GPS RTK在道路桥梁中的应用常用导线的编程毕业设计

太原理工大学

毕业设计说明书

毕业生姓名 ：

专

业 ： 测绘工程

学

号 ：

指导教师

所属系（部） ：

二〇〇八年五月

太原理工大学

毕业设计评阅书

题目：GPS RTK在道路桥梁中的应用/常用导线的编程

系 测绘工程 专业 姓名

设计时间：2008 年 3月 24日~2008 年 6月 1日

评阅意见：

成绩：

指导教师： （签字）

职 务：

200 年 月 日

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太原理工大学

毕业设计答辩记录卡

系 测绘工程 专业 姓名 答 辩 内 容

问 题 摘 要 评 议 情 况 记录员： （签名）

成 绩 评 定

指导教师评定成绩 答辩组评定成绩 综合成绩 注：评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。

专业答辩组组长： （签名）

200 年 月 日

II

摘 要

当前，我国经济形势大好，国内建设飞速发展，各种大型工程(如铁路、公路、桥梁等)纷纷上马，由于常规测量技术不能满足快速、准确、高效的要求，加上GPS自身的特点，GPS在路桥工程中的应用越来越广泛，利用GPS建立路桥工程施工控制网已普遍展开。由于工程控制网的一些自身特性，使得GPS在路桥工程中的应用也有一些特殊性。本文介绍了GPS全球定位系统的建立，GPS系统的组成，GPS系统的原理，以及GPS导航定位误差，着重阐述了RTK技术的基本原理，RTK的组成及工作条件，以及RTK测量的精度和误差来源，并结合具体的例子——GPS-RTK在苏通长江大桥中的应用，详细阐述了RTK技术在桥梁施工方面的应用，通过分析例子说明RTK技术的优点并提出了RTK技术作业过程中存在的一些问题，和它在测量方面局限性和今后的发展方向。

关键词：GPS； RTK技术； 工程测量；桥梁；

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Abstract

At present， our country the economic situation be greatly good, the local construction flies to soon develop, various large engineering(like railroad, highway, bridge...etc.) ascends a horse in succession, because of normal regulations measure the technique can't satisfy quickly, accurate, efficiently of request, plus the characteristics of GPS oneself, the GPS is in the road bridge application within engineering more and more extensive, make use of the engineering construction of the GPS establishment road bridge control net already widespread launch.Because the engineering control is some oneself characteristics of the net, make the GPS also have some special in the road bridge application within engineering.This text introduced the establishment of fixed position system in the GPS world, constitute of GPS system, the principle of the GPS system, and the GPS navigate fixed position error margin, emphasized to elaborate the RTK technical basic principle, constitute of RTK and work condition, and RTK measure of accuracy and error margin source, and combine concrete example-GPS-RTK an application within Yangtze River Bridge at Su, elaborated in detail the RTK technique starts construction in the bridge aspect of application, pass analysis example to explain the advantage of RTK technique and put forward a little bit existent problems in the RTK technique homework process, limit the development direction in sex and aftertime with it in the aspects of measure.

Key words : GPS；RTK； Surveying engineering；Bridge；

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目 录

第一篇 GPS RTK在道路桥梁中的应用 ............................................................................ 1 第一章 GPS(全球定位系统)简介 ................................................................................ 1 第一节 GPS的发展历史 ............................................................................................. 1 第二节 GPS定位系统的组成 .................................................................................... 3 一、GPS空间卫星星座 .............................................................................................. 4 二、地面控制部分 ..................................................................................................... 5 三、用户部分 ............................................................................................................. 5 第三节 GPS定位系统的特点和应用领域 ................................................................. 6 一、GPS的特点 .......................................................................................................... 6 二、GPS的应用领域 .................................................................................................. 7 第二章 GPS定位的基本原理及误差来源和影响 ....................................................... 8 第一节 GPS定位的基本原理 ..................................................................................... 8 一、概述 ..................................................................................................................... 8 二、伪距测量定位 ..................................................................................................... 9 三、载波相位测量定位 ........................................................................................... 10 四、差分GPS定位 ................................................................................................... 10 第二节 GPS定位误差来源和影响 .......................................................................... 13 一、与卫星有关的误差 ........................................................................................... 13 二、与信号传播有关误差 ....................................................................................... 14 三、与接收机有关误差 ........................................................................................... 16 第三章 RTK测量的基本原理 ..................................................................................... 18 第一节 RTK操作的流程框图 ................................................................................... 18 一、RTK基准站的操作流程 .................................................................................... 18 二、RTK 测量流动站的操作流程 ........................................................................... 19 三、RTK放样流动站的操作流程 ............................................................................ 19 第二节 RTK测量系统及其作业精度的影响因素 ................................................... 20 一、RTK测量系统的构成 ........................................................................................ 20 二、实时动态差分RTK的最低配置 ....................................................................... 20 三、接收机的一般标称精度要求 ........................................................................... 21 四、RTK主要物理性能要求 .................................................................................... 21 五、建议的扩展功能和特点 ................................................................................... 21 六、RTK作业精度的影响因素 ................................................................................ 22 第三节 RTK技术的特点 ........................................................................................... 22 一、RTK技术的优点 ................................................................................................ 22 二、RTK技术存在问题与不足之处 ........................................................................ 23 第四章 GPS RTK在道路桥梁中的应用 ........................................................................ 24 第一节 概述 .............................................................................................................. 24 一、GPS在道路桥梁中的应用 ................................................................................ 24 二、RTK技术在道路桥梁测量中的应用 ................................................................ 25 第二节 GPS控制网的内业设计 ............................................................................... 26

