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GPS道路控制测量
目录
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 项目概述 1
1.1 项目来源 1
1.2 测区概况 1
2 设计依据、测量基准和作业软件 2
2.1 设计依据 2
2.2 测量基准 2
2.2.1 平面坐标系统 2
2.2.2 高程坐标系统 3
2.3 作业软件 3
3 相关资料的收集 3
3.1 图件资料 3
3.2 平面控制资料 3
3.3 高程控制资料 4
4 GPS控制测量 4
4.1 选点 4
4.2 埋石 4
4.2 GPS网的建立 6
4.2.1 GPS网精度要求 6
4.2.2 GPS网布设形式 6
4.3 GPS网的图形设计 7
4.4 GPS平面控制测量 9
4.4.1 平面控制测量方法 9
4.4.2 外业测量技术要求 9
4.4.3 外业测量记录 10
4.5 高程控制测量方法 13
4.5.1 高程控制测量系统 13
4.5.2 高程控制测量技术规范 13
5 GPS内业数据处理 14
5.1 GPS基线解算 14
5.2 GPS网平差 15
6 提交成果资料及成果验收 15
致谢 16
参考文献 17

GPS道路控制测量

摘 要

Global Positioning System全球定位系统，也就是我们所说的GPS。它是由美国研制并且在1994年开始使用的卫星导航定位系统。随着社会科学技术水平的不断发展，该技术也取得了令人满意的进步，并且逐渐变的成熟和完善。现在它已遍布在我国国民经济及社会生活的军事、交通运输、测绘、资源调查等各个领域。在测量领域, GPS定位系统已广泛应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形、地籍测量等各个方面。
本设计主要是有关GPS道路施工测量方面的设计，本文针对公路测量的特点及过程，论述了公路测量采用的方法，并阐述了公路测量技术的应用原理。

关键词 GPS∕控制测量∕道路工程

PATH OF GPS CONTROL SURVEY

ABSTRACT

The Global Positioning System is known as GPS as we known. It is developed by the United States and in 1994 began using a satellite navigation and positioning system. With the continuous development of social science and technology level, the technology also has made satisfactory progress, and gradually become mature and perfect. Now it has spread in our country national economy and social life of the military, transportation, surveying and mapping, resource investigation and other fields. GPS has been widely used in geodesy, engineering surveying, aerial survey and topographic and cadastral survey.
This design is mainly about the design aspects of GPS road construction survey, this paper, the characteristics of highway and process measurement, discusses the methods used to measure the road, and described the application of measurement principles of highway.

KEY WORDS: gps/control survey/road engineering

1 项目概述
1.1 项目来源
近年来，随着社会经济的迅速发展，人们的交往变的更加密集频繁，城镇的建设也在日夜不停的进行中，人们出行离不开道路，同时经济的发展，经济的往来，运输业等也时时刻刻受到道路条件的制约，所以更多公路道路的修建势在必行。为了更好的促进城镇之间社会经济和人文的相互交流，平顶山市及长葛市公路局联合委托我们小组对两市之间进行一条公路的施工设计。项目工作内容包括：现场勘测，选点、埋石，建立GPS控制网，平面控制测量，高程控制测量，数据处理解算，网平差。平顶山市至长葛市公路施工建立D级GPS控制网，由平顶山出发，途经襄城、禹州地区，穿过汝河、颖河等多条河流，全长共99.8公里。
1.2 测区概况
第一：平顶山位于河南省中部，因建于“山顶平坦如削”的平顶山下而得名，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛，境内有沙河、汝河、澧河、甘江河等31条河流。建市50多年来，平顶山以其得天独厚的地理位置、丰富的自然资源、雄厚的经济实力以及源远流长的灿烂文化，越来越为中外所瞩目，是中国优秀旅游城市、国家园林城市、中国曲艺城和中国书法城，中原城市群九个中心城市之一。
第二：长葛市位于河南省中部，许昌市北部、北纬34°09′~34°20′，东纬113°34′~114°08′。长葛处于豫西山区向豫东平原过渡地带，西北高，东南低，呈缓倾斜状。地貌现状大体可分为浅山区、岗丘区、平原区。市区北距郑州62公里。市境南北21.4公里，东西51.9公里。京广铁路、京珠高速公路、107国道纵贯南北彭（店）一花（石）公路横穿东西，境内市乡公路四通八达。
第三:平顶山市至襄城路段地势起伏较大，多为山地，其中也经过数条河流；襄城至禹州路段大部分地势较为平坦，但部分地区起伏较大，为山地中间还间隔有一个矿区；禹州至长葛路段地势较为平坦，起伏不大，多为平原。
第四：全区路段位于东经113°17′35.60″至113°36′15.68″，北纬33°44′24.84″至33°26′12.9″。总体线路较为复杂，高山、丘陵和平地交替出现，线路基本为西南—东北走向。
2 设计依据、测量基准和作业软件
2.1 设计依据
（1）CH 2001-92《全球定位系统（GPS）测量规范》
（2）CJJ 73-97《全球定位系统城市测量技术规程》
（3）CH 1002-95《测绘产品检查验收规定》
（4）CH 1003-95《测绘产品质量评定标准》
（5）CJJ 8-85《城市测量规范》
（6）GB 50026-93《工程测量规范》
（7）GB 12898-91《国家三、四等水准测量规范》
2.2 测量基准
2.2.1 平面坐标系统
综合测区整个路段，平面控制网采用D级GPS网为首级控制网，通过加密1级（5″）导线来实现。
2.2.2 高程坐标系统
高程控制测量采用四等水准测量。各种等级的水准测量技术要求如下表：

