GPS在工程测量中的应用研究

武汉大学

毕 业 设 计（论文）

题目：GPS 在工程测量中的应用研究

专 业： 地理信息与地图制图

学 院 ： 武汉大学资源与环境学院

学 号： [1**********]9

姓 名： 何子菇

论文指导教师： 石玉婷

摘要

GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS 定位技术以其速度快、精度高、全天候，不受通视条件限制、费用少、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。应用GPS 卫星定位技术建立的控制网叫GPS 网, GPS 网可以分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS 网，其主要任务是作为全球高精度坐标框架过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，或地壳变形规律问题。另一类是区域性的GPS 网，包括城市霍矿区GPS 网，GPS 工程网等，这类网的相邻点间的距离为几公里至几十公里，起主要任务是直接为国民建设服务。 本文通过GPS 建筑工程测量应用，总结GPS 在工程测量中的特点及测量经验。

关键字：GPS ；GPS 网的布设；坐标系

目录

专 业： 地理信息与地图制图 . ............................................................................................... I 学 院 ： 武汉大学资源与环境学院 . ....................................................................................... I 学 号： [1**********]9 . ........................................................................................................... I 姓 名： 何子菇 . ............................................................................................................... I 论文指导教师： 石玉婷 . ............................................................................................................... I 摘要 ................................................................................................................................................. II 目录 ................................................................................................................................................ III

第一章 绪论 . .................................................................................................................................. 1

1.1研究背景及意义 . ................................................................................................................ 1

1.2国内外研究现状及应用 . .................................................................................................... 2

1.3 研究目的及内容 . ............................................................................................................... 3

第二章GPS 测量原理 ..................................................................................................................... 5

2.1GPS 的应用及发展 ............................................................................................................. 5

2.2GPS 的结成 ......................................................................................................................... 6

2.2.1 空间星座部分 . .................................................................................................... 6

2.2.2地面控制部分 . ......................................................................................................... 6

2.2.3用户部分 . ................................................................................................................. 7

2.3GPS 定位原理及分类 ......................................................................................................... 7

2.4高程测量原理 . .................................................................................................................... 9

2.5坐标系统及坐标系的转换 . .............................................................................................. 10

2.5.1坐标系统 . ............................................................................................................... 10

2.5.2坐标系的转换 . ....................................................................................................... 12

第三章GPS RTK测量基本原理 . .................................................................................................. 13

3.1RTK 的基本介绍 . .............................................................................................................. 13

3.2RTK 的基本工作原理 . ...................................................................................................... 13

3.3RTK 作业流程 . .................................................................................................................. 14

3.4RTK 误差来源 . .................................................................................................................. 14

第四章GPS 控制网的布设方法 ................................................................................................... 15

4.1GPS 网的布设方法 ........................................................................................................... 15

4.2GPS 网的多路径效应 ....................................................................................................... 16

第五章GPS 在工程测量中的应用实例分析 ............................................................................... 17

第六章 结论 . .................................................................................................................................. 20

致 谢 ............................................................................................................................................ 22

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System的字头缩写词的简称。它是利用卫星导航实时测距和测时构成全球定位系统。它是1973年12月，由美国国防部以及海、路、空三军联合研制的新一代卫星导航系统，主要用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。GPS 是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统, 它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性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,GPS 技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用, 并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。 在测量领域最早应用于地形、高程、等级控制网点的测量，现在仍然应该于这些重要领域，在其它测绘领域也硬功频繁。比如：用于各类型的工程施工放样、测图、变形监测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中的数据采集工作。在国家各种类型、各种等级的控制网的布设中以基本取代了传统的测量方式，成为主要的技术手段。国家GPS A 级控制网于1992年由国家测绘局、中国地震局等单位开始布测，全网27个点，平均边长约800km 。1996年国家测绘局进行了A 级网的复测，经全网整体平差后，地心坐标精度优于0.1m ，点间水平方向的相对精度优于2×，垂直分量相对精度7×10。布设A 级网的目的就是在全国范围内确定精确的地心坐标，建立起我国新一代地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数, 作为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，在国家人级网的基础上，建立了国家B 级网。新布设的A 、B 级GPS 控制网成为现代化大地测量和基础测绘的基础框架。

GPS 技术作为现代化测量中最主要的测量手段，它具有不需要通视、不受天气影响、能够直接或得三维坐标等优点外，还可以节省大量的时间和人力，所以GPS 技术成为大地测量最重要的测量手段。