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一、GPS网技术设计的一般原则 ............................................................................ 26 二、影响GPS测量技术设计的因素 ....................................................................... 28 三、GPS控制网的图形设计 .................................................................................... 29 四、技术指标 ........................................................................................................... 29 第三节 GPS控制网的外业设计 ................................................................................. 30 一、选点要求 ........................................................................................................... 30 二、埋石 ................................................................................................................... 31 三、外业观测 ........................................................................................................... 31 第四节 GPS控制网的外业实施 ................................................................................. 32 一、仪器准备 ........................................................................................................... 32 二、人员组织 ........................................................................................................... 33 三、仪器安装 ........................................................................................................... 33 四、野外观测 ........................................................................................................... 34 第五节 数据传输与数据处理 .................................................................................. 34 一、数据传输 ........................................................................................................... 34 二、数据处理 ........................................................................................................... 35 第六节 GPS基线解算 ............................................................................................... 37 一、单基线解算 ....................................................................................................... 37 二、多基线解算 ....................................................................................................... 37 第七节 基线解算结果的质量评定指标 .................................................................. 38 一、单位权方差因子 ............................................................................................... 38 二、方根误差 ........................................................................................................... 38 三、数据删除率 ....................................................................................................... 39 四、RATIO ................................................................................................................. 39 五、RDOP ................................................................................................................... 39 六、同步环闭合差 ................................................................................................... 39 七、异步环闭合差 ................................................................................................... 39 八、重复基线较（互）差 ....................................................................................... 40 第八节 影响GPS基线解算结果的因素 .................................................................. 41 一、影响GPS基线解算结果精度的主要因素有 ................................................... 41 二、应对措施 ........................................................................................................... 41 第五章 GPS - RTK技术苏通大桥中的应用 ................................................................ 43 第一节 GPS - RTK技术在陆域范围的定测 ............................................................. 43 一、引言 ................................................................................................................... 43 二、对控制点的检验 ............................................................................................... 43 三、引桥桥墩桩定测及检测补测 ........................................................................... 44 四、纵断面测量 ....................................................................................................... 45 五、横断面测量 ....................................................................................................... 45 第二节 GPS-RTK技术在主桥工程施工测量中的应用 ........................................... 46 一、主桥工程施工测量的难点及采用GPS-RTK技术的必要性 ........................... 46 二、GPS-RTK技术的测量精度 ................................................................................ 47 三、南主塔墩基础工程GPS-RTK技术施工测量方案与实施 ............................... 48 四、结论 ................................................................................................................... 51

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第二篇 常用导线的编程 ................................................................................................. 52 第一节 程序设计原理简要介绍 .................................................................................. 52 一、坐标正算公式 ...................................................................................................... 52 二、坐标反算公式 ...................................................................................................... 53 三、坐标方位角的传算公式 ...................................................................................... 53 四、导线闭合差限差公式 .......................................................................................... 54 第二节 程序界面介绍及源代码 .................................................................................. 56 一、窗体1“常用导线平差”主界面及程序源代码 ............................................... 56 二、窗体2“导线类型”主界面及程序源代码 ....................................................... 57 三、窗体3“附合导线起算数据”主界面及程序源代码 ....................................... 57 四、窗体4“闭合导线起算数据”主界面及程序源代码 ....................................... 59 五、窗体5“观测值输入及平差结果输出”主界面及程序源代码 ....................... 60 第三节 常用导线平差程序的运用 .............................................................................. 64 一、运用常用导线平差程序计算下面附合导线例题 .............................................. 64 二、运用常用导线平差程序计算下面闭合导线例题 .............................................. 68 参考文献 .......................................................................................................................... 71 外文文献 .......................................................................................................................... 72 中文翻译 .......................................................................................................................... 78 致谢 .................................................................................................................................. 81

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第一篇 GPS RTK在道路桥梁中的应用

第一章 GPS(全球定位系统)简介

第一节 GPS的发展历史

人造卫星用于地球上点的位置确定的研究始于1959年，当时美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究子午卫星导航系统Transit，于1964年1月研制成功，可用于导航和定位。试验证明，该系统不受天气和时间的限制，只要能观测到卫星就可在地球上任何地方接收到卫星信号，进行单点定位或双点联测定位，进而可算得测站在地球坐标系中的三维地心坐标或两点间的三维坐标差，因此该系统得到广泛的应用。但是由于该系统卫星数少，每隔1－2h才能观测一次，不能实时连续定位，且只能给出两维坐标(经度和纬度)，不能给出高程;另一方面，卫星轨道低，受大气阻力及引力场的影响大，难于精密定轨，限制了定位精度。鉴于以上原因，美国国防部于1973年批准建立新一代的卫星导航系统及导航卫星测时和测距/全球定位系统，其英文为Navigation Satellite Timing And Ranging/Global positioning System，简称GPS。

GPS的发展主要经历下面四个阶段： 1.GPS系统的方案论证阶段（1974-1978）

这一阶段是提出GPS的系统构成方案，验证其可行性。1974、1977年各发射一颗概念验证卫星NTS用于验证GPS原理上的可行性，1978年发射第一颗组网试验卫星Block I、3种类型GPS接收机的研制、1处卫星地面控制设施的建立以及大量的测试项目。

2.GPS系统系统论证阶段（1979-1987）

这一阶段是GPS系统的发展阶段，完成的主要工作是发射了11颗组网试验卫星Block I(其中有一颗发射失败)和1颗工作卫星Block II、进一步完善了地面监控系统、发展了GPS用户接收机，1984年测量领域成为第一个GPS商用用户领域。

3.GPS系统建成并进入完全运作能力阶段(1988-1999)

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这一阶段GPS系统和应用都得到了迅猛发展，发射了多颗Block II和Block IIA卫星，1993年实现24颗在轨卫星的满星座运行，达到初始操作能力（IOC），即满足标准定位服务(SPS)的要求，可以为民用用户提供全球性的、连续的定位服务，定位精度为100米。1995年实现完全操作能力(FOC)，即完全实现了军用目的的精密定位服务(PPS)，定位精度为10米。

4.GPS系统现代化更新阶段（2000-2010）

根据1996年美国的总统决定建立了国防部和交通部组成的联合管理GPS事务局（IGEB），在IGEB的主持下于1997、1998年期间讨论了增加GPS民用信号，从而改进民用和商用目的的GPS状况，并与空军已经开始的计划相结合，形成了更新GPS运行要求的文献ORD（Operational Requirements Document），其内容即为目前的GPS现代化计划，并于1999年1月由美国副总统戈尔以“GPS现代化”的名称发布通告，其具体实施是以2000年5月2日取消SA政策为标志。GPS现代化的主要目的有三点：保护美国及其盟军的军用服务，防止敌方使用，保持并增强民用服务。实施时间计划如表1—1所示

