle, the economic and reasonable repetition rate and specifically located on the distribution network, fin
8、d out The Times repeated set up for different project put forward the suitable for engineering of control network optimization scheme.Key words： RTK;Control net；Optimization design；The data processing；Control measure；目 录第 1 章 绪论- 1 -1.1前言- 1 -1.1.1GPS与控制网概述- 1 -1.1.2国内外现状- 2 -1.1.3课题研究的目标和意义- 4 -1.2
9、课题研究的主要内容- 5 -第 2 章 控制网优化设计概述- 6 -2.1控制网布设优化基本概念- 6 -2.2 RTK的控制网布设优化- 7 -第 3 章 全球定位系统与控制网的技术设计- 10 -3.1全球定位系统- 10 -3.1.1GPS组成与定位原理- 10 -3.1.2基本观测量及其误差分析- 13 -3.1.3GPS定位分类- 16 -3.1.4 GPS测量数据处理- 17 -3.1.5 GPS的应用- 19 -3.2 工程控制网的测设- 21 -3.2.1工程控制网的分类与作用- 21 -3.2.2 控制网布设形式- 21 -3.2.3工程控制网的基准与建立方法- 25 -3.
10、2.4平面坐标系的选择与确定- 26 -3.2.5工程控制网的技术设计、选点与埋石- 29 -3.3工程控制网的数据处理- 31 -3.3.1GPS野外数据采集- 31 -3.3.2GPS工程控制网的平差与转换- 32 -3.4工程控制网的优化设计- 38 -3.4.1控制网的优化设计内容- 38 -3.4.2 具体案例分析- 40 -3.4.3控制网优化方案- 54 -第 4 章 设计方案在工程实例中的应用- 57 -4.1 任务来源及工作量- 57 -4.2 测区概况- 58 -4.3 布网方案- 59 -4.3.1 技术设计的依据与基准设计- 59 -4.3.2 方案设计的技术分析- 6
11、0 -4.3.3 GPS网的设计及施测方法- 60 -4.3.4 方案比较- 64 -4.3.5 所选方案的精度分析- 66 -4.4 选点与埋标- 68 -4.4.1 选点- 68 -4.4.2 标志埋设- 69 -4.5 外业观测- 70 -4.5.1 外业作业原则- 70 -4.5.2 观测时段的选择- 70 -4.5.3 外业作业方案- 72 -4.5.4 观测工作的主要技术指标- 74 -4.6 数据处理- 74 -4.6.1 粗加工- 74 -4.6.2 数据预处理- 75 -4.7 结束语- 77 -第 5 章 结论与展望- 78 -5.1 总结- 78 -5.2 进一步需要研究
12、的工作- 78 -致 谢- 80 -参考文献- 81 -附 录- 83 -外文资料及译文- 86 -毕 业 设 计 任 务 书- 102 -设计（研究）进度计划表- 105 -第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1前言1.1.1GPS与控制网概述 全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24
13、颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。 该系统由美国政府于20世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用
14、SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入误差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。 GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度，也引起了广大测量工作者的极大兴趣。全球定位系统（GPS）在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速发展。当初，设计GPS系统的主要目的是应用于导航、收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅可以到达上述的目的，而且用G
15、PS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级的精度的静待相对定位，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米级的时间测量。因此，GPS系统展现了及其广阔的应用前景。 大地控制网简称“大地网”，是水平控制网与高程控制网的总称。水平控制图用三角测量和导线测量建立，配合天文测量、重力测量、高程测量，并归算到参考椭球面上，以推算出各大地点的大地坐标，作为平面位置的基本控制。高程控制网用水准测量建立，结合天文测量、重力测量，推算出各水准点的高程，作为高程的基本控制，简称为“水准网”。GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中 。时至今
