浅谈GPS全球定位系统结合全站仪

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1、浅谈GPS全球定位系统结合全站仪在高速铁路中的应用摘要:本文简述了GPS测量技术特点及原理,重点介绍了GPS测量用于高速铁路的首级网与全站仪相结合进行平面控制，三角高程测量进行高程控制测量的实际应用。关键词:全球定位系统、全站仪、高速铁路、三角高程测量、应用1 GPS概述1.1 GPS测量简介全球定位系统（Global Positioning System-GPS）作为新一代的卫星导航定位系统，经过二十多年的发展,已发展成为一种被广泛采用的系统，它的应用领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想，目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项

2、非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。作为较早采用GPS技术的领域，在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，它除了继续在这些领域发挥着重要作用外，还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。在采用广播星历的条件下，静态定位能取得5mm+1PPm(双频)或10mm+2PPm(单频)基线解精度。尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。1.2 GP

3、S的基本原理GPS定位系统属无线电定位系统，其定位基础是取得卫星至测站的距离观测值。设电波在真空中的传播速度为c,传播时间为t，则卫星至地面测站距离为=c·t该式中c为常数，一般取c=2.99792458×108m/s大气层中的电离层和对流层的影响，因而求得卫地距离并非是卫星至地面测站的空间几何距离，=+ t + ion+ trop该式中 伪距 星至地面测站距离 t 时钟不同步误差值 ion 电离层对距离值的影响值 trop 对流层对距离值的影响值则=（XS-XR）2 +(YS-YR)2+(ZS-ZR)21/2（XS，YS，ZS）卫星瞬时位置坐标（XR，YR，ZR ）测站位

4、置坐标式中（XS，YS，ZS）可由导航电文数据求得，而 t， ion， trop或设为未知数，或由导航电文信息求取，为基本观测量，则由待定未知数为接收机位置（XR，YR，ZR），由测站对多颗卫星的观测值（XR，YR，ZR）。1.3 GPS定位技术的特点(1) 控制点间无需通视，选点方便、灵活，用GPS进行定位，只要各站上空开阔。这彻底摆脱了常规测量既要求站间通视，又要保持网形的难题；并且不需要设立觇标，观测人员也不必爬到制高点作业，从而大大减少了作业人员的劳动强度。(2) 定位精度高。根据大量的资料表明，GPS定位的相对定位精度相当高。在15km以内，定位精度可达cm级；而几十公里到几千公里的

5、基线上，相对定位精度可达10-710-8数量级。(3) 观测速度快。目前，用GPS作静态相对定位，观测时间约为1小时，精度为5mm+1ppm；而采用快速定位技术，对双频机仅需5分钟（对单频机，当卫星数大于5颗时，也只要15分钟左右），即可达到同样的精度5mm+1ppm。(4) 自动化程度高，用GPS测量，其自动化程度相当高。在实测中，观测人员的主要工作是安置仪器，开关仪器，量测仪高及监测仪器运行情况等，其余一切工作均由GPS接收机完成。(5) 控制网的图形结构简单，相应地观测工作量也较小。(6) 全天候的连续作业优势，GPS观测工作可在任何地点、任何时间连续进行，不受天气影响；可大幅度地缩短工

6、期，提高经济效益。1.4 GPS网的施测1.4.1 GPS网的选点原则(1) GPS网点应尽量选在交通方便的地方，当边长较长时，还应顾及通讯方式的影响。(2) 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°15°高度角以上不能有成片的障碍物。(3) 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。(4) 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。(5) 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方

7、便的地方。(6) 测站应选择在易于保存的地方。1.4.2 外业观测(1) 天线的安置要与周围的物体有一定的距离。(2) 天线应可能地利用三脚架直接对中(3) 正确连接各电缆、无误后方可通电。(4) 开机，开机后仪表显示正确后，进行系统自测和输入测站信息。(5) 搜索卫星，测站信息输入后，启动接收机搜索卫星。(6) 记录。搜索到卫星信号后，接收机锁定卫星信号并跟踪，记录信号。(7) 停止。完成一个测站的观测记录后，根据预定的操作指令，停止对卫星的跟踪。1.4.3 GPS外业观测成果的计算和检核(1) 基线解算。基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解

8、算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。(2) 同步闭合环检核。对N台接收机组成的同步闭合环，由同步观测值解算而得的基线向量闭合差应恒为零。但由于各接收机不能严格同步，其闭合差在不为零的情况下应满足相关规定。(3) 异步闭合环检核。由n条不同步的独立边构成的异步环，其坐标闭合差应满足相关规定。GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式

9、为：其中，：网中相邻点间的距离中误差(mm)；：固定误差(mm)；：比例误差(ppm 1ppm=10-6。)；：相邻点间的距离(km)。 GPS测量的精度标准 表1.4.1级别固定误差(mm)比例误差( mm/ km)A5 0.1B81C 105D 10 10E 10 201.5 椭球下的空间直角坐标转换设某点 i在椭球下的空间直角坐标为（X，Y，Z）iEO ，而在椭球下空间直角坐标为（X，Y，Z）iE1，由于椭球对椭球半径做了 的改变，且二者中心重合，扁率一致，因而它们的空间直角坐标系的三轴也重合即空间坐标系与空间直角坐标系完全重合，故有（X，Y，Z）iEO =（X，Y，Z）iE1椭球下的大

10、地坐标转换设某点在椭球下大地坐标为（B，L，H）iEO，在椭球下为（B，L，H）iE1，则由（B，L，H）iEO向（B，L，H）iE1转换过程为：在椭球下，（B，L，H）（X，Y，Z）根据下列式计算X=（N+H）cosBcosLY=（N+H）cosBsinLZ=N(1-e2)+HsinBN=/（1- e2sin2B）e2=2-2：地球椭球长半轴；e：椭球第一扁心率（1） （X，Y，Z）（B，L，H）以长半轴1=0+ 代入下式中计算B=tg-1（1/X2+Y2）（Z+N e2sinB）L= tg-1 (X/Y)H=(X2+Y2)/cosB-N扁率不变，则可由（X，Y，H）iE1求得大地坐标（B，

11、L，H）iE11.6 GPS网点的平差GPS网二维平差的关键问题是把WGS-84坐标系下的基线向量及其方差阵转换为投影面上的基线向量及其方差阵，然后将它们作为观测值和先验方差阵按间接平差方法进行平差并评定精2.工程实例武广客运专线XXTJI标（DK1238+750DK1255+400）全长16.65km，其中特大桥五座、大桥三座，桥共长:5308m。2.1测量依据2.1.1 铁道部第四勘察设计院2006年1月15日所交（GPS）控制桩橛及资料和高程控制桩橛及资料。2.1.2 工程测量规范，GB50026-93、新建铁路工程测量规范，TB10101-99、京沪高速铁路测量暂行规定，铁建设2003