表1-1 GPS现代化

实施计划项目 取消SA政策 GPS IIR 增强 L2上加C/A码 L1及L2上加M码 GPS IIF 增强 L2上加C/A码 L1及L2上加M码 L5 GPS III 增强 L2上加C/A码 L1及L2上加M码，增大信号能量L5 未来其他应用 OCS 增强 时间 2000年5月 2003-2006 2005-2010 2010- 2000-2008

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第二节 GPS定位系统的组成

GPS系统包括三大部分：空间部分（GPS卫星），地面控制部分，用户部分。GPS系统三部分组成关系如图1-1所示：

图1-1 GPS系统三部分组成关系

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一、GPS空间卫星星座

GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，如图1-2所示，两轨道之间的夹角60°，对赤道的倾角为55°，每个轨道面上布设3颗卫星，彼此间隔相等，相距120°，从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星间错动40°。卫星的平均高度为20200 km，运行周期为11h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

在GPS系统中，GPS卫星的作用如下：

1.用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断的发送导航定位信号。 2.在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。

3.接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差或启用备用时钟。

图1-2 GPS卫星星座

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二、地面控制部分

对于卫星大地测量而言，GPS卫星是以一种动态已知点描述卫星及其轨道参数，称为卫星星历，每颗卫星的星历由地面监控系统提供，另外，卫星入轨运动后，它的“健康”状况如何，也需地面设备进行监测和控制。

地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监控站。主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。它的主要功能是：收集各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等；根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历，时钟改正，状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站；监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星。

监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。 三、用户部分

对于GPS信号的用户而言，主要分为静态定位和动态定位，两者的用户设备均叫做GPS信号接收机，或称为GPS卫星定位仪。

GPS信号接收机的基本结构如图1-3所示，可概括为天线单元和接收单元两大部分。天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成。接收单元信号波道是核心部件，是一种软硬件相结合的有机体，它具有的波道数目从1至7个不等。数据记录器是在野外作业过程中用来记录接收机所有采集的定位数据，以供测后数据处理之用。视屏监控器包括一个视屏显示窗和一个控制键盘，作业员通过按键可从视屏窗上读取所要求的数据和文字。电池有机内外两种直流电源，例如WMl01接收机采用12V机内镉镍电池，或者12V外接蓄电池。

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图1-3 GPS信号接收机结构图

第三节 GPS定位系统的特点和应用领域

一、GPS的特点 GPS具有如下特点:

1.不受时间、地点的限制

GPS卫星能够覆盖全球，即在地球上任一位置、任一时间都至少能同时观测到四颗卫星，因此，不论白天还是黑夜、无论是海上、天空还是在陆地上均可随时进行定位、授时等服务。

2.不受天气限制

无论是雨雪还是风雾的天气均可进行GPS定位服务，因此，在恶劣气候环境下也能进行GPS定位，保证用户在恶劣气候环境下按时顺利地完成任务。

3.实时定位

对导航用户而言，需要实时知道自己所处的位置。利用子午卫星系统要测若干段时间后才能获得定位结果;而GPS利用实时的观测数据获得实时的定位结果，具有实时性。

4.无需通视

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对常规测量而言，点与点之间只有通视才能进行测量，而GPS用于测量的一个显著优点就是点与点之间无需通视，只要各测量点能接受到卫星信号就可进行定位，因此，可以避免许多过渡点，不仅给测量工作到来许多方便、节省许多费用，而且能够提高测量精度。

5.定位精度高、速度快、经济效益高

在导航及测量领域，GPS与常规方法相比，具有精度高、速度快、操作简单、自动化程度高等优点，由此带来了很好的经济和社会效益。 二、GPS的应用领域

随着GPS定位技术的发展，其应用领域不断拓宽，应用技术水平迅速提高，已展现出广阔的前景。目前，GPS己广泛的应用于海空导航、车辆诱导、导弹制导、精密定位、工程测量、动态观测、设备安装、时间传递、速度测量等方面。

在导航方面主要用于海上船舶导航、空中飞机引航、陆地汽车诱导、监控指挥系统(公安、银行等部门)、港湾及内河导航、机器人及其它机器引导等方面，而且还成功的应用于运动目标的监控、管理与营救。尤其对军事动态目标的导航，更具有重要的意义，如在1991年的海湾战争中，以美国为首的多国部队，装备各种类型的GPS接收机达17000余台，成为赢得海湾战争胜利的重要技术条件之一，被称为作战武器的“效率倍增器”。在测量方面，GPS定位技术可应用于大地测量、工程测量、工程与地壳变形观测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测绘等领域。如在我国全国范围内建立了A级及B级GPS网。而城市控制网测量上GPS也取代了传统作业方法。在工程测量方面，GPS已广泛应用于布设精密工程控制网、城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通、线路控制及水下地形、水文、石油勘探等方面。而无地面控制的机载GPS航空摄影测量也有着良好的应用前景。因此GPS技术为导航、定位服务带来了很大的变化。

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不需要实时数据通信链，在事后将事后差分 参考站观测值和流动站观测值下载并引入到数据处理软件进行差分处理。 利用某一区域内的多个基准站的观测数据进行综合分析，实时求出适合于流动站的电离层、对流层延迟网络RTK 改正值，并生成载波相位差分改正信号，利用RTK技术求得流动站坐标，其作用距离从单参考站的15km增长到80km。 利用覆盖大范围的GPS台站构成网络，将覆盖区域划分为格网形式，实时求解各个格网点的电离层延迟、精确的卫星轨道参数和钟差，广域网差分 并把这些信息上传到地球静止通信卫星，再由通信卫星向地面播发，用单频接收机接收GPS卫星信号和通信卫星的改正信号后进行定位计算，这种方式可实现全球范围内的1m精度的定位。