16、日，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。 我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里， 其主要任务是做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学研究工作服务，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 GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至 几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。1.1.2国内外现状 GPS作为新一代卫
17、星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，发展全球定位系统（GPS）已经成为各国导航技术现代化的标志。全球定位系统（GPS）的迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。全球四大卫星定位系统:美国GPS：由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务。欧盟“伽利略”：1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略
18、”卫星定位系统。今年该计划正式启动。俄罗斯“格洛纳斯”：尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。中国“北斗”：2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。 在卫星与地面站之间信号的传送方式上，美国GPS的卫星信号上传和控制部分均处于同一个波段，而伽利略全球卫星定位导航系统则有3个波段分别
19、传送，因此可使地面系统在任何时候都可以同任何一个卫星进行信号传递。此外，美国GPS只有28颗卫星，而伽利略全球卫星定位导航系统由30颗卫星组成，因此全球覆盖面更广，并且卫星定位的精度也比GPS提高了10倍以上，可以达到1至3米左右。 现在大家所熟悉的美国GPS由于在建立之初是应用于军事，因此对民用领域有许多限制。例如目前GPS的精度虽然可以达到10米以内，但美国考虑到本国的利益，对国际上开放的民用精度只有30米，而且可在任何时间以任何借口中断服务。伽利略计划的实施，将结束美国GPS在世界上的垄断局面。据了解，从现在到2005年，伽利略计划将完成卫星和地面组成设备的研发和仿真测试工作；在2006
20、年至2008年，将发射卫星，并进行地面台站的安装调试。2008年，伽利略全球卫星定位导航系统将正式投入商业运行。伽利略卫星导航系统特许经营说明会,日前在北京举行。本次会议的主要目的是向中国各界全面推介伽利略系统特许运营的概念,为伽利略系统在中国的运营准备条件。包括欧洲伽利略联合执行体、国家遥感中心、中国伽利略卫星导航有限公司,以及由Alca-tel和EADS在内的欧洲7家集团组成的全球伽利略系统特许运营商(GOC)参加了会议。中国政府相关部委、中外工业界、科技界、金融界等相关企事业单位,也派代表出席了说明会。中国作为第一个非欧盟成员国参加了伽利略卫星导航计划,并承诺向该计划投入2亿欧元,其中7
21、000万欧元由政府出资,用于支持中国参与该计划开发验证阶段的工作;中方企业还将参与未来伽利略计划特许经营(GOC),并将投入其余的1.3亿欧元,用于开展部署阶段的工作。目前,除中国外,以色列、印度等国家都已经参与伽利略计划。 伽利略系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。伽利略的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。 作为大地测量的科研任务是研究地球 的形状及其随时间的变化，因此建立全球覆盖的坐标系统一的高精度大地 控制网是大地测量工作者多年来一直梦寐以求的。直到空 间技术和射电天文技术高度发达，才得以
22、建立跨洲际的全球大地网，但由于VLBI、SLR 技术的设备昂贵且非常笨重，因此在全球也只有少数高精度大地点，直到GPS技术逐步 完善的今天才使全球覆盖的高精度GPS网得以实现，从而建立起了高精度的（在1-2CM） 全球统一的动态坐标框架，为大地测量的科学研究及相关地学研究打下了坚实的基础。1991年国际大地测量协会（LAG）决定在全球范围内建立一个IGS（国际GPS地球动力学服务） 观测网，并于1992年6-9月间实施了第一期会战联测，我国借此机会由多家单位合作，在全国范围内 组织了一次盛况空前的“中国92 GPS会战”，目的是在全国范围内确定精确的地心 坐标，建立起我国新一代的地心参考框架及
