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刘(GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用视距测量程序)

来源：知库网

毕业设计说明书

太原理工大学阳泉学院

毕业生姓名：刘文峰专业：测绘工程学

号：

0404111037 指导教师李瑞霞所属系（部）：

资源系

二〇〇八年五月

太原理工大学阳泉学院

毕业设计评阅书

题目：

GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用/视距测量程序

资源系测绘工程专业姓名刘文峰

设计时间：2008 年3月24日~2008年6月2日

评阅意见：

成绩：

指导教师：（签字）

职务：

200 年月日

太原理工大学阳泉学院

毕业设计答辩记录卡

资源系测绘工程专业姓名刘文峰

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

III

摘要

GPS即全球定位系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元的美国第二代卫星导航系统，当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域，特别是在测量领域。本文介绍了GPS的特点、发展及应用、GPS的组成及工作原理，外业测量、工作流程、GPS基线解算的基本原理等。根据GPS测量的技术特点，论述了GPS在307国道实际测量工作中的应用。

第二部分主要讲述了视距测量的原理，然后根据视距测量的原理编写了用视距测量中的三种视距计算方法：倾斜视距、三角高差、水平视距。

关键词： GPS；307国道工程；控制测量；视距测量；

Abstract

GPS is global positioning system from the United States in the 1970s started to develop, which lasted 20 years, the cost of 20 billion U.S. dollars in the second generation of satellite navigation systems, the current, GPS technology has been widely used in geodesy, resource exploration, crustal movement, Cadastral, and other fields, particularly in the areas of measurement. In this paper, the GPS feature of the development and application, GPS and the composition of principle, field measurement, workflow, GPS baseline solution, such as the basic principle. GPS measurements in accordance with the technical characteristics, on the GPS in 307 countries, the actual measurement of work.

The second part mainly on the principle of measuring the line-of-sight, and then the-horizon measured in accordance with the principles prepared by the-horizon measured in the three-horizon calculated as follows: tilt-horizon, the 1.30 height difference, level-horizon.

Key words: GPS; 307 National Road project; control measurement; the-horizon

measurementmeasurement;

第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用 .................................................... 1

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

第一节 GPS全球定位系统的概念 ...................................................................... 1

一、概念 ............................................................................................... 1 二、 GPS系统的特点 ............................................................................ 1

第二节 GPS定位技术的应用现状 ...................................................................... 3

一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下 .................................... 3 二、我国的GPS定位技术应用情况 ................................................... 4 三、前景 ............................................................................................... 5

第二章 GPS卫星全球定位系统 ................................................................................. 6

第一节 GPS卫星定位系统的组成 ...................................................................... 6

一、空间部分 ....................................................................................... 6 二、 GPS地面监控部分 ........................................................................ 7 三、用户部分 ....................................................................................... 8

第二节 GPS卫星的导航定位信号 .................................................................... 10

一、概述 ............................................................................................. 10 二、 GPS信号接收机的组成及原理 .................................................. 11

第三节 GPS卫星定位原理 ................................................................................ 14

一、概述 ............................................................................................. 14 二、 GPS几种定位方式 ...................................................................... 16

第四节 GPS导航定位误差 ................................................................................ 18

一、与GPS卫星有关的误差 ............................................................. 18 二、与卫星信号传播有关的误差 ..................................................... 19 三、接收设备有关的误差 ................................................................. 20

第三章 GPS外业测量 ............................................................................................... 23

第一节影响GPS测量技术设计的因素 ........................................................... 23 第二节 GPS网的布设 ........................................................................................ 23

一、步网 ............................................................................................. 24

第三节 GPS的坐标系统和时间系统 ................................................................ 24

一、 WGS-84大地坐标系 .................................................................... 24 二、 1954年北京坐标系 .................................................................... 25 三、 1980年国家大地坐标系 ............................................................ 25 四、新1954年北京坐标系 ............................................................... 26 五、 GPS时间系统 .............................................................................. 26

第四章工作流程 ...................................................................................................... 27

第一节 GPS控制网的内业设计 ........................................................................ 27

一、 GPS控制网设计 .......................................................................... 27 二、影响GPS测量技术设计的因素 ................................................. 29 三、 GPS控制网的图形设计 .............................................................. 29 四、技术指标 ..................................................................................... 30

第二节 GPS控制网的外业设计 ........................................................................ 30

iii

一、选点要求 ..................................................................................... 30 二、埋石 ............................................................................................. 31 三、外业观测 ......................................................................................... 31

第三节 GPS控制网的外业实施 ........................................................................ 32

一、仪器准备 ..................................................................................... 32 二、接收机及附属设备的检验与维护 ............................................. 34 三、人员组织 ..................................................................................... 34 四、仪器安装 ..................................................................................... 35 五、野外观测 ..................................................................................... 35

第四节数据传输与数据处理 ........................................................................... 35

一、数据传输 ..................................................................................... 36 二、数据处理 ..................................................................................... 38

第五章 GPS基线解算的基本原理 ........................................................................... 40

第一节基线解算原理 ....................................................................................... 40

一、基线解算 ..................................................................................... 40 二、 GPS基线解算的分类 .................................................................. 42 三、 GPS基线解算的过程 .................................................................. 43

第二节 GPS测量数据的预处理 ........................................................................ 44 第三节 GPS基线解算的质量监控 ..................................................................... 45 第四节影响GPS基线解算结果的因素 ........................................................... 48

一、影响GPS基线解算结果的因素的判别 ..................................... 49 二、 GPS基线解算精化处理技术 ...................................................... 49 三、利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素 ................. 50

第六章实例—— ...................................................................................................... 51 阳泉市307国道复线坡头至水峪项目 ...................................................................... 51

一，项目概述： ................................................................................. 51 二，项目内业设计： ......................................................................... 52 三．项目外业设计： ......................................................................... 53 四、数据处理及精度分析 ................................................................. 53 五、技术总结与成果资料提交 ......................................................... 54

小结 .......................................................................................................................... 55 第二篇视距测量程序 ....................................................................................................... 57

第一章视距测量原理与计算 ............................................................................. 57

第一节视距测量原理 ....................................................................................... 57

一、原理 ............................................................................................. 57 二、视距测量的观测与计算 ............................................................. 57 三、视距测量特点 ............................................................................. 57

第二节程序界面及代码 ..................................................................................... 58

外文资料 ............................................................................................................................. 65

Theodolites (1) ........................................................................................................ 65 Surveying Instruments ............................................................................................ 69 参考文献 ............................................................................................................................. 81 致谢 ................................................................................................................................. 82

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第一篇 GPS定位系统在公路工程控制测量中的应用

第一章绪论

第一节 GPS全球定位系统的概念

一、概念

GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统,是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。特别是在测量领域.我以山西省重点工程，2006年开工建设的阳泉市307国道复线坡头至水峪项目为例，概略叙述GPS在307国道建设及在公路工程控制测量中的应用。

二、 GPS系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。 1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M-工程精密定位中，1小时以上观测的解

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其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

2、观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟.

3、测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4、可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

6、全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，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微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景

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第二节 GPS定位技术的应用现状

如人们所说：\"GPS的应用，仅受人们的想象力制约。\"GPS问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉所吸引。

一、 GPS的应用按其使用领域简单介绍如下 1、GPS应用于测量

GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK）,在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：测量精度高; 操作简便，仪器体积小，便于携带; 全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS-84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。

2、GPS应用于交通

出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车货送请求，降低能源消耗，节省运行成本。 GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。

3、GPS应用于救援

利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员

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实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。

4、GPS应用于农业

当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的\"精准农业耕作\"。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染。

5、GPS应用于娱乐消遣

随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者携带GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。

二、我国的GPS定位技术应用情况

2002年2月，国家计委提出“卫星导航应用产业化专项”，其目标是在“十五”末期，形成一个市场规模超过百亿元的新产业。要在生产制造卫星导航应用基础产业的规模和数量上进入世界前列。接收机主板产量超过100万套，行业总产值超过100亿元（约占世界市场份额的4%）。其中导航运营服务产值将超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等将从目前的全部依赖进口变为自主产品占60%以上。产品出口将占国产总量的10%，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据将批量投放市场。通过卫星导航应用示范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人们的日常生活中得到广泛应用，产生明显的经济效益和社会效益。

汽车导航产品将进入市场/成为GOS最大的消费市场，同时带动导航电子地图的生产和经销。近年来，日本、欧盟、美国采取谨慎而积极的进军姿态，争先恐后进入中国市场。它们对我国的汽车导航市场抱有厚望，无疑源于对我国卫星导航市场的看好。

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三、前景

据专家预测，今后几年内GPS在通信、大气探测、精细农业以及环保等领域中也将得到广泛的应用，GPS将进入各行各业。还有专家预测，不久的将来人们将生产出电子手表式的GPS接收机而价格将降至普通人都能接受的水平。到那时侯人们不仅能方便地获得时间信息而且能方便地获得三维位置和三维速度信息，从而深刻地改变人们的生活方式。全球定位系统将作为20世纪最伟大的科学成就之一而载入史册。

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第二章 GPS卫星全球定位系统

第一节 GPS卫星定位系统的组成

GPS全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分。

一、空间部分 1、GPS卫星

GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星配备有4台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。

2、卫星星座：

发射入轨能正常工作的GPS卫星集合城GPS卫星星座。最初的GPS卫星星座由24颗GPS卫星组成。这些卫星分布在三个倾角为63°几乎为圆形的轨道上。相邻轨道的升交点赤经之差为120°，每个轨道上将均匀地分布5颗卫星。轨道的长半径为26560km，卫星的运行周期为12h（恒星时）。后因美国财政赤子过大而做了较大的变动。GPS卫星总数削减为18颗轨道倾角改为60°，轨道增至6个，每个轨道上均匀分布3颗卫星，相邻轨道的升交点赤经之差为60°，其余参数保持不变。这种情况的出现将大大损害整个系统的性能和可靠性，影响全球定位系统在民航等领域内应用的可靠性。为解决上述问题，经反复研究和修改后，最终又将卫星总数恢复为24颗。这24颗卫星分布宰个轨道面上，每个轨道均匀地分布4颗卫星（见图2-1）当截止高度角取15°时，上述卫星星座能保证位于任一地点的用户在任一时刻同时观测到4-8颗卫星；当截止高度角取10°时，最多能同时观测到10颗GPS卫星；当截止高度角取5°时，最多能同时观测到12棵GPS卫星；