与相应类型的实时差分精度相当 与RTK精度相当 平面坐标0.5m, 高程1m 第二节 GPS定位误差来源和影响

GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可分为下列三类： 一、与卫星有关的误差

与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的卫星钟误差和轨道偏差

（一）卫星钟误差

卫星钟差是指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别。为了保证时钟的精度，GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间的偏差和漂移总量仍在1ms～

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0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km。这是一个系统误差必须加于修正。

（二）卫星轨道偏差

估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。

应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。

在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下三种方法： 1.忽略轨道误差

这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。 2.采用轨道改进法处理观测数据

这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它未知数一并求解。 3.同步观测值求差

这一方法是利用在两个或多个观测站一同对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更加明显。

这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。 二、与信号传播有关误差

与卫星信号传播有关的误差主要包括电离层折射误差、对流层折射误差和多路径效应

（一）电离层折射的影响

电离层是指地球上空大气圈的上层，距离地面高度在50km至1000km之间的大气层.GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。 为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施：

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1.利用双频观测

由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能确定其影响，对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。尤其是精密定位测量。 2.利用电离层模型加以修正

对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75％。 3.利用同步观测值求差

这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20km)，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。

（二）对流层折射的影响

对流层是指高度为40km以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状态变化也更复杂。对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线(<50km)，湿分量的影响较小。

关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法： 1.定位精度要求不高时，可不考虑其影响。 2.采用对流层模型进行改正；

3.采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远(<20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响

（三）多路径效应影响

多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参

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考点（相位中心点)位置的变化，从而使观测量产生误差，如图2－2所示：而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。

图2-2 多路径效应

目前减弱多路径效应影响的措施有：

1.安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面、平整的建筑物表面．另外测站不宜选在山坡、山谷和盆地中，附近不应有高层建筑物等。 2.选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。

3.适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。 4.改善GPS接收机的电路设计，减弱多路径效应的影响。 三、与接收机有关误差

与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差、载波相位观测的整周不定性和几何图形强度影响。

（一）观测误差

观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。 根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位要小，由于此项误差属于偶然误差，适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。

接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。

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（二）接收机的钟差

尽管GPS接收机均有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。

处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。

（三）天线的相位中心位置偏差

在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。

在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。需要提及的是，安置各观测站的天线时，均亦按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。

单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 （四）载波相位观测的整周未知数

载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定载波相位整周数，因而存在整周不定性问题。 此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。

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第三章 RTK测量的基本原理

RTK技术(real time kinematic)即载波相位差分技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。其测量的基本原理，如图3一l所示。即在基准站上设置一台GPS接收机，对所有可见GPS进行连续观测，并将其相位观测值及坐标信息，通过无线电设备，实时地发送给用户观测站。用户站上的GPS接收机，在同步接收GPS卫星信号的同时，通过无线电设备，接收基准站传输的观测数据及坐标信息，然后根据相对定位原理，实时提供用户站的三维坐标，其精度能达到厘米级。

图3一1 RTK原理示意图

第一节 RTK操作的流程框图

RTK操作包括基准站的操作和流动站的操作两部分。 一、RTK基准站的操作流程：

在基准站安置好仪器 GPS接收机设置 基准站设置 18

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二、RTK 测量流动站的操作流程：

三、RTK放样流动站的操作流程：

连接流动站背包 GPS接收机设置 读入基准站坐标 流动站设置 点测量 观测点位坐标下载 设计好放样点坐标文件 设计坐标文件上装 连接流动站背包 GPS接收机设置 读入基准站坐标 流动站设置 点位放样 实测放样点坐标 实测点位坐标下载 19

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第二节 RTK测量系统及其作业精度的影响因素

一、RTK测量系统的构成

RTK测量系统主要由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统构成。 （一）GPS接收设备

在基准站和用户站上，应分别设置双频GPS接收机。因为双频观测值不仅精度高，而且有利于快速准确地解算整周未知数。当基准站为多用户服务时，其接收机的采样率应与用户接收机采样率最高的相一致。 （二）数据传输设备

数据传输设备(也称数据链)，由基准站的无线电发射台与用户站的接收台组成，它是实现实时动态测量的关键设备。数据传输设备，要充分保证传输数据的可靠性，其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离、环境质量、数据的传输速度。 （三）软件系统

支持实时动态测量的软件系统的质量和功能，对于保障实时动态测量的可行性，测量结果的可靠性和精确性具有决定意义。这种软件系统突出的功能是能够快速解算整周未知数，能选择快速静态、准动态和实时动态等作业模式，实时完成对解算结果的质量分析和评价。

二、实时动态差分RTK的最低配置

--------参考站：参考站由GPS双（单）频接收机、GPS天线、数据发送电台、天线、电源、脚架等部分组成。

--------流动站：流动站由GPS双（单）频接收机、GPS天线、数据接收电台、天线、电源、背包、HUSKY手控器、对中杆等组成。

支持实时动态差分的软件系统及各项工程测量应用功能。

参考站接收机设在具有已知坐标的参考点位上，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去。

流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自参考站的数据，通过OTF算法解求载波相位整周模糊度，再通过相对定位模型获取所在点相对参考站的坐标和精度指标。

OTF算法是RTK的关键技术，OTF算法很多，不同厂家生产的动态GPS接收机使

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用不同的OTF算法。一般来说，首先，在未知点的近似坐标和协方差 的基础上，确定整周模糊度的搜索空间，在搜索空间内计算所有可能的模糊度解；然后，通过比较最小方差，选择最可能的解；最后，通过比较最优解和次优解，决定最后的模糊度解。 三、接收机的一般标称精度要求