23、其与国家坐标系的转换参数；以优于10-8量 级的相对精度确定站间基线向量，布设成国家高精度卫星大地网的骨架，并奠定地壳运动及地球动力学研究的基础。 作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家A级网的基础上建立了国家 B级网（又称国家高精度GPS网）。布测工作从1991年开始，经过5年 努力完成外业工作，内业计算已基本完成，不日将公布使用。全网基本均匀布点，覆盖 全国，共布测730个点左右，总独立基线数2200多条，平均边长在我国东部地区为50km，中部地区为 100km，西部地区为150km，经整体平差后，点位地心坐标精度达0.1m，GPS基线边长 相对中误差可达 2.0*1
24、0e-8，高程分量相对中误差为3.0*10e-8。 新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架，将在国民经济建设中 发挥越来越重要的作用。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统天文大地网进行了 全面改善和加强，从而克服了传统天文大地网的精度不均匀 ，系统误差较大等传统测量手段 不可避免的缺点。通过求定A、B级GPS网与天文大地网之间的转换参数，建立起了地心 参考框架和我国国家坐标的数学转换关系，从而使国家大地点的服务应用领域更宽广。 利用A、B级GPS网的高精度三维大地坐标，并结合高精度水准联测，从而大大提高了确定我国大地水准面的精度，特别是克服我国西部大地水准面存在较
25、大系统误差的缺陷。 区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的特点 是控制区域有限（或一个市或一个地区），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，建立区域大地控制网的手段我国已基本被GPS技术所取代。就其作用而言分为建立新的地面控制网；检核和改善已有地面网；对已有的地面网进行加密；拟合区域大地水准面。1.1.3课题研究的目标和意义 本课题研究的目标：以实际设计效率高而且耗费少为原则。在能保证实测网质量要求的前提下以最经济为原则，这就要合理地确定重复设站率以及具体
26、地分配网点上的重复设站次数，找出针对不同工程提出最适合工程的控制网优化方案。 GPS控制网的优化设计是实施GPS测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性方面,寻求GPS控制网设计的最佳方案。 所谓优化设计就是在复杂的科研和工程问题中，从所存在的许多可能决策中选择最好决策的一门科学。在现代特种精密工程测量中，反负有重大责任的测量工作，都需要首先进行控制网的优化设计。控制网的优化设计的目的即质量标准要求，一般体现在以下几方面：（1） 满足控制网的必要精度标准；（2） 满足控制网有多的多余观测，以控制观测值中粗差影响的可靠性标准；（3） 满足控制网有充分控制观测值中系统误差影响的可测定性标
27、准；（4） 变形监测网应满足监测出微小位移的灵敏度标准；（5） 造标及观测等应满足一定的费用标准。总之，控制网的优化设计必须有以定量形式表达的关于精度、可靠性、可测定性、灵敏度以及费用等各类数学模型。1.2课题研究的主要内容 本课题主要是研究讨论了RTK技术在施工测量中控制网的优化设计，GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。 近年来由于GPS系统进一步稳定和完善,计算机技术和其他相应学科的迅猛发展,GPS技术也随之愈来愈稳定成熟,该项技术优点日益凸现,其在测绘精度、速度和经济效益方面都大大优于目前的常规测量技术
28、手段,已成为工程测量的主要方法。对于级别高的控制测量由相对静态定位技术完成,而随着RTK接收机价格的合理性,应用RTK技术进行实时定位可达到厘米级的精度,很多生产单位已把RTK技术作为低等级测量的主要手段。在具体的实践生产过程中,由于受传统控制思路,以及现行规范不匹配的影响,相应资料较少,导致基于RTK的GPS控制网效益还没有达到最优化。还存在如网形的布设形式、提高精度的方法、衡量精度指标等问题尚需要研究。在论文第1章，主要是介绍了国内外对课题的研究现状；在论文第2章，提出本课题的研究目标；在论文第3章，主要是介绍控制网的布设并提出自己的控制网优化方案；在论文第4章，根据本人在论文中提出的优化
29、方案应用于具体的工程实例，通过在工程实例中的应用，得出采用本文的作业设计方案进行外业施测,时间短,观测费用低,而且精度高,可靠性强。在论文第5章，主要是对课题研究的总结与在控制网优化方面还存在的值得深入研究的地方。- 25 -第 2 章 控制网优化设计概述第 2 章 控制网优化设计概述2.1控制网布设优化基本概念工程控制网优化设计的作用,是使所求解的控制网的图形和观测纲要在高精度、高可靠性及低成本意义上为最优。控制网的优化设计指标包括精度、可靠性和经济费用指标。精度指标一般通过精度约束函数来满足。可靠性分为内部可靠性和外部可靠性,常用的指标有:观测量的多余观测分量、可发现粗差的能力等。这些指标
30、均对某些特定的条件有显著作用。根据工程控制网的特点,其可靠性指标可用平均可靠率来表示: （2-1-1）式中,r为多余观测数,n为总观测数。控制网的费用标准一般可用下式表示 S=CP （2-1-2）式中C称为费用系数,它是目前优化设计中最难确定的参数,也是数学优化设计方法中有待进一步研究的课题。P为观测值的权。通常,用观测次数的多寡来表征同一量纲观测量精的费用,可用线性函数表示,而补充或删除一个观测量与增减重复观测次数的费用之间的函数关系则较难确定.。控制网最终的优化结果,是各个阶段优化设计的总和。因此,在各个阶段的优化设计上不必强求同时满足精度、可靠性和费用指标,而最后的优化设计结果中达到这三