GPS （全球定位系统）在车辆导航、变形监测、航空航天等方面得到了广泛的应用。由于其的独特性，GPS 测量技术在水利水电测量中也有广阔的应用。由于GPS 测量仪在水利水电工程中的应用，测量不再受到地形地势等条件的影响，通过控制测量的观测方法和布局类型，大大减少了传统测量中的传算点和过度点的测量工作，使控制选点变的较为灵活。并且控制测量也可以不受到时间、天气等自然条件的影响了。

现在，GPS 定位技术除了广泛应用于飞机和水面船只的导航定位外，在陆地道路导航定位系统中也或得了越来越广的应用。随着我国道路建设和汽车工业的飞速发展，便携式的道路实时导航和监控越来越受到人们的普遍关注。如何使GPS 定位导航系统变得更加轻便、更加精确和可靠已成为人们越来越强烈的需求。

-8

GPS 定位技术离不开计算机系统，如果要实现更复杂的功能则需要更加强大的计算机系统。采用更高级的微计算机系统——嵌入式系统，就可以很好的解决超便携和高性能的矛盾。目前，市场上几乎所有的便携式GPS 定位系统、导航设备都采用嵌入式系统。

1.2国内外研究现状及应用

今年来，随着国民经济的飞速发展，我国的汽车工业和城市化进程进入了一个高速前进的阶段，GPS 定位系统的市场迅速发展壮大。以GPS 为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。在近十多年，随着全球定位系统的软件和硬件的不断发展和完善，该系统已广泛地应用于国民经济建设和科学技术的许多领域，并逐渐深入到人们的日常生活中，与此同时，人们对于GPS 的需求也越来越强烈。

随着技术的进步、应用需求的增加，GPS 独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多应用领域，使GPS 成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT 经济新增长点。

GPS 对人类活动的影响极大，应用价值极高。它可以从根本上解决人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。虽然最初GPS 卫星定位系统是为军事目的而设计，单其精密的全球定位、简便的观测、优异的实时性、良好的抗干扰性能等优点得到了广泛的应用。

GPS 应用主要分为两种类型，一种为单机应用，即采用独立的接收机做单点静态多动态定位或单点高精度定位策略。另一种则以GPS 接收机配合中心控制站，辅以无线数据通信设备，实时进行数据交换，构成GPS 应用系统。

对舰船而言，它能在海上协同作战、石油勘探、海洋捕鱼、管道铺设、暗礁定位。为海港领域等方面作出贡献。

对飞机而言，它可在飞机起飞，中途导航，着陆，空中回合、武器投掷、空中交通管制等方面进行服务。

在陆地上可用于各种车辆、坦克、陆军部队等定位，还可用于大地测量、野外考察、勘探定位。GPS 已经深入到每个人的生活之中，GPS 车辆调度监控系统已广泛应用于银行、公安、交通管制、消防等部门。

GPS 引发了测绘行业的一场技术革命，提供了一场崭新的观测手段，并能进行快速的大地定位和布设大地网。GPS 也为打造其研究和气象观测提供了重要手段，利用GPS 所测定的电离层延迟和多普勒频移延迟，可用来研究电离层的电子积分浓度、折射系数、电子浓度随高度分布。

国内GPS 市场呈现出两个重点发展趋势。

(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。

在GPS 应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS 车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后它就

成了发展的方向。

GPS 车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS 技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是安装在车辆上的GPS 接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS 接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。

以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前者是指车主离开汽车、停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏和移动时、车辆通过自身的监控系统向GPS 监控中心发出警报、并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录、甚至控制车辆断电和断油等。

(2)面向个人消费者的GPS 终端产品。 芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素使GPS 产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。 移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分。有用于集装箱等货物、车辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品、也有多功能的综合车载平台。但随着产品成本的降低与体积的微型化，市场上已出现供儿童、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用的手表类、寻人仪和儿童玩具型GPS 产品。它们可佩带在身上、嵌入老人的拐棍中、甚至植入体内。

与上述产品相比，各种个人消费类GPS 电子产品则更加接近人们的生活。有集成了GPS 芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS 手持机、GPS 手表甚至GPS 相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF卡式GPS 接收机) 式、外接(GPS接收机) 式等集成产品。目前国内市场上多见的是高明公司、麦哲伦公司、Navman 等外国公司品牌的GPS 手持机和汽车导航仪等。