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2000年底GPS卫星星座由23颗Block II卫星和Block IIA卫星，以及5颗Block IIR卫星组成。在一般情况下，用户能同时观测到6-8棵卫星。

图2-1 GPS卫星轨道图

二、 GPS地面监控部分

支持整个系统正常运行的地面设施称为地面监控部分。它由一个主控站，三个注入站和五个监控站以及通信和辅助系统组成。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，将偏离轨道的卫星“拉回”到正常轨道位置。

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图2-2 GPS系统监控站和主控站分布图

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。

注入站是向GPS卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3个注入站分别位于迭哥伽西亚、阿松森群岛和卡瓦加兰。注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线将这些导航电文和其他命令分别“注入”卫星。

通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提供其他辅助服务的机构和设施。全球定位系统的通信系统由通信线、海底电缆及卫星通信等联合组成。

三、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如计算机、气象仪器等组成，GPS信号接收机，是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电设备，既具有常用无线电设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。在测量领域，随着现代科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用了４台南方测绘仪器公司的NGS9600型静态GPS接收机，其技术指标为：测量精度：5mm＋2×10－6 mm静态测量，20ｍｍ+1×10－6mm（高

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程）。这些技术指标充分地满足了控制测量的精度要求。以下是 GPS信号接收机的类型

1、按工作原理分类

基于被动式定位原理的GPS卫星测量技术，关键在于怎样测得GPS信号接收天线和GPS卫星之间的距离（简称站星距离）。

1、按测量站星距离所用测距信号之异，GPS信号接收机可以分为下列几种类（1）码接收机：用伪噪声码和载波作测距信号；（2）无码接收机：仅用载波作测距信号；

（3）集成接收机：既用GPS信号，又用GLONASS信号测量站星距离。 2、按用途分类

（1）测地型接收机：厘米级精度，测后数据处理；（2）导航型接收机：米级精度，实时数据处理；（3）定时型接收机：专用于时间测定和频率控制。 3、按所用载波频率多少分类

用于卫星导航定位的载波是L1和L2，它们的频率分别为：f1=154×10.23MHz=1574.42MHZ;f2=120×10.23MHz=1227.60MHz.

按所用载波频率多少，GPS信号接收机可以分成下列类型：

（1）单频接收机：仅使用第一载波（L1）及其调制波进行导航定位测量；（2）双频接收机：同时使用多个载波及其调制波进行导航定位测量。下图2-4是GPS系统三个组成部分关系。

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图2-3 GPS 组成部分示意图

第二节 GPS卫星的导航定位信号

一、概述

GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文组成。 1、载波

可运载调制信号的高频振荡波称为载波。GPS卫星所用的载波有两个，由于它们均位于载波L波段，故分别称为L1载波和L2载波。其中L1载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0倍频154倍后形成的，L2载波是由基准频率f0倍频120倍后形成的。采用两个不同频率载波的主要目的是为了较完善地消除电离层延迟。在全球定位系统中，载波除了能更好地传送测距码和导航电文这些有用意信

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息外，在载波相位测量中它又被当做一种测距信号来使用。其测距精度比伪距测量的精度高2-3个数量级。因此，载波相位测量在高精度定位中得到广泛的应用。

2.测距码

测距码是用于测定从卫星到接收机间的距离的二进制码，是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的M序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成的。根据性质和用途的不同，测距码可分为粗码（C/A码）和精码（P码或Y码）两类，各卫星所用的测距码互不相同且相互正交。C/A码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。目前，/A码只调制在L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。Y码的结构是完全保密的，只有美国及其盟国的军方用户以及少数经美国政府授权的用户才能使用P码。由于P码的码元宽度仅为C/A码的1/10，而且该测距码又同时调制在L1和L2两个载波上，可较完善地消除电离层延迟，故用它来测距可获得较精确的结果。

3、导航电文

导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反映卫星在空间位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D码）。它是用户利用GPS进行导航定位时一组不可少的数据。

二、 GPS信号接收机的组成及原理 1、天线单元

它由接收天线和前置放大器两个部件组成。它的作用是，将到达GPS信号接收天线的功率约为-160dBW的GPS电磁波变换成微波电信号，并将如此微弱的GPS电信号予以放大。为便于接收机对信号进行跟踪、处理、和量测，对天线部分有以下要求：

天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失；能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；有防护与屏蔽多路径效应的措施；

天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。下图2-5是GPS接收机原理图：

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图2-5 GPS接收机原理图

GPS接收机的天线类型如下图2-6：

图2-6 GPS接收机的天线类型

2、接收机主机（1）变频器及中频放大器

经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。

（2）信号通道

信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。GPS信号

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通道的作用有三：一是搜索卫星，牵引并跟踪卫星；二是对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；三是进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。

（3）存储器

接收机内没有存储器或存储卡以存储卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存储器，接收机内存数据可以通过数据口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如：测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件。

微处理器

微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其主要工作步骤为：

接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检，并测定、校正、存储各通道的时延值。

接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星。当捕捉到卫星即对信号进行牵引和跟踪，并将基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按预置位置更新率计算新的位置。

根据机内存储的卫星历书和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。

根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。

接收用户输入信号。显示器

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。

电源

GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用于可充电的12V直

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流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电源交换器。

第三节 GPS卫星定位原理

一、概述

测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。

就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1,d2,d3。只需以三个发射台为球心，以d1,d2,d3为半径作三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种无线电导航定位是迄今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。

近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法。虽然用于激光测距的卫星（表面上安装有激光反射棱镜）是在不停的运动中，但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离，d1,d2,d3，应用测距交会的原理变可确定该时刻卫星的空间位置。如此，可以确定三颗以上卫星的空间位置。如果在第四个地面点上（坐标未知）也有一台卫星激光测距仪同时参与测定了该点至第三颗卫星点的空间距离，则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置。

将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星定位导航系统，应用无线点测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。

GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距

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离交会法解算出测站P的位置。如下图2-7，在需要的位置P点架设GPS接收机，在某一时刻ti同时接收了3颗（A，B，C）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP，SBP，SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标），从而用距离交会的方法求得Ｐ点的三维坐标（Xｐ，Yｐ，Zｐ），其数学式为：

222 SAP2XXYYZZPApAPA222 SBPXPXBYpYBZPZB2222 SCPXPXCYpYCZPZC2

图2-7 GPS卫星定位示意图

式中：（XA，YA，ZA），（XB，YB，ZB），（XC，YC，ZC）分别为卫星A，B，C在时刻ti的空间直角坐标。在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在公路工程控制测量中常用地固坐标系统（如：WGS－84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系）。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与计算方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待

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定点来说，根据运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位（绝对点位或相对点位）。

利用接收到的卫星信号（测距码）或载波相位，均可进行静态定位。实际应用中，为了减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响，常采用载波相位观测值的各种线形组合（即差分值）作为观测值，获得两点之间高精度的GPS基线向量（即坐标差）。

二、 GPS几种定位方式 1、伪距测量定位

伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速得到的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离ρ/与卫星到接收机的几何距离ρ有一定的差值，因此一般称量出的距离为伪距。用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距。用P码测出的伪距为P码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20~30m），但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整周数不确定问题（模糊度）的辅助资料。

2、载波相位测量定位

利用测距码进行伪距测量是GPS定位系统的基本测距方法。然而由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度还显的过低无法满足需要。如果观测精度均取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言量测精度为30cm，对C/A码而言为3m左右。而如果把载波作为量测信号，由于载波的波长短19cm；24cm，所以就可达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量精

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度一般为1～2mm，有的精度更高。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变地十分复杂。

在GPS信号中由于已用相位调整的方法在调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。重建载波一般可采用两种方法，一种是码相关法，另一种是平方法。采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无须掌握测距码的结构，但只能获取载波信号而无法获得测距码和卫星电文

3、差分GPS定位

差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；或在两个测站上对一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。其目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。

该部分所讲述的差分GPS定位技术是将一台接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

GPS定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差（视基准站至用户的距离）。

差分可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种。

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第四节 GPS导航定位误差

一、与GPS卫星有关的误差

与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。

1、卫星钟差由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。

对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。

2、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，以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几种方法: 2.1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。

2.2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

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时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。

2.3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，其效用更不明显。

这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。二、与卫星信号传播有关的误差

与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。 1、电离层折射的影响

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，便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：

1.1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。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中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。在尤其是精密定位测量。 1.2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％。

1.3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

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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。

2、对流层折射的影响

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： 2.1定位精度要求不高时，可不考虑其影响。 2.2采用对流层模型进行改正；

2.3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。

3、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考点（相位中心点)位置的变化，从而便观测量产生误差，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。

目前减弱多路径效应影响的措施有：

3.1 安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。

3.2选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。

3.3适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。 3.4 改善GPS接收机的电路设计，为减弱多路径效应的影三、接收设备有关的误差

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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，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。

1、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不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，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，主要是天线的置不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。

2、接收机的钟差

尽管GPS接收机中有高精度的石英钟，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之间看成是相关的，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。

3、载波相位观测的整周未知数

载波相位观测是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分，而无法直接测定开波相位整周数，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。

4、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

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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。

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第三章 GPS外业测量

第一节影响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。

级 A B C D E 精度分固定误差a（mm）比例误差b（ppmm） 5 8 10 10 10 5 5 10 10 20 表3-1各级ＧＰＳ网水平分量的中误差

第二节 GPS网的布设

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一、步网

（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，小间中距相邻点位应进行直接联测。

（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。

第三节 GPS的坐标系统和时间系统

一、 WGS-84大地坐标系

WGS-84大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。对应于WGS-84大地坐标系有一WGS-84椭球。