31、指标便可。因此,首先利用控制网的完全观测图形,在一定的平均可靠率和精度约束下,解算最佳的观测图形,然后在此图形设计的基础上求解满足精度约束条件、费用最省的观测方案,这样,分两步将控制网图形与观测纲要优化设计用解析法直接求解。 网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值
32、精度以及观测方案的设计。 零类设计是控制网参考系或基准的设计问题,它包括数据处理的方法和坐标系的选择,不同用途的控制网选择不同的数据处理方法。 一类设计是控制网的网形设计问题,是在预定测量精度的前提下,确定最佳的点位概略坐标和联系方式。控制点的设计位置,主要受工程的需要及地形和设备条件的制约,有些因素目前还很难用数学的方式表示。而控制网的图形(即控制点之间的联系方式)对网的图形强度影响较大,它是一类设计的主要研究内容。 二类设计是控制网在图形固定的前提下,寻求最佳的精度配置,它是控制网优化设计的热点问题。 三类设计则是对已有控制网的改善,它一般要包含零类、一类和二类设计。在工程测量中,施工控制
33、网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。除特别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的 软件功能和进行优化设计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信
34、椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形(增加或减少网点)等方法重新作上述设计计算，直到获取一个较好的结果。2.2 RTK的控制网布设优化 近年来由于GPS系统进一步稳定和完善,计算机技术和其他相应学科的迅猛发展,GPS技术也随之愈来愈稳定成熟,该项技术优点日益凸现,其在测绘精度、速度和经济
35、效益方面都大大优于目前的常规测量技术手段,已成为工程测量的主要方法。对于级别高的控制测量由相对静态定位技术完成,而随着RTK接收机价格的合理性,应用RTK技术进行实时定位可达到厘米级的精度,很多生产单位已把RTK技术作为低等级测量的主要手段。在具体的实践生产过程中,由于受传统控制思路,以及现行规范不匹配的影响,相应资料较少,导致基于RTK的GPS控制网效益还没有达到最优化。还存在如网形的布设形式、提高精度的方法、衡量精度指标等问题尚需要研究。 随着科学技术的进步和人类社会的发展，工程结构愈来愈复杂，其施工建设对测量的精度要求亦越来越高。对于建筑施工而言，普通工程测量的测量精度多在厘米级水平，采
36、用常规测量手段和方法就可满足工程施工要求；而精密工程测量则要求在毫米乃至毫米以下，若采用常规测量手段和方法则难以达到精度要求。事实上，精密工程测量一直是工程测量界关注的对象，因为精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，是促进工程测量学科发展的动力。精密工程测量是指绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到10um，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作。精密工程控制网的作用是在工程施工前（设计阶段）、施工中（施工阶段）以及施工后（竣工运营阶段）的各个不同的阶段对被测量（放样）点、线和面提供可靠的测量基准。1）控制网的布设 精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大
37、地测量和常规工程测量控制网。首先表现在控制网的设计上，必须先进行网的优化设计。考虑到后期变形测量的需要，控制网的优化设计通常要同时涉及到精度、可靠性和灵敏度指标设计。设计中，要求尽可能地进行多余观测，以增强网的内部可靠性（增加观测值多余观测分量），有利于观测值粗差定位和方差分量估计。对于采用GPS布网，就要求对网作精心布设，注意地面观测条件，并且采用精密星历解算基线。对于精密工程来说，尽量不采用单纯的GPS网，将GPS网与边角网同时联合解算是一个不错的选择，但要注意GPS网与地面网边之间的精度匹配以及地面边角测量精度匹配的影响，当然成本会相应增大，这还有待实践的进一步检验。在实践中工作中，按以
38、下步骤进行优化设计：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量的指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时可按观测值的内部可靠性指标删减观测值，若某个观测的多余观分量太大，说明该观测值显得多余，应删去；若很小，则该观测值的精度不宜增加。根据这种方案很容易得到一个最优方案。2）测量仪器和控制网的实施 目前几乎所有精密工程测量都采用高精度的全站仪（1-2mm+1-2ppm）和各种高精度GPS接收机，以及高精度水准仪（0.5-1.0mm/km），为控制网的实施提供技术保障。值得重视的是，所有的仪器设备和设施，在测量前均应进行所