表4.2.1　水准测量的主要技术要求
等级
每千米高差全中误差（mm）
附合路线长度（km）
水准仪型号
水准尺
观测次数
往返较差、附合或环形闭合差（mm）
与已知点联测
附合或环形
平地
山地
二等
2

DS1
铟瓦
往返各一次
往返各一次
≤4

三等
6
≤50
DS1
铟瓦
往返各一次
往一次
≤12
≤4
DS3
双面
往返各一次
四等
10
≤20
DS3
双面
往返各一次
往一次
≤20
≤6
五等
15

DS3
单面
往返各一次
往一次
≤30

数据来源：《水准测量的主要技术要求》
2.3 作业软件
瑞士徕卡LeicaGPS500系统、Leica TC1610C全站仪。
3 相关资料的收集
3.1 图件资料
在进行测量施工作业之前，了解测区基本情况，收集测区内相关资料和交通道路路线图作为参考。另外也可以借阅相邻乡县之间的县级公路施工设计图作为当时路段的设计参考。
3.2 平面控制资料
测量路段及其附近地区有09年布设施测的GPS控制点，点位数据来源可靠，精度较高，经现场勘察点位保存完好。可以作为该路线施测的平面控制网的起算点。
控制点坐标：
K1 x=3738317.231 y=38424237.870
K2 x=3738599.669 y=38424298.116
3.3 高程控制资料
施测路段及其附近地区保存有四等水准点，数据精度可靠，经现场勘察点位保存完好。可以作为该路线施测的水准控制测量的起算数据。
DS01 h=123.510
DS02 h=131.199
4 GPS控制测量
4.1 选点
通过实地勘测以及测区资料的研究，长葛到平顶山该段公路全长大约99.8km，按照精度级别测网要求，每2～5km布设一个测站点，该路段以每2km布设一个测站点进行埋石，全线共布设出50个测站点。
其中在进行选点、埋石的作业过程中，我们需要注意按照以下要求进行：
第一：每个测站四周应该视野宽阔，高度角15°以上不能出现成片的障碍物。测站点信号要好，并且还要便于安置GPS接收机和天线，这样才方便进行观测。
第二：各个测站要远离围墙、房屋、山坡、广告牌以及大面积水面等信号反射物，以防止出现严重的多路径效应。
第三：各测站要远离大功率的无线电信号发射器，以免破坏接收机天线。GPS接收机要与变压器、高压输电线等物体保持一定的距离以避免干扰。具体需要保持的距离可以参阅接收机的说明书。
第四：要尽量的利用符合要求的原有控制点和标石。
第五：各测站应选择地势条件好的，容易保存并且稳定的地方，并最大程度的顾及交通等条件。
第六：A级GPS点的点位需要符合CH/T2008的相关规定。
第七：应该选择测站周围环境与外侧大环境相互一致的地方，以避免或者减小环境因素带来的误差。
4.2 埋石
埋石的过程中，我们同样需要注意一些问题：
第一：标石的类型。GPS各级网所需要的标石类型不同，其具体情况如下：