WGS-84椭球及有关常数采用国际大地测量（IAG）和地球物理联合会（IUGG）第17届大会大地测量常数的推荐值，四个基本参数为：

长半轴a=6378137±2m;

地心引力常数（含大气层）GM39860050.6108m3s2正常化二阶带谐系数C2.0484.166851061.30109地球自转角速度729211510110.15001011rads1

大地水准面高等于由定位测定的点的大地高减去该点的正高。

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WGS—84于1985年开始使用，1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图、航测图和大地成果。由于GPS导航定位全面采用了WGS—84，用户可以获得更高精度的地心坐标，也可以通过转换，获得较高精度的参心大地坐标系坐标。如图3-1

图3-1 WGS—84坐标系二、 1954年北京坐标系

20世纪50年代，我国采用了克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。其中高程异常是以前苏联1955年大地水准面差距重新平差结果为依据，按我国的天文水准路线传算过来的。因此1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。

三、 1980年国家大地坐标系 1980年国家大地坐标系的建立原则是：

（1）全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面上进行。为此，首先建立一个新的大地坐标系；

（2） 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

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乐镇；

（3）采用国际大地测量和地球物理联合会1975年推荐的四个地球椭球基本参数，并根据这四个参数求解椭球扁率和其它参数；

（4） 1980年国家大地坐标系的椭球短轴平行于地球质心指向我国地极 JYD1968.0方向，大地起始子午面平行于格林尼治天文台的子午面；

（5）椭球定位参数以我国范围内高程异常值平方和等于最小为条件解。四、新1954年北京坐标系

尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。40年来，数十万个国家控制点都是在这个系统内完成计算的，一切测量工程和测绘成果均无例外地采用着这个系统。为了既体现1980年国家大地坐标系的严密性，又照顾到1954年原北京坐标系的实用性，有的部门和单位想出一种两全其美的办法，于是就产生了1954年新北京坐标系。

1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。所以说，新北京坐标系的成果实际上就是从1980年大地坐标系整体平差成果转换而来的。

五、 GPS时间系统

GPS系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本观测量。卫星的信号，卫星的运动，卫星的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此，GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。

GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准，但同时起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时。启动后不跳秒，保持时间的连续。以后随着时间的积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。卫星播发的卫星钟差也是相对GPS时间系统的钟差，在利用GPS直接进行时间校对时应注意到这一问题。

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第四章工作流程

第一节 GPS控制网的内业设计

一、 GPS控制网设计

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 1、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网建成为廉有监测三维形变功能的控制网。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。

2、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

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（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。

（二）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-E5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。

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 （三）坐标系统和起算数据

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

300 70 15-10 10-5 5-2 2000 250 40 15 0 100 15 5 2 1 A B C D E 5 0.1 8 1 10 10 5 10 10 20

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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。

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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，小间中距相邻点位应进行直接联测。

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：

表4-2 GPS网的主要技术要求

等级平均距离(km) 二等三等四等一级二级

第二节 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

9 5 2 1 <1 边长中误差(m) 误 1／120000 1／80000 1／45000 1／20000 1/10000 最弱边相对中10 10 10 10 15

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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。

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

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排进行观测，采取静态相对定位，卫星高度角15，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、整干、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

第三节 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。

1 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/ 双频双频双频单频双频单频 A B C D、E 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 0

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双频标a≤5mm，称精度观载波相位或测量载波相位+P（Y）码伪距同步观测接收机数南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图4-1：

≥4 载波相位或载波相位+P（Y）码伪距 ≥3 载波相位或载波相位+P（Y）码伪距 ≥2 ≥2 载波相位或载波相位+P（Y）码伪距 b≤0.5 a≤5mm， b≤1 a≤10mm， b≤2 a≤10mm， b≤3

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GPS网的总体设计实地定点、埋石 GPS观测计划准备野外定位观测及记录数据传输基线向量解算否质量合格是 GPS网平差成果输出打印图 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。

三、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

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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。

四、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。D,D为基线长度(千米)。 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。

五、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。

第四节数据传输与数据处理

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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，系统弹出图4-3所示的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。

图4-2 通讯参数设置对话框（三）连接计算机和GPS接收机

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图4-3 连接计算机和GPS接收机后的程序菜单

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。见图4-3。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，系统弹出图4-4所示的对话框。 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）如图4-4。 3、在图4-4的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。

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图4-4 GPS数据传输对话框

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。经济基线解算、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%，同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表3-5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（二）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。任意两个时段所得基线差应小于相应等级规定精度的2 2倍。

3.0 .0 等 2.0 .0 50 10.0 15.0 15.二等 3三等 6.0 四级 9.0 一级 9.0 二

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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。

（三）补测与重测

为了满足成果的精度和统一年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。

（四）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，应在阳泉市矿区独立坐标下进行约束平差。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，已知方位可作为强制约束的固定值，平差结果应输出阳泉市矿区独立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。

（五） 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座，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。

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第五章 GPS基线解算的基本原理

第一节基线解算原理

一、基线解算

基线解一般采用差分观测值，GPS载波相位测量值可以在卫星间或接收机间求差，也可以在不同历元间求差。在卫星间求一次差、在接收机间求一次差以及在不同历元间求一次差是常见的三种求一次差的方法。对载渡相位测量的一次差

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还可以继续求差，称为求二次差。常见的求二次差的方法也有三种，即在接收机和卫星间求二次差、在接收机和历元间求二次差以及在卫星和历元间求二次差。二次差还可以继续求差，称为求三次差。求三次差的方法只有一种．即在接收机、卫星和历元间求三次差。考虑到GPS定位的误差源，实际上经常采用的求差法只有三种，即在接收机间求一次差、在接收机和卫星间求二次差以及在接收机、卫星和历元间求三次差 (图5- 1)。

图 5-1 求一次差、二次差、三次差示意图

较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站(接收机 )的原始观测值分别在测站和卫星间求二次差后得到的观测值 (图5- 1)。双差观测值可以表示成下面的形式

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ijpqijpqpqffpqijpqlijpqlvop(Nc)ijijccqijijpqlijpqlijlijpfqqqqqqjVTjjrjiVTiiricfliipipVTjjpjpipVTiipipcqlij

ronijNoijpqpqpqronijronijqqpplvopijlvopijlvopijNnijNoijqp式中：pqij为在接收机j和 i至卫星 P和q之间的二次差虚拟观测值；

pqij为卫星P和q至接收机J和 i之间的距离二次差；ronpqij为在接收机 J

和 i至卫星 q和 P之间的电离层延迟之二次差；至卫星 q和 P之间的对流层延迟之二次差；q和 P之间的整周未知数之二次差；

PqIJpqlvopij为在接收机 j和 i

NCJ 为在接收机 J和 i至卫星

T 、T 分别为接收机 i、j的钟差；

pi ,i 分别为第p、q颗卫星信号传到接收机i所用的时间；qpj 、qj

分别为第 P、q颗卫星信号传到接收机j所用的时间。若在某一历元中，对4颗卫星进行了同步观测，则每个历元在两个测站上共有 8个载波相位观测值，可以组成 4个一次差观测值和3个二次差观测值。在进行基线解算时，电离层延迟和对流层延迟一般并不作为未知参数，而是通过模型改正或双频改正将它们消除。因此，基线解算时一般只有两类参数：一类是测站的坐标参数，数量为 3(基线解算时将一个端点的坐标作为已知值固定 )；另一类是整周未知数，数量为 n-1( 为同步观测卫星总数 )。

二、 GPS基线解算的分类

采用静态相对定位方法进行控制点加密，实际上是用多台接收机进行同步观测，以便确定各点间的相对位置。所谓同步观测，是指在多个点上设置接收机，

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同时在相同时段内连续跟踪、观测相同的若干颗卫星，同步观测时间段简称时段。当有多台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形成一条基线向量 (我们将这种两点间的相对位置量称为基线向量坐标，对应于两点间的长度称为基线长度 )，所有同步观测的基线向量数为m(m一1)／2 (图5- 2)。其中最多可以选出相互独立的同步观测基线数为 m一1条

(图 5-3)。

图5-2同步观测测站个数与基线向量的关系

图5-3同步观测测站个数与相互独立的基线向量数的关系

独立基线的选取有多种选择，关键是要保证所选的独立基线不能构成闭合环。凡是构成了闭合环的同步基线是函数相关的，同步观测获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们是误差相关的。基线解算一般分为单基线解和多基线解算。

1、单基线解

所谓单基线解算，就是不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每一条基线单独进行解算由于其基线解算结果无法反映同步基线间误差的相关性，所以不利于GPS网平差处理。

2、多基线解

多基线解的解算是在顾及了同步观测基线间误差相关性的情况下。对同步观测的所有基线一并计算。由于多基线解在解算时考虑了同步观测基线间的误差相关性，所以在理论上是严密的，有利于GPS网平差计算。

三、 GPS基线解算的过程

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目前，我国使用的绝大部分软件是接收机厂家配备的处理软件，国内也于2O世纪9O年代初开发研制出GPS数据处理软件。上述软件的使用方法虽具有不同的特点，但GPS基线解算过程是基本相同的。

1、观测数据的读入

在GPS外业观测中，每天必须把原始观测数据输入到计算机中。在进行基线解算时。需首先读取这些 GPS原始观测数据。接收厂家配备的GPS数据处理软件，能读取本厂生产的GPS接收机的原始观测数据，而不能直接读取其他厂家生产的 GPS接收机的原始观测数据；如果要处理这些原始观测数据，首先需要进行格式转换。目前最常用的格式转换软件是RINEX 格式。

2、输入数据的检查

在把原始观测数据输入到计算机中后，就需要对野外手工输入的原始观测数据进行检查，检查的内容有测站名、测站坐标、天线高(包括斜高以及天线高固定偏差)等，如有错误立刻进行修改。

3、设置基线解算的参数

设置基线解算的参数是基线解算的一个重要环节。基线解算的参数包括单基线解与多基线解算、卫星截止高度角、电离层与对流层改正模型、L1与 L2频率选择、解算模糊度的基线长度、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值 (RATIO)、卫星选择、时段选择等。通过设定基线解算的控制参数，用以确定基线处理方法和基线的精化处理。

