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1、中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本（专）科毕业论文（设计）题目：GPS技术在公路测量中的应用 学习中心： 赣州学习中心 学 号： 097F28103007 姓 名： 廖小明 专 业： 测绘工程 指导教师： 张鲜化 2013 年 2 月 19 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本（专）科毕业论文（设计） 学生姓名： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 指导意见： 修改意见： 指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本（专）科毕业设计（论文） 学生姓名
2、： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 评阅意见： 修改意见： 毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、修改后答辩、不同意答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本（专）科毕业论文GPS技术在公路测量中的应用，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（
3、签字）： 日期：年月日摘 要GPS技术应用于公路测量是公路外业勘测的一项重大技术革命,其应用及开发的前景十分广阔。尤其是实时动态(RTK)定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力。本文介绍了RTK技术的发展由来,并对传统测量技术与RTK测量技术进行比较,得出了RTK技术在公路测量中的应用优势。 关键词 :公路测量;应用GPS;RTK;静态定位;动态定位 大纲1、 引言二、GPS基础知识1.1 GPS简介（GPS的基础知识）1.2 GPS技术和传统技术相比的优点三、技术3.实时动态（RTK）定位技术简介3.RTK技术的优点3.GPS-RTK的使用方法测区七参数的求取设立GPS-RTK基准站设置G
4、PS-RTK移动站测量软件设置内业整理3. GPS-RTK技术的测量在实际应用中的问题3.GPS-RTK的精度分析四、技术在公路测量中的应用4.1 技术在公路测量中的应用4.2 RTK测量技术与传统测量技术在公路测量中的比较 各种控制测量 地形测图 放样五、结论致谢一、引言全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的
5、24颗GPS卫星星座己布设完成。 GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS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。GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在公路工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。二、GPS基础知识 1.1 GPS的基础知识全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天性、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS对常规测量而言的
6、相对测量，其原理是采用载波相位测量局域差方法：在接收机之间求一次差，在接收机和卫星历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度；求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模型。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK测量以其快速实时、厘米级精度等特点广泛应用于数据采集（如碎部测量）与工程放样中。RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。GPS 测地型接收设备是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，双频机能以L2观测值修正电离层
7、折射影响，最适宜于中、长基线（大于20km）测量，具有快速静态测量的功能，可升级为RTK功能；单频机适宜于小于20km的短基线测量，对于一般工程测量具有良好的性能价格比。RTK系统由GPS接收机设备、无线电通讯设备、电子手簿及配套设备组成，整套设备在轻重化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点，完全可以满足数据采集和工程放样的要求。鉴于GPS系统在轨卫星数有限，在对空通视受遮挡的条件下，不能保证正常解算，影响定位的精度和可靠性。实践表明，单频GPS系统由于多环境的制约，存在着很大的局限性。随着俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）的不断完善，利用GLONASS来改善GPS性能的双
8、星座系统(GLONASS)已由美国Ashtech公司研制成功，这种全天候、全地域、高精度的系统为用户提供了更为完善的接收设备，成为双星座系统的接收设备GPS接收设备的新水平。1.2 GPS技术和传统技术相比的优点(1)观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障三角网的良好图形，这一直是经典大地测量在实践方面的困难之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不需要建造觇标，同时也使点位的选择变得甚为灵活。不过，也应指出，GPS测量虽然不要求测站之间相互通视，但必须保持观测站以上空间开阔，以使接收GPS卫星的信号不受干扰。(2)定位精度高。现已完成的大量实验表明，GPS-RTK的精度已
9、经可以满足大比例尺地形图测绘的要求。(3)观测时间短，效率高。目前，完成一条基线的精密相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13h，为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，对于快速定位方法的应用正受到广泛的重视。近年来发展的短基线(例如不超过20km)快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。(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GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影以及导航中的应用提供了重要的高程数据。(5)操作简便，自动化程度高。GPS测量的自动化程度很高，