39、有项目的鉴定检核，以便于在后续的数据处理中进行各项必要的改正。如全站仪的测角内外符合精度，边长的加乘常数和周期误差，水准仪的i角误差和透镜运行误差，GPS的相位偏心误差等。原则上所有的测量控制点均应不受变形因素影响,通常埋设至基岩层，以确保点位稳固，用钢筋混泥土现场浇铸，并采用强制归心装置，以消除对中误差。作业要求至少按工程测量规范二等要求施测。长度和水准需进行必要的往返观测，借以减弱其综合观测误差。此外，照准误差不能忽视，根据我们的经验，多数粗差的产生往往是照准上出现问题。与常规控制不同的另一方面，需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控制点是否稳定。3） 内业数据处理 精密工
40、程控制网涉及的数据处理内容较多，相对其它较复杂一些，概括起来分三个部分。一是坐标系和投影面的选择。多数情况一般采用地方独立坐标系，若考虑到今后的需要，还应和国家控制网进行联测。选择地方独立坐标系主要是有利于施工放样的方便，为了反映网的内部实际精度而不受起始点误差的影响，也经常选择一个已知点和一个已知方向来作为网的起算数据。二是数据的预处理，边角网涉及的数据预处理项目有：数据整理，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化，闭合差验算等。水准测量包括数据整理，尺长改正、水准面不平行改正，闭合差验算等。三是网的平差，由于观测值涉及到多个不同类型和来源，通常采用按方差分量估计进行定权平
41、差。 方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模型，或者说更为准确地知道模型参数的随机性质，这是平差理论上的要求。过去我们经常忽略它，取代的是我们的经验，这对精度要求不高的控制网来说是允许的。但对精密工程控制网来说必须对多种观测量进行综合处理，这可从后面的实例和参考文献得到应证。因此，方差分量估计已成为精密工程测量平差的必备内容。 计算过程中，我们还应密切注意观测值改正数的变化。对于较大的改正数要采取措施，较好的办法是用巴尔达的数据探测法对观测值进行处理，其作法是每次只对一个较大的改正数（如大于3.5倍的中误差）所对应的观测值进行处理，直到所有的改正数均小于某一个阀值。稳健估计法虽具有抵抗多
42、个粗差影响的优点，但不易对多个粗差同时进行定位和定值。第 3 章 全球定位系统与控制网的技术设计第 3 章 全球定位系统与控制网的技术设计3.1全球定位系统3.1.1GPS组成与定位原理（1） 组成 GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星);地面控制部分地面监控系统; 用户设备部分GPS 信号接收机。1）空间部分 GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得
43、在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码 ;一组称为P 码 ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。2）地面控制部分 地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控
44、站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。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
45、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。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。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和
46、机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。（2） 定位原理 1)GPS信号介绍 GPS卫星使用L波段的两种载波:来发射卫星信号。L1载波：f1=15410.23=1575.42MHz，波长为1=19.032cmL2载波：f2=12010.23=1227.6MHz,波长为2=24.42cm
47、（式中：10.23MHz为时钟基本频率）在载波L1和L2上分别调制着测距码和数据码及其他导航定位信息，主要有： (a) 粗码C/A码 C/A码的码长为1023位，周期为1ms，是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它被调制在L1载波上，是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。由于每颗卫星的C/A码都不相同，因此，可用它们的PRN号来区分。由于C/A码的码长很短，易于捕获，所以C/A码除了作为粗测码外，还作为GPS卫星信号的捕获码，并由此过渡到捕获P码，它是普通用户来测定测站点到卫星间距离的一种主要信号，其测距精度最高达0.1m。 (b) 精码P(y)码 P码是GPS卫星的精测码，码率为10.23MHz。它同时被调制在L1和L2载波上，是由两个伪随机码的乘积得到的，其周期为7天。因美国实施限制政策，在P码上增加了一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止一般用户使用。