1.3 研究目的及内容

GPS RTK技术作为测绘领域内的高科技技术，已经为测绘提供了有力的测量定位手段，特别是GPS RTK测量技术的发展和推广，使得GPS 测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段。扩大了GPS 测量的应用领域。本题探讨了GPS 技术和GPS RTK技术的组成、应用及特点。

载波相位差分技术即RTK 技术，它是建立在全球定位系统（GPS ）基础之上的实时动态定位技术，常规的GPS 测量方法，如静态、快速静态、动态测量、都需要事后进行结算才能

获得厘米级的精度，而RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，是GPS 应用的重大里程碑，它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

本题探讨了GPS 在建筑工程规划到实地建设后的变形监测，运用常规的测量手段和GPS RTK 技术对其位置进行检验，然后对两次测量结果进行比较，从而得出运用GPS RKT技术测量得出的结果，比全站仪常规测量手段得出的结果较原建筑设计坐标接近；从而也可以看出GPS 技术比常规的测量手段精度高、省时间。

第二章GPS 测量原理

2.1GPS 的应用及发展

GPS 定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特征被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，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，其主要任务是作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学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，包括城市或地区性的板块运动或地壳形变规律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。

这一定位技术己普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、地籍测量、航空摄影和海洋测绘、运载工具导航和管制、地壳运动监测、监测、资源勘察、地球动力学等诸多测量领域。可以认为，GPS 定位技术已经使经典的测量枯术经历了一场意义深远的变革，从而进入一个崭新的时代。精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级为目的的工程测量工作。随着GPS 系统的不断完善，其软件性能也随之不断改进。

在大地测量方面，利用GPS 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。1992年全国GPS 大会战。经过数据处理，GPS 网点地心坐标精度优于0.2m ，点间位置精度优于10。在我国建成了平均边长约100km 的GPS A 级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。

在工程测量方面，应用GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于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、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS 实时动态定位技术（简称RTK ）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。

在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS 技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、记载GPS 航测等航测成图的各个阶段。

在地球动力学方面，GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用GPS 技术监测南极洲板块、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂远动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS 形变监测网等。

GPS 技术还用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防只能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS 技术的研究和应用。 -8

2.2GPS 的结成

GPS 系统包括三大部分：空间部分（GPS 卫星星座）；地面控制部分（地面监控系统）；用户设备部分（GPS 信号卫星接收机）。

2.2.1 空间星座部分

(1)GPS卫星星座

全球定位系统的空间星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°，轨道平均高度为20200km ，卫星运行周期为11小时58分。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。上述GPS 卫星的空间分布，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS 是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

(2)GPS卫星及功能

GPS 卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m ，重约774kg ，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电。每颗卫星配置有4台高精度原子钟（2台铷钟和2台艳钟），这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS 定位提供高精度的时间标准。

全球定位系统中，GPS 只要任务是：向广大用户连续不断地发送导航定位信号；接收、储存由地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息；接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备有卫星。

2.2.2地面控制部分

GPS 工作卫星的地面控制系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。

主控站设在美国本土科罗拉多。主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS 时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏差，必须是调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。

注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星钟的改正数等信息注入到卫星中去。注入站现在又3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚、南大西洋阿松森群岛和南太平洋的卡瓦加

兰。

现有5个地面站均具有监测站的功能除了主控站外，其他4个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭哥加西亚、卡瓦加兰。监测站是在主控站控制下的数据自动采集中心，所以观测资料由计算机进行初步处理，并储存盒传送到主控站，用以确定卫星的轨道。

整个GPS 的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

2.2.3用户部分

GPS 的用户部分由GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备所组成。

GPS 接收机硬件，一般包括主机、天线、控制器和电源，主要功能是接收GPS 卫星发射的信号，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，获得必要的导航和定位信息及观测量。

用户设备一般为计算机及其终端设备、气象仪器等，主要功能是对所接收到的GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间，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，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。

数据处理软件是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

2.3GPS 定位原理及分类

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，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2.1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：

图2.1 图名

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、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 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 。

利用GPS 进行定位的方法有很多种。若按照参考点的位置不同，则定位方法可分为绝对定位和相对定位。绝对定位：即在协议地球坐标系中，利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置，也叫单点定位。这里可认为参考点与协议地球质心想重合。GPS 定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标。