标石类型
适用级别
a.基岩天线墩
AA、A
b.岩层天线墩
AA、A
c.基岩标石
B
d.岩层普通标石
B～E
e.土层天线墩
AA、A
f.普通基本标石
B～E
g.冻土基本标石
B
h.固定沙丘基本标石
B
i.普通标石
B～E
j.建筑物上的标石
B～E
图2.2-3 GPS点标石类型
其中C级以下临时性工程网点，可以做简易标志。
各种不同类型的标石都应设有各自的中心标志，一般基本标石和基岩标石的中心标志应为不锈钢或铜制作。而其他普通标石的中心标志可以用坚硬的复合材料或铁制作。标志中心应该嵌入有不同颜色的金属(如不锈钢或铜)或者精细的并且清晰的十字型线制作的半径小于0.25㎜的中心点。并应在标志面上画有“GPS”及施测单位名称。
第二：方位点上只需埋设普通标石，但需要加以注记。
第三：在有能够利用的旧点是，需要确定该点上的标石是完好的，并且符合同一级别GPS点埋石的要求。如果标石被破坏了，可以在下标石的基础上重新埋设新的标石。
第四：埋设标石时，各层标志的中线应该严格的在同一条铅垂线上，其偏差最多不能大于2mm。对于强制对中装置的对中误差不能大于1mm。
第五：不论哪个级别的GPS的标石，一般都需要用混凝土灌制。条件好的可以用整块的青石、花岗岩等石头凿制而成，但其规格同样不能小于同类的混凝土标石。在埋设标石时，应该现场浇灌混凝土；而普通标石则可以制作后运往站点埋设。
第六：B、C级别点的标石埋设好以后至少需要经过一次大雨或一次解冻期，而岩层或者基岩的标石至少需要一个月后才能用于观测。
第七：进行GPS点埋石之前，需要先经过当地土地管理局或者土地使用者的同意，并办理相关的手续后才能进行埋石工作。新埋的天线墩或者标石都应办理测绘标志委托保管书，共需要三份，保管标石的单位一份，上交和存档各一份。利用旧点需要核实委托保管书，如果没有，需要重新办理。
第八：现场浇灌混凝土标石的同时，需要在上面刻上GPS点的埋设时间、类别、“国家设施勿动”等字，以防止其他人故意进行毁坏。对于平原、荒漠等不易寻找GPS点的地区需要在点的附近埋设指示碑，指示碑的规格需要参照规范认真制作。
埋点工作完成后，需要交上一份资料，其中资料内容包括：土地使用批准和测量标志委托书；标石制造时的照片；埋石时候点的情况；埋石工作总结。
4.2 GPS网的建立
GPS控制测量首先要布设GPS控制网。GPS控制网的布设形式有会战式、同步图形扩展式、多基准站式、单基准站式、跟踪站式多种形式。
本设计自平顶山出发，经过襄城、禹州，最后到达长葛的一条公路，其所采用的布网形式为同步图形扩展式。通过该布网形式建立D级网。
4.2.1 GPS网精度要求
根据规程规范，D级GPS网的精度要求如下：
项目 技术要求平均边长(km) 5～10
固定误差a(mm) ≤10
比例误差b(mm) ≤10
最弱边相对中误差 1/45000
4.2.2 GPS网布设形式
同步图形扩展式就是有多台接收机在不同的测站进行相同的同步观测，在完成该同步观测后，又继续在其他测站上进行同步观测，每次观测都会在接收机中形成一个图形，各个图形之间有若干个交点，而整个GPS网就由这些图形组成。该种布网形式不仅图形强度高，扩展速度快，而且作业的方法简单，适用于建立B、C、D、E级网。
会战式布网形式需要在一段时间内有多台GPS接收机同时作业。顾名思义该布网形式在进行作业时，全部的接收机需要在所测的这一批点上进行多天的长时间观测，就如同两军会战一般，持续时间很长，而完成一批点的测量工作之后，所有的接收机需要搬到另一批点上继续观测，直至所有的点被测量完。该种布网形式有缺点也有优点，因为测量的时间长，所以观测的精度高，得出的数据准确度高，但是它所需要的时间长并且成本高。该布网形式适用于建立B级网。
多基准站式就是把若干台接收机固定在某几个点上进行长时间的观测，而其他接收机在这些点周围进行观测的测量。该布网形式既可以获得精确的基线向量和可靠的测量结果，又能够形成高强度的图形结构，比较适用于建立B、C、D、E级网。
单基准站式又称为星形网形式，它就是以一台接收机为基准站，在其中某一站点上进行连续观测，其他的接收机在其周围流动，每当到达一个观测点时就进行观测。该布网形式简单且效率高，但是图形强度很弱，为弥补该缺点，需要在测站中至少进行两次有效观测。该布网形式由于图形强度低，所以不适合进行等级GPS控制网测量。
跟踪站式布网所用的接收机数量与网的数量通常相同，这些接收机数年都被固定在一个测站上进行不间断的观测。该布网形式具有很高的准确度和可靠性。但是所耗时间大，费用高，只适用于建立A级网。其他级别的GPS网由于成本太高的缘故，所以一般不被采用。
4.3 GPS网的图形设计
GPS网中的各种图形都是有独立基线向量组成的。根据这些图形可以发现，GPS网大致都是由附合导线、支导线、多边形、三角形等基本图形构成的。
本文所设计公路采用附合导线网，具体布设情况如图所示：