1.RTK的定位精度一般为平面10mm+2ppm，高程20mm+2ppm；

2.RTK作用距离： 标称：15Km； 一般应为：10Km左右(与当地环境有关) 。 四、RTK主要物理性能要求

1.标准12V电源（推荐），功耗低。 2.体积小，重量轻。

3.工作温度范围大，并防水、防尘、防晒、防震。 4.有功能强劲的处理软件。

5.冷启动:60秒，热启动:10秒，再捕获:1秒。 6.存储器容量大(最好是内存与PC卡都有)。 7.定位数据更新速率：10次/秒。

8.数据输出有 RTCM-SC104 、NMEA 0183两种格式。 9.参考站或流动站可以互换（建议）。

10.24通道C/A码、P码及L1/L2载波相位接收机。 五、建议的扩展功能和特点

1.具备L2 上C/A码、第三个民用GPS频道L5、WAAS、INMARSAT等功能，并内置WAAS和EGNOS。

2.双频系统（GPS+GLONASS）。

3.操作方便、性能稳定可靠、故障率低、可靠性高(优于 99.99%)。

4.数据链能同时支持多种数据通信手段接收来自参考站的信息。如UHF、GSM信号方式或者任意通信方式的组合来建立数据链的系统。

5.RTK测量在30km范围内精度可达到2cm以下。 6.可连接其他外部测量设备，形成超站仪。 （一）应有的主要功能模块

系统配置设置、作业计划、项目管理、数据输入、数据处理、椭球设置、地图投影、地球模型、处理报告、网的设计与最小二乘平差、代码和属性清单、调阅与编辑、坐标转换、GIS、CAD输出。

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（二）从软件工程设计角度要求 1.软件应为多用户、多界面的操作系统。

2.输出数据格式可以用户定义，可兼容其它品牌GPS的数据，可直接输出其它应用软件的数据格式，不需编制格式转换软件。

3.数据处理能以自动和人工两种方式进行。 4.能够对数据成果进行科学的整体评价。 六、RTK作业精度的影响因素

RTK作业模式能否顺利进行，取决于数据链的稳定性与作用距离，其中的关键是调制解调器的配置与RTK的数据处理，设备的架设与数据链如图7一2所示。

图3-2 RTK作业模式的数据链示意图

由信号流程图可知影响数据链的稳定性，进而影响作业精度的因素有如下几个方面:

1.卫星信号的接收; 2.参考站的选址;

3.参考站电台本身的发射性能: 4.GPS信号发射、接收天线的性能;

5.设备的架设，尤其是GPS天线与电台发射、接收天线的架设; 6.环境电磁信号的干扰。

第三节 RTK技术的特点

一、RTK技术的优点

1.RTK测量保留了所有经典GPS功能。如静态测量，快速静态测量等，观测数据亦可采用后处理的方式。静态测量数据后处理的方式，是高精度控制测量中的理想方

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法。由于后处理定位和实时定位可以同时进行，所以能做到彼此互补，发挥各自特长。

2.经典的GPS测量因不具备实时性，而不能用来放样，放样工作还得配备传统的测量仪器，RTK测量弥补了这一缺陷。放样精度可达到厘米级。

3.实现 RTK测量的关键技术之一是快速解算载波的整周未知数。用经典的静态相对定位法，解得整周未知数并达到足够精度，往往需要 1h甚至更长的时间。在RTK测量中，尽管初始化时间和长短受到跟踪观测的卫星数，几何图形强度、多路径效应、电离层干扰等诸多因素影响，但已可在数分钟之内完成。

4.由于RTK测量成果是在野外观测时实时提供，因此能在现场及时进行检核，避免外业工作返工，例如，整周未知数初始化情况和测点点位精度等信息均可在作业现场进行核对。

5.能够接收到GPS信号的任何地点，全天24h均可进行实时GPS测量的放样。 6.完成参考站的设置后，整个系统只需一人持流动站接收机操作。也可设置几个流动站，利用同一参考站观测信息各自独立开展工作。 二、RTK技术存在问题与不足之处

1.卫星可见度问题。在不能被卫星很好地覆盖地区、高山峡谷深处及密集森林区、高楼林立的闹市区，RTK的使用受到限制。

2.外界干扰问题。易受到障碍物如大树、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，精度会受到影响。RTK所必需的用于传送参考站观测数据的无线电信号，由于受到干扰，衰减严重，同样功率的电台信号的传送距离比无阻挡时短得多，会严重影响外业精度和作业半径。

3.初始化的问题。在山区、林区、闹市区作业时，GPS卫星信号被阻挡机会多，容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。

4.电力供应问题。需要多块大容量存电电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应缺乏或偏远作业区受到限制。

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第四章 GPS RTK在道路桥梁中的应用

第一节 概述

一、GPS在道路桥梁中的应用

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。

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

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三维坐标，而不再需要外控点测量取得了良好的效果。 二、RTK技术在道路桥梁测量中的应用 （一）实时动态(RTK)定位技术简介

实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS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由于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，建立无线数据通讯是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。

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。 （二）应用

最新的RTK技术在道路桥梁测设中具备以下几个功能和作用。

1.绘制大比例尺地形图。高等级公路选线多是在大比例尺(1:1000或1:2000)带状地形图上进行。用传统方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点，只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟，即可获得每点的坐标、高程。结合输入的点特征编码及属性信息，构成带状所有碎部点的数据，在室内即可用绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，因此大大降低了测图难度，既省时又省力，非常实用。

2.道路中线放样。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路中线在地

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面上标定出来。采用实时GPS测量，只需将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的，不会产生累计误差，各点放样精度趋于一致。道路路线主要是由直线、缓和曲线圆曲线构成。放样时，我们只要先输入各主控点桩号，然后输入起终点的方位角a1、a2，直线段距离D1、D2，缓和曲线距离LS1、LS2，圆曲线半径R，这样就可以很轻松放样了，而且一切工作均由GPS电子手簿来完成。这种方法简单实用，比起传统的弦线拨角法要快速得多。另外，如果你需要在各直线段和曲线段间加桩，只需输入加桩点的桩号就行了，剩下工作由GPS来完成。

3.道路的横、纵断放样和土石方量计算。纵断放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设；横断放样时，先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖)，然后把横断面设计数据输入到电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高)，生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以自动与地面线衔接进行“戴帽”工作，并利用“断面法”进行土方量计算。通过绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图来。因为所用数据都是测绘地形图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。而且必要时，可用动态GPS到现场检测复合，这与传统方法相比，既经济又实用，前景又广阔。