相对定位：即在协议地球坐标系中，利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置。也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。由于星历误差和大气折射误差有相关性，所以通过观测量求差可消除这些误差，因此相对定位的精度远高于绝对定位的精度。

按用户接收机在作业中的远动状态不同，则定位方法可分为静态定位和动态定位。 静态定位：即在定位过程中，将接收机安置在测站点上并固定不动。严格说来，这种静止状态只是相对的，通常指接收机相对于其周围点位没有发生变化。

动态定位：即在定位过程中，接收机处于运动状态。

GPS 绝对定位和相对定位中，有都包含静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。

2.4高程测量原理

常规的三角高程测量、水准测量的点位高程是在一个起伏的封闭的大地水准面上得到的，通过常规水准测量得到的海拔高是正高。GPS 测量的点位海拔高是在椭球体表面上得到的，它是一个平滑的表面，GPS 测得的高程是大地高。

大地高和正高与大地水准面高有一种近似的关系，大地水准面高是两个参考表面间的距离，在水准点进行GPS 观测能得到大地水准面高，因为在这个点的大地高和正高通过测量可以得到。GPS 水准网测量、重力测量结合海拔高模型能构成大地水准面模型，在本区域的其它点的大地水准面高就能推算出。这些点的水准面高的精度由各种测量精度和构造模型来决定。

这个高程等式ｈ＝H ＋N 只是一个近似等式，因为正高的测量是沿着铅垂线到大地水准面，而大地高和大地水准面高的测量是沿着法线到椭球体表面。在陆地测量应用中，这个高程等式的近似误差小于1厘米。

CPS 测量的大地高受测量误差、大气传播误差、多路径误差的影响。正高受水准测量误差、重力改正误差的影响，而大地水准面受重力测量、地形高模型误差以及GPS 水准误差的影响。由于这些误差特别是大地水准面高误差的影响，使得上面高程等式导出的正高误差较大，可能达到亚米级或更大。但是，影响正高、大地高和大地水准面高的一些误差源是空间相关的，即对附近的点一般是共同的。因此，附近点间的高差的不确定性比每一点的绝对高程的不确定性要小得多。实践证明，对于短基线(小于10公里) 上的椭球高差，目前可以确定到2cm 。大地水准面高差的精度取决于重力网的密度、观测和内插的重力异常的不确定性。以美国大地水准面为例，其高差的不确定性，对于20公里以内的距离一般小于1厘米，对于20－50公里的距离一般小于2－3厘米。由GPS 导出的正高精度和大地高精度基本一样，二者的精度微小差异一般是由于大地水准面模型和用来计算高程系统之差的正高的误差引起的。

2.5坐标系统及坐标系的转换

2.5.1坐标系统 大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示。大地坐标系的确立包括选择一个椭球、对椭球进行定位和确定大地起算数据。一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球。参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系已经建立。大地坐标系亦称为地理坐标系。大地坐标系为右手系。

是以地球椭球赤道面和大地起始子午面为起算面并依地球椭球面为参考面而建立的地球椭球面坐标系。它是大地测量的基本坐标系，其大地经度L 、大地纬度B 和大地高H 为此坐标系的3个坐标分量。它包括地心大地坐标系和参心大地坐标系。

（1）WGS-84大地坐标系

WGS-84坐标系的几何定义是:原点位于地球质心，Z 轴指向BHI1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X 轴指向BIH1984.0的零子午面和CIP 赤道的交点，Y 轴与Z 、X 轴成右手坐标系。对应于WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球。WGS84椭球及有关参数采用国际大地测量和地球物理联合会第17届大会大地测量常数的推荐值，四个基本参数是:

长半轴：a=6378137±2m

地心引力常数(含大气层): G m =(3986005±0.6) ⨯108(m 3⨯s -2) 正常化二阶谐系数

c 2.0=-484.16685⨯10

-6±1.30⨯10-9(不用J 2而用c 2.0=重力场模型系数一致) ； WGS-84的地球

地球自转角速度: ω=7292115⨯10-11±0.1500⨯(rad ⨯s -1)