4、基线解算

GPS接收机采集的数据是接收机天线至卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规测量所测的地面点间的边长、角度和高差等。因此，接收机采集的GPS数据还需要通过一系列的处理，才能得到定位成果。

第二节 GPS测量数据的预处理

GPS测量数据处理包括观测值的预处理、基线向量解算和 GPS向量网与地面网的联合平差等步骤。GPS测量数据预处理前，需要先将接收机采集的数据通过传

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输、分流，解译成相应的数据文件。GPS测量数据预处理的目的，是对野外采集的卫星信号和数据进行编辑、加工与整理，分离出各种专用信息文件，为严密数据处理作准备。预处理工作包括：

(1)数据检验对观测数据进行平滑滤波检验，剔除观测j值中的粗差，删除无用观测值。

(2)数据格式的标准化。将各类接收机的数据文件加成彼此兼容的标准化文件。包括文件记录格式标准化、数据类型标准化、数据项目标准化、数据单位标准化和采样间隔密度标准化等。

(3)GPS卫星轨道方程的标准化。一般用一多项式拟合观测时段内的星历数据，包括卫星轨道位置的地固坐标系坐标计算和分段轨道拟合的标准化。

(4)诊断整周跳变点。发现并修复原始观测值周跳，使原始观测值复原。 (5)星钟多项式标准化。卫星钟差多项式的拟合及标准化。

(6)对观测值进行系统误差改正。如相对论改正和大气折射模型改正。预处理所采用的方法和模型的优劣，将直接影响最终成果的质量，是提高GPS测量精度的重要环节基线解算预处理完成后就可进行基线解算，基线解算的过程实际上是一个平差的过程，差所采用的观测值主要是双差观测值基线解算时的平差分以下三个阶段进行：

a初始平差。根据双差观测方程，组成误差方程和法方程后，求解待定的未知参数及其精度信息;通过初始平差，解算出整周未知数参数和基线向量的实数解或浮动解。

b整周未知数的确定。根据初始平差结果，使用搜索法将整周未知数固定成整数。

c确定基线向量的固定解，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定点的坐标作为未知参数再次进行平差，解算出基线向量的整数解(即固定解)，基线解算是自动完成的对于 GPS控制网来说，需要从所有基线中选取独立基线组成基线向量网，然后才能进行GPS网平差计算。

第三节 GPS基线解算的质量监控

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基线解算完成后，必须对基线解算进行质量检查，检查的内容有：短基线(一般认为小于20km的基线 )的模糊度是否解出、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值 (RATIo)、相对定位精度因子(RD0P)等。对于GPS网平差来说，还需要检查同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差、合格的基线才可以使用，不合格的基线应对其结果进行残差分析，然后重新解算，重新解算仍不合格的基线需重新测量。有些厂家的GPS数据处理软件会把基线解的主要质量指标显示在屏幕上，以便于检查。

1、单位权中误差 RMS

RMS为基线解算时的单位权中误差，即

VTPVRMS

式中：V为观测值的残差 P为观测值的权矩阵 f为多余观测数。

RMS表明了观测值的质量，与观测条件好坏无关，它可看作表示内符合精度的一项指标模糊度检验值 RATIO

RATIO 值反映了所确定出的整周期模糊度固定为整数的可信度(可靠性 )，它可表示为

RATIORMS次最小RMS最小

显然RATIO 值应大于或等于 1。该指标与观测值的质量有关，也与观测条件的好坏有关。RATIO 值越大，说明整周模糊度固定为整数的可信度越高，一般情况下，RATIO值应大于3双差解将整周模糊度固定，只把测站的坐标作为未知数来平差，得到的解叫双差固定解，只要能成功固定整周模糊度，双差固定解的精度最高。

2、线长度的中误差

基线解算后，要求基线长度中误差在标称精度计算的精度值内，目前大多数厂家的软件规定的基线长度标称精度为 (0．5～ l.0cm)4-(1ppm～ 2ppm)×D，D

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为基线长度（单位：km) 小于 10km的基线中误差应为 0．01～ 0．02m，若超过此限，基线解算成果的可信度较差 20km 以内的基线，单额接收机接收的数据通过差分处理，就能保证定位结果的精度。当基线长度大于20km时，应使用双频接收机观测，以便有效地消除电离层的影响特别是太阳活动高峰期时，使用双频接收机的数据处理结果明显优于单频接收机的数据处理结果。使用单频接收机的数据处理的基线长度在正常年份比真值约小 0.5ppm～0.7ppm，在太阳活动高峰期的一、二月份的中午可达 3ppm～5ppm。2000年就是太阳活动高峰期，所以经常出现 GPS观测数据质量不高的现象。

3、双差固定解与双差浮动解 (实数解 )

整周模糊度在理论上是一个整数，但平差解算得到的却是一个实数。对于短基线 (例如小于 20km 的基线)，由于双差模糊度具有很好的整数特性，就将整周模糊度确定为整数，在进一步平差时不作为未知数求解，这种解算方法解算出的基线结果称为双差固定解对于长基线来说，由于电层折射误差、卫星轨道误差等难以有救地消除，整周模糊度求解精度往往很低，这时将整周模糊度勉强取为整数，对于相对定位精度有损无利，这时维持整周模糊度的实数解，由此而解算出的基线结果称为双差浮动解。双差固定解与双差浮动解的向量坐标差达分米级时，则处理结果可能有疑，原因可能是观测质量不佳。一般地，短基线的双差固定解精度高，则长基线双差浮动解也为佳。

4、同步环闭合差

同步环闭合差就是由同步观测基线所构成的闭合环的闭合差，同步环闭合差在理论上为零，由于观测等误差存在，实际上同步环闭合差不等于零。国家测绘行业的全球定位系统测量规范规定了同步观测环各坐标分量闭合差和同步环闭合差应满足下式：

; Wxn/5; Wyn/5; Wzn/5

222 WWxWYWz3n/5

式中：n为同步闭合环的边数；为相应级别规定的精度(按平均边长计算)；

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w,wy,wxz：分别为 x,y,z 轴坐标分量闭合差；w为同步环闭合差。同步环闭

合差应小于或等于全球定位系统测量规范规定的允许值。若同步环闭合差超限说明组成同步环的基线中至少一条有问题，对于有问题的基线要删去，如果该基线需要保留就得重新进行观测。

5、异步环闭合差

由非同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，其闭合差称为异步环闭合差。国家测绘行业全球定位系统测量规范规定了异步观测环各坐标分量闭合差和异步环闭合差应符合下式

Wx3n; Wy3n; Wz3n; W33n ;式中：n为异步闭合环的边数； 为相应级别规定的精度 (按平均边长计算 )；wx,wy,wz：分别为 x,y,z 轴坐标分量闭合差；W为异步环闭合差。若异步环闭合差超限。说明组成异步环的基线中至少有一条基线质量不合格，可通过相邻异步环或重复基线查出质量不合格的基线，并删除质量不合格的基线。一般说来，异步环闭合差符合限差要求时，同步环闭合差一定符合限差要求重复基线较差(重复边互差)不同观测时段对同一条基线的观测结果，称为重复基线这些观测结果的差异就是重复基线较差国家测绘行业全球定位系统测量规范都规定，重复基线较差应小于接收机标称精度的2倍。

第四节影响GPS基线解算结果的因素

起点坐标不准确一般要求起点坐标在WGS一84系统下具有±1 0m 的精度，实际上起点坐标误差较大，起点坐标不准确，导致基线出现尺度和方向上的偏差起点坐标不准确对边长的影响较之对高差和方位影响要小，对边长的影响与边长成比例少量卫星观测时间太短，导致该卫星的整周模糊度确定不准当卫星观测时间太短时，会导致无法准确确定该卫星的整周模糊度。对于参与基线解算的卫星来说，如果与其相关的整周模糊度无法准确确定，就将影响整个基线解算的结果。

周跳修复不完善在整个观测时段里，有些子时段周跳太多，致使周跳修复不

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完善多路径效应严重在整个观测时段里，多路径效应比较严重。致使基线解算结果的残差普遍比较大。对流层或电离层影响过大因对流层或电离层的折射造成电磁渡的延迟较大。

一、影响GPS基线解算结果的因素的判别 1、起点坐标不准的判别

对附加人为误差重新计算，考察其差异；选取不同的基线起点，用该点的伪距定位结果计算基线。比较互差起点坐标不准的判别较困难，在实际工作中最好提高起点坐标的准确度。

2、个别卫星观测时间短的判别

个别卫星观测时间短的判别非常容易，只要查看观测数据的记录文件对每颗卫星的观测数据的数量就可以了，或者查看一下卫星的可见性图就一目了然。

3、周跳太多的判别(对于卫星观测值中某些子时段周跳太多的情况判别) 分析 RATIO值较小，但PDOP值、RDOP值也较小，说明可朝存在周跳从基线解算后所获得的观测值残差上来分析，当在某测站对某卫星的观测值含有来修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现整倍数的增大。

4、多路径效应严重的判别

考察周围条件(如测站周围是否有高建筑物或山坡、是否有大面积水域 (海边、湖岸和江岸)，通过观测值的残差来分析，L1波段职差解残差普遍较大，L2波段半周跳很多对流层和电离层折射影响的判别同一基线重复观测，高差闭合差和异步环闭合差较大；双差观测值的残差明显大于正常观测值的残差。

二、 GPS基线解算精化处理技术

改进伪距定位结果的方法：建立参考中心控制网，中心站长期观测的伪距定位值取平均值；全松弛网平差；利用正、反基线解算结果取平均值后，重新解算基线；修正时标。

1、卫星观测时间短的处理

删除观测时段太短的卫星和卫星时段。通过删踪卫星和卫星时段，不让它们参加基线解算，以保证基线解算结果的质量。

2、周跳太多的处理

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若多颗卫星在相同的时间内经常发生周跳，可采取删除周跳严重的时间段的方法进行分段处理来改善基线解算结果的质量；若是某个卫星经常发生周跳，可采取删除该卫星观测值的方法来改善基线解算结果的质量。用三差观测值基线解；人为输入精确基线，作为修复周跳的依据。