第二节 GPS控制网的内业设计

GPS控制网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的《全球定位系统(GPS)测量规范》及建设部颁发的《全球定位系统城市测量技术规程》。 一、GPS网技术设计的一般原则

（一）充分考虑GPS控制网的应用范围

对于工程建设的GPS网，应当既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑到施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制网，既要考虑近期建设和规划的需要，又要考虑远期发展的需要，还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建成为联有监测三维

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形变功能的控制网。这样监测GPS网既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网在城市建设中的作用。

（二）采用分级布网的方案

分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，由于GPS测量具有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设，但有计划地分级布设GPS网，有利于测区的近期需要和远期的发展。例如，大城市的GPS控制网可以分为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1km-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。

为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成为由独立的GPS基线向量边（简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，但网中不允许存在支线。

（三）GPS测量的精度标准

GPS测量的精度标准常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为

σ = a + bd （4-1）

式中 σ————距离中误差，mm a————固定误差，mm b————比例误差系数，10?6 d———— 相邻点的距离，km

国家测绘局1992年制订的我国第一部《GPS测量规范》，将GPS的测量精度分为 A - E 5级（见表4-1）。其中A，B两级一般是国家GPS控制网，而C， D，E3级则是针对局部性GPS网规定的，在GPS网的技术设计中，应根据测区大小和GPS网的用途来设计网的等级和精度标准。

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表4-1 GPS的测量精度

固定误差a/mm 比例误差系数b/10-6 相邻点最小距离/km 相邻点最大距离/km 相邻点平均距离/km （四）坐标系统和起算数据

A ≤5 ≤0.1 B ≤8 ≤1 C ≤10 ≤5 D ≤10 ≤10 E ≤10 ≤20 100 15 5 2 1 2000 250 40 15 10 300 70 15-10 10-5 5-2 GPS采用的1984年世界大地坐标系（world geodetic system，WGS84坐标系）是一个协议坐标系，其空间直角坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向国际时间局（BIH1984.0）定义的地极方向。而实用上需要得到的是参心坐标系，在我国即1980年国家大地坐标系和1954年北京坐标系（或地方独立坐标系）的坐标，“参心” 意指参考椭球的中心。为此，在GPS网的技术设计中，必须有GPS网的成果所采用的坐标系和起算数据，即GPS网所采用的基准，或称之为GPS网的设计基准。

GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定；方位基准可以通过给定起算方位角决定，也可以GPS基线向量的方位为方位基准；尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。

二、影响GPS测量技术设计的因素

GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑：

1.同测站有关的因素：网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计。

2.同观测卫星有关的因素：观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高

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度角；星历来源。

3.同仪器有关的因素：接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。

4.后勤方面的因素：动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。 三、GPS控制网的图形设计

对于常规方法布设的三角网、三边网或导线网，图形设计是非常重要的一项工作。良好的图形设计可以减少野外选点的工作量，节省造标的经费，也为得到较高精度的成果打下基础。由于GPS的同步观测不要求通视，因此，GPS网的图形设计也具有很大的灵活性。

1.所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。

2.GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密。

3.GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。

4.考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为精确求定转换参数，(GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。 四、技术指标

按照规范要求，其控制网的精度符合如下规定。相临点间的最小距离保持为平均距离的1／2～1／3；相临点间的最大距离保持为平均距离的2～3倍。其主要技术要求见表4—2：

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表4-2 GPS网的主要技术要求

等级 二等 三等 四等 一级 二级 平均距离(km) 边长中误差(m) 9 5 2 1 ＜1 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 15

最弱边相对中误 1／120000 1／80000 1／45000 1／20000 1/10000 第三节 GPS控制网的外业设计

一、选点要求

由于GPS测量观测站之间不—定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，点位的选择应符合下列要求。

1.点位周围应视野较开阔，如公园、运动场、地面停车场内或建筑物楼顶，以利于安置接收设备和扩展、联测。

2.GPS网点视场内不应有大于仰角15°的成片障碍物，以免阻挡来自卫星的信号接收。

3.选定能便于长期保存，稳定坚固的地方设点，国家和地方基准点应埋设固定的标石或仪器墩用于安置接收机天线、墩标设于楼顶时，要对大楼的稳定性和形变定期监测。

4.GPS网点应避开高压输电线、变电站等设施，其最近处不得小于100m，同时距离省市级强辐射电台、电视台、微波中继站不得小于300m，需要在这些地点设站时，必须在停止播发的时间段上进行定位作业。

5.交通便利点位离开附近可通轻便车的道路不应超过500m，且在点位30m内有足够的空间安置接收机和方便操作进行。

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6.GPS网点应避开对电磁波接收有强烈吸收和反射影响的金属和其他障碍物，侧面倾向测站的各种平面物体，大范围水面等等。 二、埋石

由于时间要求，埋石拟与选点同时进行。根据现场具体情况，采用埋预制标石和现浇混凝土两种形式，不管采用哪种形式标石及标志规格应符合规范要求。埋设时坑底填以沙石，捣固夯实，考虑到天气的因素，现浇混凝土应适当添加防冻剂并应做好防冻措施。 三、外业观测

外业观测采用四台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS~卫星接受机，GPS接收机标称精度的固定误差a≤5 mm，比例误差系数b≤2*10?6。进行同步观测。观测前应对接受机进行各项相关检验，确认仪器性能良好。根据GPS网形设计编制作业调度表，作好人员和交通工具的配备。观测者应根据GPS作业调度表的安排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角150，时段长度45min，采样间隔10 s。在4个点上同时安置4台接收机天线(对中、整平、定向)，量取天线高，测量气象数据，开机观察，当各项指标达到要求时，按接收机的提示输入相关数据，则接收机自动记录，观测者填写测量手簿和外业观测记录，并应随时监视仪器的状态，发现不良反应，及时报告或记录案。观测要求按照下表进行测量。