椭球常数为： e =0.[1**********]013

e =0.[1**********]227

a ='22

WGS-84大地水准面高N 等于由GPS 定位测定的点的大地高减该点的正高H 正。N 值可以利用地球重力场模型系数计算得出，也可以用特殊的数学方法精确计算局部大地水准面高N 。大地水准面高N 确定之后，便可利用H 正=H -N 计算GPS 点的正高H 正。

（2）国家大地坐标系

我过目前常用的两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。 ① 1954年北京坐标系

20世纪50年代，在我国天文大地网建立初期，鉴于当时的历史条件，采用了克拉索夫基椭球元素（ａ＝6378245m ，ｆ=1/298.3），并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。

几十年来，我国按1954年北京坐标系完成了大量的测绘工作，在该坐标系上，实施了天文大地网局部平差，通过高斯-克吕格投影，得到点的平面坐标，测制了各种比例尺地形图。这一坐标系在国家经济建设和国防建设的各个领域中发挥了巨大的作用。

②1980年国家大地坐标系

为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和进行了新的定位与定向，1978年以后，建立了1980年国家大地坐标系。

1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部——陕西省泾阳县永乐镇。

1980年西安大地坐标系所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采I-UGG1975年的推荐值，它们是:

椭球长半径 a=6378140m

地球引力常数 G M =3.986005⨯1014m 3⋅s -2

重力场二阶带谐系数 J 2=1.08263⨯10-3

地球自转角速度 W =7.292115⨯10rad ⋅s

椭球的短轴Z 轴平行于地球质心指向1968.0JYD 地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面；X 轴在大地起始于子午面内鱼Z 轴垂直指向经度零方向；Y 轴与Z,X 轴成为右手坐标系。

③2000国家大地坐标系

我国目前使用的1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系（有称1980西安坐标系），都是采用常规的大地测量技术建立的二维参心坐标系。随着科学技术的发展，尤其是空间技术的发展，迫切需要建立三维地心坐标系，而2000国家大地坐标系是由2000国家GPS 大地控制网、2000国家重力基本网及用常规大地测量技术建立的国家天文大地网联合平差获得的三维地心坐标系。

2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：

长半轴 a＝6378137m

扁率 f＝1/298.257222101

地心引力常数 GM＝3.986004418×1014m3s-2

自转角速度 ω＝7.292l15×10-5rad s-1

正常椭球与参考椭球一致。

2000国家大地坐标系将是全国统一采用的大地基准。

-5-1

2.5.2坐标系的转换

同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式，一种形式实际上就是一种坐标系。如空间直角坐标系（X ，Y ，Z ）、大地坐标系（B ，L ）、平面直角坐标（x,y ）等。通过坐标统的转换我们得到了BJ54坐标系统下的空间直角坐标，我们还须在BJ54坐标系统下再进行各种坐标系的转换，直至得到工程所需的坐标。

1． 将空间直角坐标系转换成大地坐标系，得到大地坐标(B,L)：

L=arctan(Y/X)

B=arctan{(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}

H=(X2+Y2)0.5sinB-N

用上式采用迭代法求出大地坐标（B ，L ）

2．将大地坐标系转换成高斯坐标系，得到高斯坐标（x,y ）

按高斯投影的方法求得高斯坐标，x=F1(B,L),y=F2(B,L)

3．将高斯坐标系转换成任意独立坐标系，得到独立坐标（x ’,y ’）

在小范围内测量，我们可以将地面当作平面，用简单的旋转、平移便可将高斯坐标换成工程中所采用坐标系的坐标(x’,y ’) ，

x ’=xcosα+ysinα

y ’=ycosα-xsin α

第三章GPS RTK测量基本原理

3.1RTK 的基本介绍

常规的GPS 测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS 应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS 测量必须采用载波相位观测值，RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

3.2RTK 的基本工作原理

RTK （Real Time Kinematic）实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS （RTDGPS ）技术，它是测量技术发展里程中的一个突破，它由基准站接收机、数据链、 流动站接收机三部分组成。

RTK 基本工作原理：在已知高等级点上（基准站）安置1台接收机为参考站， 对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS 接收机在接收GPS 卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度（即基准站和流动站坐标差△X 、△Y 、△H ，加上基准坐标得到的每个点的WGS －84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X 、Y 和海拔高H ）。