3、多路径效应严重的处理

升高卫星截止高度角的截止限值；多路径效应会造成观测值残差较大，因此可采取缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；删除多路径效应严重的观测时间段或卫星。

4、对流层或电离层折射影响过大的处理

升高卫星截止高度角的截止限值；对于40km 以上的长边，加气象改正；分别采用模型对对流层或电离层折射延迟进行改正；使用消除了电离层折射影响的双频观测值进行基线解算。对于短基线，因气象条件一致，利用基线两端同步观测求差，可以更好地削弱大气折射的影响。

三、利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素

在基线解算时，要经常利用残差图来判断影响基线解算结果质量的因素，或确定哪颗卫星或哪个时段的观测质量问题。所谓残差图就是根据观测值残差绘制的一种图表(图 4、图 5)。

正常残差图为残差绕着零轴上，下摆动振幅不超过 0.1周。

图5-4 某卫星含有周跳的残差图

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图5-5 某卫星受不明因素影响的残差图

影响 GPS基线向量解算质量的因素较多，只有分析判别出影响 GPS基线解算结果的主要因素，并通过精化处理，才能获得高质量的定位点坐标和基线向量但上述成果仍是属于WGS 84大地坐标系的，而不是我们使用的平面直角坐标和海拔高程。因此，必须把 WGS一84 坐标系的坐标转换成我国北京 54坐标系的坐标(即进行两种不同坐标系的坐标转换 )，再把北京54坐标系的大地坐标转换成平面直角坐标，把北京 54坐标系的大地高程加上大地水准面差距(高程异常值 )得到海拔高程，经检查无误后才能作为控制点使用。

第六章实例——

阳泉市307国道复线坡头至水峪项目

一，项目概述：

受阳泉市交通局委托，山西国辰建设工程勘察设计有限公司，阳泉市测绘处承担了阳泉市307国道复线坡头至水峪工程的GPS导线控制测量任务。测区从矿区马家坡桥经阳煤集团一矿，大村，黄砂堰村，三泉村，白泉村直至水峪村。全长约30公里。地形多为山地沟壑，较为复杂，交通多为山间小道，给操作人员的工作和物资设备的运输增加了很多困难。

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二，项目内业设计： 1，坐标系统

本项目平面采用阳泉市矿区独立坐标系，中央子午线经度为113.332703。高程采用1985年国家高程基准。

2，作业依据

项目严格按照1997年中华人民共和国行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97，1999年建设部发布的行业标准《城市测量规范》CJJ8-99的要求设计。按照《项目设计书》要求，项目控制网的等级为GPS一级导线，全线共拟布设一级导线点38个点。为了保证要求和成果的精度，并为GPS高程拟合计算提供高程起算数据，全线设计联测二等三角点一个，三等三角点一个，四等三角点八个，四等水准点五个。由于测区大部位于煤矿开采区，存在沉降位移等因素，因此须联测所有已知点，检验其内部符合精度，如果平差后不能满足需要，则还须联测其他高等级控制点。

3，技术指标，

按照规范要求，项目精度应符合如下规定。相临点间的最小距离应为平均距离的1/2～1/3；相临点间的最大距离应为平均距离的2～3倍。 GPS网的主要技术要求等级平均距离（km）边长中误差(mm) 二等三等四等一级二级 9 5 2 1 <1 ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤15 最弱边相对中误差 1∕120000 1∕80000 1∕45000 1∕20000 1∕10000 根据此技术要求我们设计的GPS网如下图（6—1）

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图6-1

三．项目外业设计： 1，选点要求

选点前应做好各种准备，收集与工程有关的资料，收集原有的控制测量资料，合理进行控制网的设计。

2，埋石 3，外业观测

ＧＰＳ测量作业基本技术要求表：

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静态静态静态 >45分钟 10秒 ﹤6 观测方法静态静态静态技术要求 >15度 >4颗 >1.6 四、数据处理及精度分析

GPS导线数据处理分为基线解算和网平差两个阶段，数据处理采用南方测绘公司的南方GPS数据处理软件。经基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的三维坐标。

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处理过程符合下列技术要求： ⑴基线解算:•

采用双差相位观测值，其数学处理模型采用双差固定解； ⑵基线解算的质量检验要求：

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%，同步环的相对闭合差和全长相对闭合差应符合下表规定。

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合差全长相对闭合差 3,补测和重测

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。

五、技术总结与成果资料提交

GPS测量的全部工作结束后，应及时写出技术总结报告，并在规定的时间内及时向甲方提供测量成果，成果的内容应包括：（1）数据处理中生成的文件，资料（2）平差成果表（3）GPS外业观测手薄（4）GPS导线平面布置图（5）项目技术总结报告（6）GPS观测网图（7）GPS导线点点之记（8）本技术设计书。

2.0 3.0 二等等 3.0 5.0 6.0 10.0 9.0 15.0 9.0 15.0 三四等一级二级 307国道复线水峪---坡头工程GPS导线控制网成果表

点名柏山白泉鼻头山冯家庄近井点马家坡桥点号 BAIS BQOO BTSH FJZB JJDH MJPQ X坐标 106333.354 105422.553 105340.834 103189.618 104520.003 100114.026 Y坐标 109156.840 105925.108 115967.976 101694.541 96246.100 93090.575 H高程 797.290 728.836 931.500 827.089 841.140 755.524 备注高程已知点已知点高程已知点已知点高程已知点已知点

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南天之庙武校水准点辛兴水准点官沟官沟水池大垴梁前庄北头咀大村北大村东汉河沟煤矿太行武校西硫酸厂南上烟西粮库北林里白泉三岔口东梁庄口道班东小河北大麦峪水峪疙套一号疙套二号巨城一号巨城二号

NTZM S001 XXSZ BY01 BY02 BY03 BY04 BY05 BY06 BY07 BY08 BY09 BY10 BY11 BY12 BY13 BY14 BY15 BY16 BY17 BY18 BY19 BY20 BY21 BY22 BY23 102562.213 105287.037 99731.038 100610.352 101290.557 102091.430 103024.968 103956.832 105374.477 104835.342 104798.042 105301.647 105515.418 105765.831 106189.256 106500.198 106257.425 106055.835 106170.746 106782.919 107153.125 106936.382 107394.147 107478.195 107791.611 107463.623 99051.339 100584.442 92338.611 93895.111 94021.206 94374.352 95006.136 95248.780 96849.274 97907.185 99619.196 100308.655 101458.774 102762.814 103841.354 104786.474 105654.052 106942.544 107923.400 108959.612 110283.346 111498.874 112572.055 113260.430 113980.080 114702.197 854.990 861.057 761.936 773.378 835.260 931.776 887.044 867.650 907.482 915.292 942.201 912.893 884.233 817.250 779.874 731.656 726.563 698.335 699.340 666.195 649.374 631.412 627.587 613.085 607.724 580.097 已知点水准点水准点

小结

通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在公路工程的控制测量上具有很大的发展前景：

第一 GPS作业有着极高的精度。它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。

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第二 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。

第三 GPSRTK技术将彻底改变公路测量模式。RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。

第四 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。

第五 GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。

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第二篇视距测量程序

第一章视距测量原理与计算

第一节视距测量原理

一、原理（一）视距测量

用有视距装置的测量仪器，按光学和三角学原理测定两点间距离的方法。常用经纬仪、平板仪、水准仪和有刻划的标尺施测。通过望远镜的两条视距丝，观测其在垂直竖立的标尺上的位置，视距丝在标尺上的间隔称为尺间隔或视距读数，仪器到标尺间的距离是尺间隔的函数，对于大多数仪器来说，在设计时使距离和尺间隔之比为 100。视距测量的精度可达1／300～1／400。

（二）视差法测距

用经纬仪测量定长基线横尺所对的水平角，利用三角公式计算仪器至基线间的水平距离。此水平角称视差角。基线横尺两端固定标志间的距离一般为2米。尺上装有水准器和瞄准器，以便将横尺安置水平并使尺面与测线垂直。视差法测距的精度较低。

（三）视线水平时的距离与高差公式

欲测定A、B两点间的水平距离D及高差h，可在A点安置经纬仪，B点立视距尺，设望远镜视线水平，瞄准B点视距尺，此时视线与视距尺垂直。求得上，下视距丝读数之差。上，下丝读数之差称为视距间隔或尺间隔。

（四）视线倾斜时的距离与高差公式

在地面起伏较大的地区进行视距测量的，必须使视线倾斜才能读取视距间隔。由于视线不垂直于视距尺，故不能直接应用上述公式。

二、视距测量的观测与计算

施测时，安置仪器于A点，量出仪器高i，转动照准部瞄准B点视距尺，分别读取上、下、中三丝的读数，计算视距间隔。再使竖盘指标水准管气泡居中(如为竖盘指标自动补偿装置的经纬仪则无此项操作)，读取竖盘读数，并计算竖直角。用计算器计算出水平距离和高差。

三、视距测量特点

（一）测量距离的相对误差约为1/300，低于钢尺量距；

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（二）测定高差的精度低于水准测量和三角高程测量；（三）视距测量广泛用于地形测量的碎部测量中十字丝分划板上刻制上、下对称的两条短线，称为视距丝

第二节程序界面及代码

进入代码:

Private Sub Command1_Click() Form1.Hide Form2.Show End Sub

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确定代码:

Private Sub Command1_Click()

If (Option1.Value = False) And (Option2.Value = False) And (Option3.Value = False) Then

a = MsgBox(\"提示\请选择视距计算方法\") ElseIf Option1.Value = True Then Form2.Hide

qingxieshiju.Show

ElseIf Option2.Value = True Then Form2.Hide

sanjiaogaocha.Show

ElseIf Option3.Value = True Then Form2.Hide

shuipingshiju.Show

End If End Sub

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计算代码:

Private Sub Command1_Click() Dim up As Double Dim down As Double Dim du As Single Dim fen As Single Dim miao As Single Dim jiao As Double Dim l As Double Dim k As Integer Dim s As Single k = 100

up = Val(Text1.Text) down = Val(Text2.Text) du = Val(Text3.Text) fen = Val(Text4.Text) miao = Val(Text5.Text)

jiao = (du + fen / 60 + miao / 3600) * 3.1415926 / 180 s = Abs(up - down)

l = k * s * (Cos(jiao)) ^ 2 Label8.Caption = l End Sub 清除代码:

Private Sub Command2_Click() Text1.Text = \"\" Text2.Text = \"\" Text3.Text = \"\" Text4.Text = \"\" Text5.Text = \"\"

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Label8.Caption = \"\" End Sub 返回代码:

Private Sub Command3_Click() qingxieshiju.Hide Form2.Show End Sub 退出代码:

Private Sub Command4_Click() Text1.Text = \"\" Text2.Text = \"\" Text3.Text = \"\" Text4.Text = \"\" Text5.Text = \"\" Label8.Caption = \"\" qingxieshiju.Hide Form3.Show End Sub

计算代码:

Private Sub Command1_Click() Dim up As Single Dim down As Single Dim du As Single Dim fen As Single Dim miao As Single Dim i As Single Dim v As Single

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Dim h As Single Dim k As Integer Dim s As Single Dim jiao As Single k = 100

up = Val(Text1.Text) down = Val(Text2.Text) du = Val(Text3.Text) fen = Val(Text4.Text) miao = Val(Text5.Text) i = Val(Text6.Text) v = Val(Text7.Text) s = Abs(up - down)

jiao = du + fen / 60 + miao / 3600 jiao = jiao / 180 * 3.1415926

h = (k * s * Sin(2 * jiao)) / 2 + i - v Label10.Caption = h

End Sub 清除代码:

Private Sub Command2_Click() Text1.Text = \"\" Text2.Text = \"\" Text3.Text = \"\" Text4.Text = \"\" Text5.Text = \"\" Text6.Text = \"\" Text7.Text = \"\"

Label10.Caption = \"\" End Sub 返回代码:

Private Sub Command3_Click() sanjiaogaocha.Hide Form2.Show End Sub 退出代码:

Private Sub Command4_Click() Text1.Text = \"\" Text2.Text = \"\" Text3.Text = \"\" Text4.Text = \"\" Text5.Text = \"\" Text6.Text = \"\"

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Text7.Text = \"\"

Label10.Caption = \"\" sanjiaogaocha.Hide Form3.Show End Sub

计算代码:

Private Sub Command1_Click() Dim a As Double Dim b As Double Dim k As Integer Dim l As Double a = Val(Text1.Text) b = Val(Text2.Text) k = 100

l = Abs(a - b) * k Label3.Caption = l End Sub 返回代码:

Private Sub Command2_Click() shuipingshiju.Hide Form2.Show End Sub 退出代码:

Private Sub Command3_Click() Text1.Text = \"\" Text2.Text = \"\"

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Label3.Caption = \"\" shuipingshiju.Hide Form3.Show End Sub

结束代码:

Private Sub Command1_Click() Unload Form1 Unload Form2 Unload Form3

Unload qingxieshiju Unload sanjiaogaocha Unload shuipingshiju End Sub

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外文资料

Theodolites (1)

The theodolite is an instrument designed for the measurement of horizontal and vertical angles .It is the most precise instrument available for such observations and is of wide applicability in surveying.

The line of sight of a theodolite is provided by a telescope, the optical principles of which have already been explained. For setting on points at different elevations，and for measurement of vertical angles, the telescope must be capable of rotation about a horizontal axis; for measurement of horizontal angles, the instrument must be rotated about a vertical axis.

A theodolite may be regarded as a mechanical realization of the geometry of three concurrent straight lines _the telescope axis, the so-called transit axis to which the telescope axis should be perpendicular, and the main rotation axis to which the transit axis should be perpendicular.

If the geometry of the instrument is perfect, then when the rotation axis is vertical the transit axis will be horizontal and the line of sight will sweep out a vertical plane when the telescope is elevated or depressed.

Measurement of Horizontal Angles for this purpose it is evident that the requirements are:

(1) a horizontal graduated circle,

(2) the upper part of the instrument carrying the telescope must rotate about the vertical line through the center of the graduated circle ,and the telescope must be capable of being pointed in any direction.

(3) there must be an index mark on the rotating part, placed so that readings Can be taken against it on the graduated circle.

(4) a horizontal angle is measured by setting the telescope on each of two signals and taking the difference of the two readings on the graduated circle.

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(the alternative possible arrangement, with the graduated circle on the rotating part of the instrument and the index mark fixed , is not used.)

Measurement of Vertical Angles Unlike the horizontal angle, a vertical angle (elevation or depression) is not a difference between two settings, but is referred to the horizontal plane as zero. The requirements in this case are therefore:

(1) a graduated circle attached to the telescope and perpendicular to the axis,

(2) an index mark suitably placed on the main body of the instrument, (3) adjustment of the relevant parts of the instrument in such relationship that when the vertical circle reading is zero the line of sight is in fact horizontal.

(The possible alternative arrangement, with the index mark on the telescope and the vertical graduated circle attached to the main body of the instrument, is inconvenient and is not used.)

Centering Head The hole in the tripod head is much large than the fitting which goes through it, and this allows some lateral movement, over a ranger of 30 or 40 mm , before the instrument is finally clamped down. This is a great help in centering the theodolite over a mark on the ground: The designs of these centering heads are various, some being much more convenient in use than others. It is essential to have a centering head when optical centering (described below) is being employed

Centering over Mark All theodolite are supplied with a plummet to hung from a book or other suitable fitting at the lower end of the vertical axis. Many instrument so as to form a small telescope pointing vertically downwards; the line of sight is brought, by means of a reflecting prism, to an eyepiece at the side of the instrument and the observer can view the ground mark in relation to a diaphragm mark in the optical system. A centering eyepiece can be seen in the illustration.

Optical centering is very useful in some circumstances. It is of course

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not effective until the sight line of the centering telescope is vertical, so the leveling and centering operations have to be done in conjunction: this can be time-consuming, and it is generally found that the use of the hanging plummet is more expeditious, except in a high wind, or when the ground mark is at the bottom of a hole, or other special circumstance. The optical centering device should be on a rotating part of the instrument , otherwise there is no simple means of checking that it is in line with the vertical axis.

Types of Theodolite Almost all theodolites in use nowadays are transit; that is, the telescopes can be rotated through the vertical position so that the graduated circle attached is either on the left or on the right side of the telescope as viewed from the eyepiece end. These positions are called face left and face right respectively.

The advantage of the non-transiting telescope was that it did not require high supports, so the instrument could be made comparatively compact: as the telescope of an ordinary theodolite nowadays is only 100 to 150mm long, this consideration has lost its importance.

Some time ago, theodolite could be divided into two classes those reading by verniers and those reading by microscopes.

Vernier instrument are simple and comparatively cheap, and are quite commonly used. The precision of a vernier instrument is of course limited by the least count which can conveniently be accommodated. It is found that a graduated circle 125mm in diameter can be divided to 20 minute intervals and read by vernier to 20 seconds this is about the limit, a smaller circle should be divided to half-degrees and read to half-minute.

In the other class of theodolite, the divided circle is viewed by microscopes with the aid of this magnification, precise readings of minutes and seconds are obtainable by movement of a cross-wire in the image plane of the microscope. In fact, the function of the microscope is similar to that of the vernier, in giving an accurate measure of the small interval

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between the reference point of the rotating part and the adjacent graduation of the divided circle.

However, “micrometer-microscope ” instruments have been largely superseded by theodolite in which the circle graduations are on glass plates : these are viewed through a more or less elaborate optical system by means of which the readings of the horizontal and vertical circles are taken at the position in which the observer stands at the sighting telescope , and he does not have to walk round the instrument in order to read it . This feature represents a very substantial improvement of speed of observation in comparison with the microscope instrument

The optical reading instruments are of two main classes: (1) precise instruments with divisions to single seconds on the micrometer setting device , or even finer division in first order instruments . In these theodolite the optical reading system is arranged so that diametrically opposite graduations of the circle are viewed simultaneously, and the observer operates a setting device to obtain a mean reading free from eccentricity error.

(2) theodolite of lower precision . In some of these the readings are obtained after a micrometer setting : in others , called scale-reading theodolite , the optical reading system provides a magnified picture of the main scale , and the subdivision is done by estimation of the position of a main scale division against a short finely divided scale fixed at a suitable position . These less precise

instruments usually have circles of about 70 or 80mm in diameter ; reading is done at only one point , and the precision is of the order of 1/4 minute. The theodolite is read by a micrometer on which the graduation interval is 20″, and readings can be taken to 10″.

Part of the light directed into the instrument by the mirror is through the graduations of the horizontal circle, and part through the vertical circle. By suitably placed lenses and prisms these two beams are sent along

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the hollow transit axis and brought to focus at the plate D. Both beams pass through a parallel-sided glass block C which can rotate about a vertical axis. The block is rotated by the micrometer setting knob and its position is indicated by the graduated sector scale S.

Looking through the reading eyepiece at the plate D, the observer sees a position of the vertical circle graduations in the window V, a portion of the sector scale in window S. Each window has a fixed reference line or marker and, as the block C is rotated, the pictures of the scales move across the windows.

The thickness of the block C and the length of the scale S must be calculated so that a movement of the scale from reading 00′00″to 20′00 ″causes the pictures in the windows V and H to move a distance of exactly one division 20′of the circle scales.

To make a reading , the micrometer knob is operated so as to place a graduation line of either the vertical or the horizontal scale in coincidence with the fixed reference mark , the reading of the circle scale is taken to 20′ , and the reading of the micrometer scale S is taken to 20″ (perhaps estimated to 10 ″) and added to the reading of the main scale.