表4-3 GPS测量作业基本技术要求

项目 卫星高度角 有效卫星数 平均重复测站数 时段长度 历元间隔 图形强度因子

观测方法 静态 静态 静态 静态 静态 静态 技术要求 ＞15度 ＞4颗 ＞1.6 ＞45分钟 10秒 ＜6 31

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第四节 GPS控制网的外业实施

一、仪器准备

此次C级控制网的建立所采用的仪器是南方NGS9600型GPS接收机，该接收机是以四台套进行工作。所以作业以前准备四个三脚架，四台接收机，四个盒尺。 （一）GPS接收机的选用

对于不同的GPS网的类级和控制等级，精度要求不一，此处提出选用接收机的基本要求，见表4-4：

表4-4 接收机的选用

级别 单频/ 双频 标称 精度 A 双频 B 双频 C 双频 单频 D、E 双频 单频 a≤10mm， b≤3 a≤5mm， b≤0.5 a≤5mm， b≤1 a≤10mm， b≤2 观测量 载波相位或载载波相位或载 载波相位或载 载波相位或载 波相位+P（Y） 波相位+P（Y） 波相位+P（Y） 波相位+P（Y） 码伪距 码伪距 码伪距 码伪距 同步观测接收机数

≥4 ≥3 ≥2 ≥2

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南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图4-1：

图 4-1

（二）接收机及附属设备的检验与维护

1.接收机、天线及其他设备是否完整齐全，可随时出测。 2.各设备及电缆外部有无损伤、锈蚀，能否确保安全连接。

3.充电后信号灯、按键、显示系统以及仪表工作是否正常，可用自测试命令进行测试。

4.用于A、B级的接收机，每年出测前至少检定一次，按规范要求应在不同长度的标准基线或规定的比较基线或GPS测量检验场上进行测试。

5.新出厂的A、B级GPS观测的接收设备应进行天线相位中心稳定性检验，经检验或更换插板的接收机，有关检验和试测项目需要重新进行。

6.通风干湿表及空盒气压表，至少每三年送检一次，天线的圆水准气泡和光学对中器每年至少进行一次检校。 二、人员组织

每台接收机必须有一个人进行操作，为了全面加强控制测量工作的领导，测量队伍还成立了职员组和技术指导组。

职员组的主要任务是在进行测量时负责操作仪器及看管仪器。

技术指导组的任务是具体负责组织控制测量实施过程中的的重大技术性问题。 三、仪器安装

将准备好的三脚架架到已经选好的待测点上，将接收机安装到三脚架上对中、整

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平。量取天线高，开机进入工作阶段。 注：本次观测采用的作业模式是静态定位模式：

1.作业方法：采用四台接收设备，分别安置在基线的两个端点同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟。

2.精度：基线的定位精度可达5mm+lppm。

3.注定事项：所有已观测基线组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠性。并通过平差，助于进一步提高定位精度。 四、野外观测

野外观测应严格按照技术设计要求进行。

1.安置天线:天线安置是GPS精密测量的重要保证。要仔细对中、整平、量取仪器高。仪器高要用钢尺在互为120°方向量三次，互差小于3 mm。取平均值后输入GPS接收机。

2.安置GPS接收机:GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。

3.操作： 按规定时间打开GPS接收机，输入测站名，卫星截止高度角，卫星信号采样间隔等。GPS接收机记录的数据有：GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻及伪距观测值和载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。

4.检查： 一个时段测量结束后要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误再关机、关电源、迁站。

第五节 数据传输与数据处理

一、数据传输

观测完毕即可进行数据传输，数据传输是内业工作的基础工作，在数据传输过程中必须严格按软件的操作程序进行操作，要认真的对待这一过程。本次观测数据传输，是将NGS9600型GPS接收机与计算机连接，使用相应的软件进行数据传输和处理。

（一）连接计算机和GPS接收机前的准备 1.保证NGS9600型主机电源充足，打开电源

2.用通讯电缆连接好电脑的串口1(COMl)或串口2(COM2)。

3.要等待(约10秒钟)9600主机进入主界面后再进行连接和传输(初始界面不能

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传输)。

4.设置要存放野外观测数据的文件夹，可以在数据通讯软件中设置。 （二）进行通讯参数的设置

1.选择“通讯”菜单中的“通讯接口”功能，系统弹出一个通讯参数设置对话框。 2.在通讯参数设置对话框中选择通讯接口COM1或COM2，鼠标单击“确定”按钮。 （三）连接计算机和GPS接收机

选择“通讯”菜单中的“开始连接”功能或直接在工具栏中选择“连接”。如果在第二步中设置的通讯参数正确系统将连接计算机和GPS接收机，在程序视窗的下半部分显示GPS接收机内的野外观测数据。如果通讯参数设置不正确，请重复第二步的操作。

（四）数据传输

1.选择“通讯”菜单中的“传输数据”功能，系统弹出一个GPS数据传输对话框。 2.在GPS数据传输对话框中选择野外的观测数据文件，鼠标单击“开始”。 （五）断开连接

选择“通讯”菜单中的“断开连接”功能或直接在工具栏中选择“断开”，即可断开计算机和GPS接收机的连接。

例如要将数据保存在E盘根目录下JT文件夹中，则可以进行如下操作： 1.打开E盘根目录下JT文件夹； 2.选定欲传输的数据（如2113点数据）

3.GPS数据传输对话框中可更改点名、仪器天线高、时段号。

4.然后鼠标左键点击“开始”，该点上采集的数据“2113”将传输到你指定的E盘根目录下JT文件夹。

5.断开连接。 二、数据处理

GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用GPS数据处理软件。经过基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的三维坐标。 （一）处理过程符合下列技术要求：

同一时段观测值基线处理中，二、三等数据采用率都不宜低于80%，同步环的相

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对闭合差和全长相对闭合差应符合下表4-5规定：

表4-5 同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定（ppm）

等级 限差类型 相对闭和差 全长相对闭合差 观测成果检验

1.每个时段同步环检验:同一时段多台仪器组成的闭合环，坐标增量闭合差应为零。由于仪器开机时间不完全一致，会有误差。在检核中应检查一切可能的环闭合差。其闭合差分量要求不超过限差。