3.3RTK 作业流程

1、收集资料

首先收集测区的控制点资料，包括坐标系及控制点；外业踏勘，视其控制点是否能作为基准点。

2、求定测区转换参数

GPS（RTK ）测量是在WGS-84坐标系中进行的，而各种工程测量和定位是在地方或北京54坐标系中进行的，他们之间存在坐标转换是在事后处理时进行的，而GPS （RTK ）是用于实时测量，要求及时给出地方坐标或北京54坐标，因此，首先必须求出测区的转换参数。

计算测区的转换参数，需已知点至少3个以上，且分别是WGS-84地心坐标、北京54坐标或地方坐标。该点最好选在测区四周及中心, 均匀分布, 能有效地控制测区。为了检验转换参数的精度和可靠性，最好利用最小二乘法选三个以上的点求解转换参数。

3、外业数据采集

1）控制测量：在进行碎部测量之前需要进行控制点的布设和测量。控制点的主要任务是用做GPSRTK 测量的基准站。

2）利用GPSRTK 与全站仪组合测量碎部：在单位采用“RTK+全站仪”模式进行碎部测量。这种作业模式分为两个步骤：首先利用RTK 测量图根控制点；然后利用全站仪测量碎部点。 利用RTK 进行图根控制测量时，可以采用“1个基准站+多个流动站”的作业模式。

3）利用GPSRTK 测量碎部点：在地势上空开阔的地区，完全可以用RTK 或CORS 系统的RTK 作业模式测量碎部点，其测量速度比全站仪更快。根据实践经验，1个GPS 流动站的作业速度是1台全站仪作业速度的2－4倍。

4、内业数据

内业数据处理主要包括GPS 数据处理和利用成图软件进行数字化成图两项内容。前者所需时间较短，而后者工作比较烦琐，所需时间较长。

3.4RTK 误差来源

(1)同仪器和GPS 卫星有关的误差:包括天线轨道误差、钟误差、观测误差等;

(2)同信号传播有关的误差:包括电离层误差、对流层误差、多路径效应、信号干扰等。对固定基准站而言，同仪器和GPS 卫星有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同信号传播有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以RTK 的有效作业半径是有限的(一般为5km 内) 。

第四章GPS 控制网的布设方法

4.1GPS 网的布设方法

GPS 网常用的布网形式有以下几种：

（1）跟踪站式

（2）会战式

（3）多基准站式（枢纽点式）

（4）同步图形扩展式

（5）单基准站式

1．跟踪站式

（1）布网形式

若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。

（2）特点

接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS 网具有很高的精度和框架基准特性。

每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。 此种布网形式一般用于建立GPS 跟踪站（AA 级网），对于普通用途的GPS 网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。

2．会战式

（1）布网形式

在布设GPS 网时，一次组织多台GPS 接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，所有接收机在若干天的时间里分别在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。

（2）特点

所布设的GPS 网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A 、B 级网。

3．多基准站式

（1）布网形式 若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。

（2）特点

所布设的GPS 网，由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS 网的骨架，具较强的图形结构。

4．同步图形扩展式

（1）布网形式

多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS 网由这些同步图形构成。

（2）特点

具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS 网时最常用的一种布网形式。

5．单基准站式

（1）布网形式

又称作星形网方式，它是以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心的星形。流动的接收机有时也称为流动站。

（2）特点 单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。

4.2GPS 网的多路径效应

GPS 卫星信号从高空向地面发射，若接收机天线周围有高大建筑物或水面时，建筑物和水面对电磁波具有强反射作用，天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号(直接波) ，还有从反射体反射的电磁波信号(反射波) ，这两种信号产生干涉，从而使观测值偏离真实值，GPS 定位产生误差，该误差称为多路径效应。多路径效应误差会严重影响CPS 测量的精度，甚至还会引起信号的失锁。

在实际测量中接收到的信号是直接波和反射波产生干涉后的叠加信号。反射体相对于接收天线的位置而言有垂直面、水平面和斜面三种情况，反射体的物质属性可以是水面、地面(包括山坡) 和测站周围的建筑物等。来自卫星的直接信号和经反射体反射后的信号所经过的路程长度是不一样的，两种路程长度的差值称为程差或冲离延迟量。

第五章GPS 在工程测量中的应用实例分析

测量工作主要应用了GPS 两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。建筑工程测量中推广使用了静态功能这一技术。经过多次的复测验证，GPS 技术定线测量的精度可以完全满足公路勘察设计和公路建设的精度要求。