10、在观测中，测量员的主要任务只是安装并开关仪器，量取仪器高和监视仪器的工作状态。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。另外，GPS用户接收机一般重量较轻，体积较小，携带和搬运更方便。(6)成本低、经济效益高。国内外大地测量实测资料表明：用GPS定位技术建立控制网，比常规大地测量技术节省70 80 的外业费用，这主要是节省了造标的费用及工作效率的提高，从而使工期大大缩短。随着GPS接收机性能和价格比的不断提高，经济效益将更加显著。(7)全天候作业。GPS观测工作可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。三、技术3.实时动态（RTK）定位技术简介实时动态（RTK）
11、定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS（RTKGPS）技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知，无论静态定位还是准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后，所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性，这样一来就降低了GPS测量的工作效率。 实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，成为无线数据通讯的实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考
12、站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。3.RTK技术的优点1. 实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果（包括高程）。2. 彻底摆脱了由于粗差造成的返工，提高了GPS作业效率。3. 作业效率高，每个放样点只需要停留12s，流动站小组作业，每小组（34人）可完成0.81.5km的地形图测绘，其精度和效率是常规测量所无法比拟
13、的。4. 在中线放样的同时完成中桩抄平工作。5. 应用范围广，可以涵盖公路测量（包括平、纵、横）施工放样，监理，竣工测量，养护测量，GIS前端数据采集诸多方面。6. 如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。3.GPS-RTK的使用方法测区七参数的求取 (1)使用已有控制点的GPS静态数据(三个以上控制点)；(2)现场采集，通过键人三个以上控制点的地方坐标，在这些点上采集WGS-84坐标，求取控制点范围内的转换参数；(3)模拟反算(应用于象本文所述的丹东港测区，不能直接求取七参数的)，根据当地的高程异常值和已有水准点的水准高求取出假定大地坐标点的水准高，从而
14、求取七参数。 设立GPS-RTK基准站(1)周围没有遮挡的开阔地方，以使能尽可能接收更多的GPS卫星信息；(2)远离无线电发射源、高压线及水面，尽可能减少电磁波干扰及多路径效应；(3)尽可能将基准站设置在地势较高的地方，能增加基准站无线电的发射距离。在实际测试中，GPS-RTK作用距离能达到二十公里以上。设置GPS-RTK移动站在测量船上设立移动台时，应将GPS接收天线直接安装在测深仪换能杆上，免除GPS同测深仪的定位中心偏差；并量取准确的GPS接收天线中心至测深仪换能器中心的固定距离。在设置流动站时电台频率应该和参考站频率相同，将天线高设置为0米，输出格式为GGA数据。测量软件设置在疏浚工程
15、测量中应用的测深软件是CESHEN(无验潮测量软件)。它可以选择输入高程异常改正(若应用了七参数就不需要了)和坐标转换，并在设置测量参数中可以直接键人GPS-RTK接收天线中心至测深仪换能器中心的固定距离(也可以不输入，而在后处理中进行改正)。内业整理无验潮测量软件的后处理功能同常规测量后处理基本相似，它生成的是每条测线的DAT文件，可以在CASS50软件中直接导人成图。3. GPS-RTK技术的测量在实际应用中的问题RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此，在较长距离下(单频10km，双频30km)
16、，经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊度。所以，为了保证得到满意的定位精度，传统的单机的RTK作业距离都非常有限。高精度的GPS实时差分定位是目前最广泛使用的测量技术之一。但是，它的应用受到了电离层和对流层影响的限制，这些影响在原始数据中产生了系统性的误差。1.电离层传播误差。GPS卫星信号在通过电离层时，受到这一介质弥散特性的影响，使得信号传播路径发生变化，与对流层传播误差对流层折射对观测值的影响，因而产生观测误差。2.多路径误差。GPS接收机天线除了接收直接来自卫星的信号外，还可能接收到天线周围的物体一次或多次反射的卫星信号，这
17、些信号会相互叠加，从而使观测值偏离真值产生误差，这种误差被称为多路径误差。多路径效应对测相伪距的影响可达厘米级，有时甚至造成卫星信号的失锁，使得载波观测量产生周跳。实践中，这意味着流动站(移动站)接收机和参考站之间的距离不得不减小许多，以保证系统有效地工作。3.与接收机有关的误差（1）接收机的钟误差与卫星钟一样，接收机钟也有误差。而且由于接收机中大多采用的是石英钟，因而其钟误差较卫星钟更为显著。该项误差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。（2）接收机的位置误差在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生
18、系统误差。该项误差对测码伪距观测值的影响是相同的。进行GPS基线解算时，需已知其中一个端点在WGS-84坐标系中的坐标，已知坐标的误差过大也会对解算结果产生影响。（3）接收机的测量噪声这是指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。一般而言，测量噪声的值均小于上述的各种偏差值。观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。4其它因素GPS控制部分人为或计算机造成的影响；由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等；数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。3.GPS-RTK的精度分析从网络论坛、各类文献及众
19、多测量应用结果分析，GPS-RTK技术的测量误差分布均匀，相互独立，不存在误差积累，精度可靠度较高。通过采用二次初始化后的观测值能够有效地控制粗差出现的概率，另外，加大控制点的检核力度，也能很好解决RTK成果的可靠性问题。RTK技术采用求差法降低了载波相位测量改正后的残余误差及接收机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响，使测量精度可以达到厘米级，工程实践也证明了这一点。四、技术在公路测量中的应用4.1 技术在公路测量中的应用实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集。1