2.同步边检验：一条基线在不同时段观测多次，有多个独立基线值，这些边称为重复边。

3.异步环检验

在构成多边形环路的基线向量中，只要有非同步观测基线，则该多边形环路称为异步环。异步环检验应选择一组完全独立的基线构成环进行检验，应符合限差要求。 （二）补测与重测

为了满足成果的精度和统一性当一个控制点不能与两条合格独立基线相连接时，则必须在该点上补测或重测不少于一条独立基线。 （三）GPS网平差处理

当各项质量检核符合要求时，应以所有独立基线组成闭合图形，进行控制网平差，平差时应遵循以下规定：

1.各观测时段均首先进行一个起算点的三维无约束平差，基线向量的改正数（VΔx、VΔy、VΔz）的绝对值均≤42mm。

2.在三维无约束平差确定的有效观测量基础上，应在所选用坐标系下进行约束平差。在基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差（d VΔx、dΔy、dΔz）均≤28mm。约束点的已知点坐标，已知距离，已知方位可

2.0 3.0 3.0 5.0 6.0 10.0 9.0 15.0 9.0 15.0 二等 三等 四等 一级 二级

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作为强制约束的固定值，平差结果应输出选用坐标系中的三维坐标。同时应输出基线向量改正数，基线边长，及成果的精度信息。 （四）GPS高程拟合方法

高程拟合采用附加地形改正的曲面拟合法。本项目导线网联测四等精度以上水准点4个，且分布均匀，通过4个水准点正常高与三维平差得到的同名点大地高做比较，来检核高程异常值变化。确保高程成果的精度满足项目设计的要求。由于本测区地形多为山地，高程起伏大，又由于GPS高程拟合受地形变化的影响大，拟合精度存在不稳定因素，对全网的高程精度会有所影响，在时间和其它条件具备的情况下，可以考虑对部分控制点采用直接水准方法，以提高全网的高程成果精度，满足后期施工的要求。

（五）基线解算

对于两台及两台以上接收机同步观测值进行独立基线向量(坐标差)的平差计算，称为基线解算，也称观测数据预处理。

第六节 GPS基线解算

一、单基线解算

1.定义：GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，只要保证所选的这条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。

2.特点：单基线解算算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。 二、多基线解算

1.定义：与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。

2.特点：多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。

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3.利用基线解算软件解算基线向量的过程：

第七节 基线解算结果的质量评定指标

一、单位权方差因子 1.定义：

VTPV?0??f

2.实质：反映观测值的质量，又称为参考方差因子。越小越好。 二、方根误差 1.定义：

VTVRMS?n

其中，V是观测值的残差，P是观测值的权，n观测值的总数。

2.实质：表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，则越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。

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三、数据删除率

1.定义：在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个或值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。

2.实质：数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，说明观测值的质量越差。 四、RATIO

1.定义：RATIO值为在采用搜索算法确定整周未知数参数的整数值时，产生次最小的单位权方差与最小的单位权方差的比值。

2.实质：反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件 的好坏有关。 五、RDOP

1.定义：所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹平方根，即：

RDOP?(tr(Q))12

RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对于某条基线向量来讲， 其RDOP值的大小与观测时间段有关。

2.实质：表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。 六、同步环闭合差

1.定义：同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。

2.实质：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。

3.限值：

七、异步环闭合差

WX?nnn?，WY??，WZ?? 5551.定义：由独立基线所组成的闭合环称为异步闭合环，简称异步环。异步环的闭

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合差称为异步环闭合差。

2.实质：当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。

3.限值：

WX?3n?，WY?3n?，WZ?3n?，W异?33n?

八、重复基线较（互）差

1.定义：不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较（互）差。

2.实质：当重复基线较（互）差满足限差要求时，则表明这些基线向量的质量是合格的；否则，则表明这些基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多重条件进行。

3.限值

W互?22? 其中上面各限值中：n：闭合环边数；

σ：相应级别GPS网规定的精度，见表2（按实际平均边长计算）

表4-6 不同等级GPS网的精度标准

固定误差／mm 比例系数误差系数 相邻点最小距离／km 相邻点最大距离／km 相邻点平均距离／km

A ≤5 ≤0.1 100 1000 300 B ≤8 ≤1 15 250 70 C ≤10 ≤5 5 40 15～10 D ≤10 ≤10 2 15 10～5 E ≤10 ≤20 1 10 5～2 40

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第八节 影响GPS基线解算结果的因素

一、影响GPS基线解算结果精度的主要因素有：

1.解算时所设定的起点坐标不准确，起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。

2.少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定

当卫星的观测时间太短时，会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将影响整个基线解算过程。

3.在整个观测时间段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善。 4.观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大。 5.对流层或电离层折射影响较大。 二、应对措施

（一）影响GPS基线解算结果因素的判别

对于影响GPS基线解算结果因素，有些是比较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等；但对于另外一些因素却不好判别了，如起点坐标不明确。 1.基线起点坐标不准确的判断

对于由起点坐标不准确所对基线解算质量造成的影响，目前还没有比较容易的方法来加以判别，因此，在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。

2.卫星观测时间短的判别

关于卫星观测时间短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对于每个卫星的观测数据的数量就可以了，有些数据处理软件还输出卫星的可见性，这就更直观了。 3.周跳太多的判别

对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前，大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值，当在某测站对某颗卫星

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的观测值中含有伪修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。

4.多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别

对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是像周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过一周，但却又明显地大于正常观测值的残差。 （二）应对措施

1.基线起点坐标不准确的应对方法

要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，然后，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。

2.卫星观测时间短的应对方法

若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。

3.周跳太多的应对方法

若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。

4.多路径效应严重的应对方法

由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。

5.对流层或电离层折射影响过大的应对方法

对于对流层或电离层折射影响过大的问题，可以采用下列方法：

（1） 截止高度角，删除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据。但这种方法具有一定的盲目性，因为高度角低的信号，不一定受对流层或电离层的影响就大。

（2）分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。

（3）如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。

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