Surveying Instruments

The usefulness and applicability of maps and topographic drawings are dependent upon the accuracy of the source data used in their preparation. One method used to collect source data is the field survey. Surveys are the results of systematic procedures used to measure the relative features and characteristics of the earth’s surface. The accuracy of surveys is dependent upon two critical factors: the quality and precision of the surveying instruments, and the competence of the surveying crew.

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A great variety of surveying instruments, however, can be categorized under one of two classifications. One classification is mechanical/optical distance (MOD) measuring instruments: the second classification is electronic distance measuring (EDM) instruments. The primary difference between MOD and EDM instruments is in the operation and information processing used by each, but MOD and EDM instruments have the same basic purpose and function.

This section presents descriptions of the basic surveying instruments used in the mapping and topographic field. The descriptions and operating principles discussed will help the reader to develop a comprehension of the differences between MOD and EDM instruments.

Transits, are instruments which receive their name from their ability to rotate up and down along the vertical plane (altitude ) as well as the horizontal plane (azimuth ). The process of rotating end for end in a vertical plane is known as transiting. A theodolite so designed is called a transit theodolite , or transit. The term transit theodolite is more common in European markets, while the term transit is usually used in the United States.

Transits consist of three major parts. The first is a sighting device known as an alidade. The alidade is usually equipped with vertical plane calibrations. The second part is an outer horizontal circle. The circle is a protractor held in the horizontal position and used to measure angles along the horizontal plane. The third part is the level. The level, or bubble level, is used to set the transit to a true horizontal plane.

It should be noted that alidades are sometimes used independently, apart from the transit. Plane table alidades are used alone for mapping small areas and completing details between survey control points. Most plane table alidades are equipped with three scales. Viewed through the

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eyepiece, the scales are used to measure angles along the altitude and azimuth, and to determine horizontal multipliers.

In some case it is hard to tell the difference between a transit and a theodolite. The theodolite is generally considered to be a highly refined optical reading transit. Theodolites are equipped with micrometer microscopes and/or electronic displays for reading angles with great precision.

The basic operating principle of the theodolite is quite simple. Equipped with a horizontal circle similar to those used in transits a pointer is used to indicate angle measurements. The pointer is set and pivoted at the center of the circle. So when the pointer is set at its target, the pointer will rotate along with it.

The size of a theodolite is determined by the diameter of the horizontal circle. For example, a 4”theodolite has a horizontal circle with a 4\"diameter. A theodolite is also equipped with a level to set it to true horizontal plane. The leveling process consists of using a level bubble I a glass tube shaped in the arc of a circle. When the theodolite is near the horizontal, with the concave side of the tube downward, the bubble of air will float to the top of the arc and center of the circle.

The need for more sophisticated engineering and measuring processes resulted in modifications and unique applications of theodolite. Scientists and engineers have used specialty and modified theodolite for aligning inertial guidance equipment, checking radar azimuths and elevation readouts, and calibrating dividing and rotating machines.

Range finders, are used to measure the bearing and distance of an object without having to go out to that object. This is particularly advantageous in situations where objects are either difficult or impossible

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to reach. The range finder does not measure angles of elevation, therefore, it cannot measure heights of objects.

Range finders used in surveying fit into three classifications: short, medium, and long range. As their name indicates, each classification is determined by the distances that can be measured. General guidelines for each classification are as follows: Short range finders measure distances up to approximately 100 meters. Medium range finders measure distances from 50 meters to 1000 meters (approximately 55 yards to 0.62 mile).Long range finders measure distance from 250 meters to more than 10 kilometers (approximately 270 yards to more than 6.2 miles).

Levels are used to obtain the direct measurement of height differences between two points. Measurements are made by sighting a horizontal line of sight on graduated level rods that are held vertically over various points on a plat of land.

A level basically consists of a telescope similar to that found on theodolite. The telescope can be rotated along the horizontal plane, but not along the vertical plane. Thus, levels cannot be used to take altitude measurements directly. Attached to the level is a bubble level, which enables the line of sight to be brought into true horizontal.

There are other field instruments that have been used for many years and which are still part of the surveying process. These instruments are tripods, plane tables, level rods, chains, and tapes. They are not as sophisticated as some of the other survey instruments described in this section, but they are important to collecting accurate source data.

Tripods are the support structures upon which surveying instruments are mounted. The three legs of the tripod are made of either wood or metal. The legs are independently adjustable to provide a stable support on uneven terrain. Plane tables are small, flat surfaces that are mounted on tripods

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or other support structures. They are used only for topographic surveying measurement instruments can be secured, permitting accurate measurements and plotting.

Level rods are constructed of two sliding wood sections. Each section consists of 0.01 graduations up to 13´. A target is also provided so that it can easily be spotted through a telescopic instrument.

Direct linear measures can be made by the use of chains or steel tapes. Chains are frequently used when surveys are being conducted for engineering projects. Chains come in lengths of 66´to 100´, and are made of 100 pieces of straight wire joined together through a series of oval rings. The measures are taken from the brass handle ends along the chain. Steel tapes, are used more frequently than chains, and come in various lengths up to 100´.

Surveying instruments such as transits, theodolites, and range finders are available as either MOD instruments are designed to accomplish the same type of surveying operation, but they use different techniques. MOD instruments use mechanical/optical principles, while EDM instruments use electronic principles.

The typical MOD measuring system is based upon instrumentation and procedures that can be traced back to ancient civilizations. MOD measuring systems require visual sightings and the determination of distances and angles by optical and/or physical measurements. An example of this the determination of the distance and elevation difference between two control points, A and B. A transit would be set up directly over point A, while a level rod would be physically measured by a chain or tape, while elevation difference would be sighted through the transit to the level rod.

The explosion of solid-state technology and microcomputers has made possible the rapid development and use of EDM instruments. Unlike MOD

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measuring instruments, EDM does not require the physical process of measuring linear distances, angles, or elevations. EDM relies upon the electrical transmission of signals, in the form of radio and/or light waves, and translation of these transmissions into measurements.

As can be observed, EDM systems are made up of three components a transmitter, a reflector (sometimes referred to as a retro-reflector), and a receiver: To explain how an EDM system operates, we shall consider the some control points A and B described in the discussion of the MOD system. The distance and elevation would be determined in the following way using an EDM system. The transmitter and receiver, would be set up at point A, while the reflector would be located over point B. next, the transmitter would send a transmission wave to the transmitter and receiver unit is a microcomputer that translates the time difference between wave deflection into elevation.

Since an EDM system does not require the physical process of measuring ,it decreases the number of members required on a survey crew. In fact , some EDM system can be handled by one person. Because of his and the increase in speed and accuracy of measurements, EDM system are rapidly replacing MOD measuring systems. Furthermore, EDM systems have a wider range of application in surveying.

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中文翻译

经纬仪（1）

经纬仪是一种用来测量水平角和竖直角的仪器。它能很精确地观测这些角，因而被广泛应用于测量中。

经纬仪利用望远镜提供视线，其原理已经解释过。在不同的高度设点测竖直角时，望远镜必须能够绕水平轴旋转。而测水平角时，又必须能够绕竖轴旋转。

经纬仪有三条直线满足几何一定的几何关系，即视准轴垂直于横轴，主旋转轴垂直于竖轴。

如果经纬仪满足这种几何关系，那么，当旋转轴垂直，横轴水平时，望远镜抬高或降低，视准线将会扫过一个垂直平面。

水平角测量显然，测水平角时，所需设备是：（1）水平度盘

（2）经纬仪望远镜的上部必须绕着通过水平度盘的竖轴旋转，而且望远镜必须能指向任何方向。

（3）旋转部分还必须有一个指标，这样就能在水平度盘上读数。

（4）把望远镜依次对准两个目标，分别读数，然后求两个读数的差，即为所测水平角。

（上面符有水平度盘，以及指标的指标可能还没有被用过）

竖直角的测量竖直角与水平角不同，它不是两个目标的读数差，而是水平面为0，所以在这种情况下，它的要求是：

（1）望远镜上应有水平度盘，且垂直于横轴。（2）指标应合适地放在经纬仪的主体部分上。

（3）当竖直角读数为0°，视线水平时，经纬仪的相关部件就满足这种关系。（这种可能的配置，即望远镜的指标及竖直度盘符在经纬仪的主体部分上，是不方便的或不能用）

对中顶点三脚架的孔应比对中顶点的口稍大点，这样才能穿过三脚架，而且，在仪器最后置动之前，可以来回移动，其范围为30～40㎜。这对经纬仪的对中起着很大作用。这种对中顶点的信号种类很多，其中一些比其他更好用。当使用光学经纬仪时，基本上都有对中顶点。

对中所有的经纬仪都支持在垂直轴的末端从钩上或其他合适的位置挂一个锺

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球。许多仪器也有一个光学对准装置，这是通过合适的仪器透过空的中心轴来完成的，这样就形成了一个指向朝下的小望远镜。利用一个反射棱镜，把视线反射到仪器侧面的目镜上。与光学系统中有关的光圈记号，观测者就能看到地面上的记号，这样，我们就能看到目标了。

光学对准器在一些情况下非常有用。在望远镜的视线垂直之前当然是没有影响的，整平和对中的工作就的连续进行了，这可能是要浪费时间的，通常是使悬挂锤球更迅速。除了在大风，当地面记号处于洞底或者其他特殊情况时，光学对中装置应该能旋转，否则就没有必要来检查是否在垂直轴线上。

经纬仪的类型如今用到的经纬仪几乎都是子午仪，其原理是，望远镜能够绕垂直轴旋转，使其所附带的度盘从目镜端看不是在望远镜的左边，就是在其右边，这两个位置分别叫做盘左、盘右。

而非子午仪望远镜的优点是不需要高支撑，因此这种仪器被制作的相对小型点：即如今普通经纬仪的望远镜长度只有100～150㎜，这样考虑它时就失去其重要性了。

不久前，经纬仪被分为两种类型，一种是用游标读数，另一种是用显微镜读数。

带游标的经纬仪结构简单，且相对便宜，并普遍被应用。这种仪器的精度当然是被限制在最小的计数内，且能方便调节的计数。在直径为125㎜的刻度盘上以20′来分和用游标读数的每20″作为分割。这是一种限制，一个较小的盘能被分成半度（30′）和读数为半分（30″）。