20、. 快速静态定位模式要求GPS接收机基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度满足设计要求，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法（如全站仪测量），受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要510min（随着技术的不断发展，定位时间还会缩短），不及静态测量所需时间的五分之一，在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。2. 动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟（有的仪器只需210s）进行初始化工作，之后
21、流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。 动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量24s，精度就可以达到13cm，且整个测量过程不需要通视，有着常规测量仪器（如全站仪）不可拟的优点。4.2 RTK测量技术与传统测量技术在公路测量中的比较 各种控制测量 传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测,不仅费工费时,要求点间通视,而且精度分布不均匀,且在外业不知精度如何,采用常规的GPS静态测量、快速静态方法,在外业测设过程中
22、不能实时知道定位精度,如果测设完成后,回到内业处理后发现精度不合要求,还必须返测,而采用RTK来进行控制测量,能够实时知道定位精度,如果点位精度要求满足了,用户就可以停止观测了,而且知道观测质量如何,这样可以大大提高作业效率。若把RTK用于公路控制测量则不仅可以大大减少人力强度、节省费用,而且大大提高工作效率,测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。 地形测图 过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点,然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图,现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码,利用大比例尺测图软件来进行测图,甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等,都要求在测站上测
23、四周的地形地貌等碎部点,这些碎部点都与测站通视,而且一般要求至少2-3人操作,需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测。现在采用RTK时,仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上几秒钟,并同时输入特征编码,通过手簿可以实时知道点位精度,把一个区域测完后回到室内,由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图。 放样 放样是测量一个应用分支,它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来,过去采用常规的放样方法很多,如经纬仪交会放样,全站仪的边角放样等等,一般要放样出一个设计点位时,往往需要来回移动目标,而且要2-3人操作,同时在放样过程中还要求点间通视情况良好,在生产应用上效
24、率不是很高,有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样,如果采用RTK技术放样时,仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中,背着GPS接收机,它会提醒你走到要放样点的位置,既迅速又方便,由于GPS是通过坐标来直接放样的,而且精度很高也很均匀,因而在外业放样中效率会大大提高,且只需一个人操作。 五、结论GPS技术在公路测量中的应用前景随着我国国民经济的快速增长和西部大开发的实施，我国的高等级公路建设迎来前所未有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求，随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计施工、后期管
25、理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大且效率低，大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量，为勘测阶段测绘带状、路线平面、纵面测量提供依据；在施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网，这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段，其实，公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技
26、术在公路工程中的应用，有着非常广阔的前景。推广建议1 GPS静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制测量。2 生产过程中采用常规方法和GPS技术相结合生产流动可以极大地提高生产效率。3 随着GPS技术特点和RTK技术的发展，各个厂家相继推出了具有自主专利技术的仪器，其初始化时间越来越短，跟踪能力也越来越高，可靠性越来越强，有着良好的性价比，在勘察设计单位具有代替全站仪的优势，单位设备更新时应考虑这一因素。4 GPS技术在公路测量中的应用，是公路测量的一项革命性的技术革新，它将对传统的作业理念予以更新。结束语GPS在公路勘测中的应用，对高等级公路的勘测手段和作业方
27、法产生了革命性的变革，极大地提高了勘测精度和勘测效率，特别是实时动态（RTK）定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。20致 谢在导师的指导、朋友的关心以及同学的帮助之下，本次论文才得以顺利完成。首先，我要对我的导师饶德庆老师表示忠心的感谢，他不仅给了我悉心的指导和热情的帮助,他在学习和生活上给了我极大的关心和支持。在运用软件的过程中得到了他极大的帮助。在论文的思想和质量上他提出了自己宝贵的意见和建议.其次，我还要向我所在单位新疆天业道一声感谢，感谢他们提供给我一个培训的机会，没有他们的热心帮助，我就不可能如此顺利的做完本次论文。最后，凡是给予我帮助和指导的老师和同事，我也在此一并致谢。向评审本论文的各位老师表示衷心的谢意。