GPS 静态测量法就是根据制定的观测方案，将三台GPS 接收机安置在待定点上同事接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。观测数据经平差计算得到该点的坐标。

大地测量法主要采用大地测量仪器如经纬仪、全站仪、测距仪等。国道高速连接线控制网采用侧边网，高程采用测距三角高程，按照观测技术要求进行施测。外业观测数据经数据处理并进行平差计算。

某建筑小区内的三座楼由于城市规划的需要，要求进行实地的放样和变形监测，以下表

5.1是建筑设计数据，实地放样工作是严格按照设计数据完成。

变形监测部分是其建筑建至地上一层是完成。通过在各个楼角上架设GPS RTK进行10分的静态观测，得出了新的观测数据，然后进行坐标转换得出了表5.2的测量数据。

运用全站仪常规测量方法，在D1已知控制点上架设全站仪，然后以D2为后视点，通过对每个楼角的进行观测得出坐标数据；然后在D2点上架设全站仪，以D3点位后视点进行其他观测角的观测；最后在D3点上架设全站仪，以D1为后视点，进行最后观测；由于三个已知控制点本身存在的误差及人员观测的误差，获得了表5.4的坐标数据。

表5.1是某建筑小区内某三座楼的测量数据。

表5.1 某建筑设计数据

表5.2 某建筑拓普康GPSRTK 测量数据

拓普康GPSRTK 数据与建筑设计数据相比之差在10mm 之内。

表5.3某建筑工地内控制点坐标数据

表5.4某建筑拓普康全站仪测量数据

通过两次的坐标结果进行比较可以发现用全站仪观测所得的结果精度低，因此GPS 可以完成高精度的变形监测和控制测量。

由于两种测量方法本身的测量误差和坐标转换数学模型误差以及在平差计算中观测量权配置等因素引起两种测量方法的结果存在一定的差值，由于其三维坐标差值均小于10mm ，因此GPS 静态数据要比大地常规测量所得到的坐标数据更加精确。 小结：

1、GPS 作业有着极高的精度。他的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。

2、GPS 测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响，整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。

3、GPS 测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS 测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

第六章 结论

本文通过对GPS 测量原理的总结，及其在工程测量中的应用实例分析，对GPS 控制测量的精度和GPS 网的布设得到了以下经验总结：

1、作为一种高精度定位技术，GPS 技术应用于工程测量是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, 目前已在许多领域得到广泛应用，因为具有测量精度高、费用少、观测省时省力且不受天气条件限制等优点，莫倩已广泛应用于工程测量领域，改变了传统的测量作业工作方式，提高了工作效率，也带来了客观的经济效益。

2、GPS 网基准设计应根据布设目的确定，如果起算点分布过于集中，会导致远离起算点的点位精度有所降低，在建立控制网时应使起算点分布均匀；同时为了减少遮挡，点位应选在开阔地区。在网点个数确定的情况下，增加GPS 边的调试，增加异步环的个数，有丽于提高网的精度和可靠性。

参考文献

1. 周立，2006.GPS 测量技术，郑州，黄河水利出版社.

2. 徐绍铨、张华海等，2008.GPS 测量原理及应用，武汉，武汉大学出版社. 3. 张勤、李家权等，2011.GPS 测量原理及应用，北京，科学出版社. 4. 李青岳，2008. 工程测量学。北京，测绘出版社. 5. 杨国清，2010. 控制测量学。郑州，黄河水利出版社. 6. 李建松，2008. 地理信息系统原理，武汉，武汉大学出版社. 7. 张建军，GPS 工程测量技术应用分析，测绘周刊2008.7

致 谢

首先感谢石玉婷老师对我的关心和指导。她学习和科研方面给了我无私的教诲，而且在平时的生活中，她们的言传身教也让我受益匪浅。尤其是她们精深的学术造诣、勇攀科学高峰的精神、一丝不苟学术态度一直激励着我去探索世间的真理。敬祝老师身体健康、工作顺利、桃李满天下！

其次感谢各位师傅关心和支持我的同学，在毕业实习期间，都在忙自己的毕业论文。在我进行收集资料的时候，他们给了极大的支持和帮助。在这里对他们表示感谢！

再次感谢我的家人，是她们的谆谆教诲和无微不至的关怀使我有机会踏入大学的殿堂，并使我对未来充满信心。

最后对所有对课题的完成做出过帮助和支持的老师、同学表示衷心的感谢！