另一种经纬仪，原刻度盘通过显微镜看到，借助这种放大率，读分和秒的精度通过显微镜平板上的十字丝的滑动可获得。事实上，这显微镜的功能同游尺的功能相似，是在旋转部分的参考点和相邻的度盘划分线间的小分割。

然而，测微显微镜已经被大范围代替，被在玻璃板上有刻度盘的经纬仪所代替。通过一个多少有些复杂的光学系统，可以看到这些分划，利用这个光学系统，观测员在瞄准望远镜的位置时就可以读出水平度盘和垂直度盘的读数。为了读数它必须固定在仪器上，与显微镜仪器相比，这种特征表明在观测速度上有些改善。

这种光学读数仪器可分为两个重要部分：

（1）在测微器上能划分到1′的精密仪器，或者是更细微的划分。在这些经纬仪中，有光学读数系统，以便于水平度盘能及时被看到，而且观测者操作仪器

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时能得到一个平均读数，这样就避免了偏心率的错误。

（2）较低精度的经纬仪。其读数伴随着测微器得到，对于其他的，如分划读数经纬仪，光学经纬仪能放大标尺，且他以下的划分通过主标尺划分的估计可得到，这种低精度的经纬仪直径通常为70～80㎜。读数只能在一个点上，而且精度为1/4分。这种经纬仪用水平间隔为20″的测微器读数，其读数精确到10″。

经纬仪通过镜子获取光线，光线的一部分通过水平度盘上，部分通过竖直度盘，合适地放置镜片和棱镜，这两束光就置于横轴上，然后对准D盘。这两束光通过一个两边平行的玻璃板C，它能利用测微器按钮绕竖直旋转轴，其位置通过水平板S显示。通过 D盘的目镜，观测者可看见V窗口中竖直度盘的一部分，H窗口中水平度盘的一部分以及S窗口中的比例尺，每个窗口有一个固定的指标，当C盘旋转时，比例尺就会通过个窗口移动。

C盘的厚度以及S盘的长度必须刻划，这样读数在00′00″～20′00″间时比例尺的移动才能使V和H窗口中的图像移动一个精确的距离，即度盘的20 ′，读数时用测微器的按钮，使得竖直或水平度盘视线与参考标志一致，度盘读数读到20′，而且测微器上标尺的读数读到20″（或估读到10″），最后加到主度盘的读数上。

测量工具

地形图和地图的效用和适用性取决于他们所准备的原始数据的精度. 收集原始数据的一种方法是野外测量. 测量是被用做系统测量地球表面相关要素和特征的结果。测量的精度取决于两个关键因素:仪器质量和精确的测量手段,测量人员的能力。

在如今的市场中有各种测量工具。虽然有各种类型的测量工具，但总的可以分成两类，一类机械光学测量仪器：另一类是电子测量仪器. MOD和EDM测量仪器的主要区别在于仪器操作和信息处理方面，但是MOD和EDM测量仪器具有相同的基本目的和功能.

本节描述的是基本测量仪器地图和地形图测绘方面的应用现状. 我们所介绍的内容和操作原理将会帮助读者充分地理解MOD和EDM两种仪器间的差别。

旋转过程只在竖直平面内就是所谓的子午仪，如此设计经纬仪就叫做子午经纬仪或子午仪。在欧洲市场上普遍叫做子午经纬仪，而在美国通常称为子午仪。

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子午仪包括三个部分。第一部分是一个视线装置，即所谓的照准部，照准部被安装在竖直平面刻度盘上。第二部分是一个外水平度盘，这个度盘是一个被置于水平位置用来测量在水平中的角度的量角器。底三个部分是水准器。水准器或者叫做水准管，被用来调节子午仪到一个真正的水平面上。应该认识到照准部有时候脱离子午仪被独立使用。平板仪照准部被单独用作小范围测图和测量控制点的细节。大多数平板仪照准部安装三个度盘，通过目镜照准，度盘被用来测量沿水平方向和竖直方向的角度，而且决定水平乘法器。

大多数情况下，区分子午仪和经纬仪是很难的。经纬仪通常被认为是高精度光学读数子午仪，它安装了测微器望远镜和用来读高精度角度的电子显示器。经纬仪基本操作原理是相当简单的，因为经纬仪装配了一个与子午仪相似的水平度盘，所以可以用指针来指示角度观测值。指针被安置使其绕着度盘中心转动。所以当经纬仪照准目标时，指针随着经纬仪而转动。

经纬仪的型号由水平度盘的直径来决定。比如说，型号为4\"的经纬仪就是说水平度盘的直径为4\"，经纬仪另外配备了一个水准器，使其能被安置在真水平面内。抄平的过程是使用似圆弧的玻璃管中气泡，当经纬仪接近水平时，由于水准管的凹面向下，气泡将漂移到圆弧的顶部和中心位置。

更加复杂的工程和测量过程的要求导致经纬仪的改进和独特的应用。科学家和工程师已经使用专业和改进过的经纬仪去照准惯性向导装备，去检核雷达方位角和高程数字显示装置；去校准分度器和旋转器。

测距仪被用来测量目标的方位角和距离。当目标既困难又不可接触时，这是它的明显的优势。测距仪不能测高度角，因此，它不能测量目标的高程。被应用于测量中的测距仪可以分为三个类型：短距离、中距离和长距离，就如它们的名字一样所显示，每一类由它们所能测的距离来决定。每一类的通用准则如下：短距离测距仪测距最高可达到接近100米，中距离测距仪测距从50米到1000米，长距离测距仪测距从250米到10千米。

水准仪被用来直接获得不同两点间的高程数据，水准测量是通过一条水平的视线照准带有刻度的水准尺来进行的，这些水准尺被垂直放在某一地段不同的点上。水准仪上的基本组成望远镜和经纬仪上的望远镜相似。望远镜能够沿着水平

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面旋转，但不能沿垂直面旋转，所以，水准仪不能直接得到高程数据，附在水准仪上的有一个水准器，它能够使视线达到真正的水平。

被使用许多年的其它野外测量仪器仍然是测量工作的一部分。这些仪器是三脚架、平板仪、水准尺、三角锁和卷尺。它们不会像所描述的其它测量仪器那样完善，但它们对搜集精确的原始数据是重要的。

三脚架是用来支撑测量仪器的。三脚架的三条腿是由木头或金属制成的，这些腿被单独调整以便能够在不平坦的地形提供一个稳定的支撑。平板仪是一个被安放在三角架或其它支撑仪器的小的平板。它仅仅被用做地形测量，提供一个平面使得测量仪器是安全的，允许测量和展绘。水准尺由两面可调整的木制部分所构成，每一面包括0.01分划线直到13´，同时目标也被提供以至于它能够很容易的通过望远镜准确的定出它的位置。直接直线测量能被实施通过使用三角锁或者是刚尺。在工程项目中，建筑三角锁是被频繁使用的。长度上有66´到100´的三角锁是由100片直的金属丝组合在一起穿过一系列椭圆形的环。在各种长度达到100´的测量工作中刚尺比三角锁更频繁的使用。

像子午仪、经纬仪和测距仪这些测量仪器如同MOD或者EDM测量仪器一样是可用的。MOD和EDM仪器被设计去完成相同的测量操作，但它们使用不同的技术。MOD仪器使用的是机械光学原理，而EDM仪器使用的电子原理。MOD和EDM仪器被设计去完成相同的测量操作，但它们使用不同的技术。MOD仪器使用的是机械光学原理，而EDM仪器使用的是电子原理。

经典MOD测量系统是基于可追溯到古老文明的测量仪器和方法而得来的。MOD测量系统要求直观的视线和确定的距离和通过光学和物理测量得到的角度。举个测定两个不同控制点距离和高程的一个例子，A点和B点。A子午仪直接被安放在A点，而水准尺被置于B点，A点到B点的距离可通过三角锁或尺子物理测量，而不同的高程通过子午仪到水准尺被测设。

固态爆炸技术和微型计算机的快速发展使EDM测量仪器的使用成为可能。不像MOD测量仪器，EDM不需要测量直线距离，角度或高程的物理过程。EDM依赖电子传播信号以无线电或光波的形式把发射信号翻译成测量结果。

就像所观测到的，EDM 系统由三个元件组成——发射器，反射器，接收机：为了说明EDM是怎样操作的，我们将考虑某一控制点A和在讨论MOD系统中被描

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述的B点。距离和高程在下面的方法中使用EDM系统测定。发射器和接收器将被安放在A点，而反射器被安放在B点。下一步，发射器将发射一条传送波到发射器，而反射器又把传送波传送到接收器上。就因为EDM系统不需要物理测量过程，减少了测量人员的数量，事实上，某些EDM系统能被一个人所操作。因为这些和测量精度的提高，EDM系统迅速取代了MOD系统。EDM测量系统在测量中会有更宽广的应用

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参考文献

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[2] 周忠谟，易杰军编著。GPS卫星测量原理与应用。北京：测绘出版社，1992 [3]许其凤，GPS卫星导航与精密定位。北京：解放军出版社，1994 [4]刘经南，GPS卫星定位技术发展。全球定位系统，200（2）。 [5] 工程测量学，陈永奇编著。北京：测绘出版社，1995

[6] B.H甘申等：建筑物垂直位移的观测与水准标石稳定性分析，测绘出版社，1986 [7]W.Niemeier,Statiscal tests for detecting movement in repretedly measured geodetic networks,Tectonophysics,71(1981).

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致谢

经过两个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。本篇论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有老师的指引和赠予，没同学们的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师李瑞霞老师，她平日里工作繁多但对我们的指导仍然是不厌其烦，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。除了敬佩李瑞霞老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下测绘专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。

再次由衷感谢答辩组的各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！

最后感谢学校四年来对我的大力栽培。

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