图4.3-1附合导线布设

根据各种精度级别的不同，各导线网相邻基点的距离需要参照GPS规范认真执行
2.2-1 GPS网精度分级
级别
固定误差
比例误差系数
AA
≤3
≤0.01
A
≤5
≤0.1
B
≤8
≤1
C
≤10
≤5
D
≤10
≤10
E
≤10
≤20
数据来源《 GPS网精度分级规范》
σ=√[a2+(b×d)2]；
式中：σ—标准差，㎜；
a---固定误差，㎜；
b---比例误差系数，
d---相邻点间距离，㎜。
GPS测量大地高差的精度、比例误差系数b和固定误差a按表2.2-1放宽1倍执行。
AA、A级平差后在ITRF YY地心参考框架中的点位精度及对连续观测站经多次观测后计算的相邻站间基线长度年变化率测定精度，按表2.2-2规定执行
图表2.2-2点位精度和基线长度年变化率精度规定
级别
点位地心坐标精度，m
基线长度年变化率精度，㎜/年
AA
≤0.05
≤2
A
≤0.1
≤3
来源数据：《点位精度和基线长度年变化率精度规范》
在进行GPS网布测前需要先进行技术设计，这样才能得到最优方案。这些过程包括项目规划、技术设计、资料收集整理、仪器检验、踏勘、选点、埋石等作业。这些作业过程都需要参照GPS规范严格认真操作。
4.4 GPS平面控制测量
4.4.1 平面控制测量方法
GPS平面控制测量采用静态模式测量。根据布设的GPS平面控制网，测出各个测站点的点位平面坐标。
4.4.2 外业测量技术要求
外业进行测量作业时要严格按照操作要求操纵仪器，具体注意事项有以下要求：
1．接收机天线利用脚架和光学对点器安置在标志中心的垂线方向线上，其偏差不大于3mm；圆气泡必须居中，定向标志线指向正北，误差不大于±5°，观测前对点器必须经过检验和校正。
2．作业人员需严格遵守操作要求和调度安排，按规范对同一组卫星进行同步观测，在观测过程中，应坚守工作岗位，不能擅自离开，以便及时发现问题，并采取相应的处理措施解决问题。
3．外业记录手册必须当场填写，保证数据准确、内容齐全。每时段前后应各量一次天线高，两次较差不大于3mm，取其中数填入记录手薄中。
4．接收机记录数据后，应查看测站信息、信噪比、相位残差及存储介质记录等，根据采集数据的质量，采取相应的措施。
5．外业观测应严格按照操作手册进行，存储在仪器上的数据文件应及时拷贝到计算机中；接收机内存储的数据文件在转录时，不得轻易进行任何剔除和删改，不得进行认为的编造和加工。
6．一时段观测过程中，不允许进行以下操作：
A．接收机关闭又重新启动；
B．进行自测试；
C．改变卫星仰角限；
D．改变数据采样间隔；
E．改变天线位置；
F．按动关闭文件和删除文件等功能键；
对于迁站的形式我们采用翻转式迁站。迁站过程中需要考虑以下几种因素：
第一：每点的观测次数。
第二：一天内观测时段的测量。
第三：可提供使用的车辆。
第四：迁站及仪器安装和拆卸的时间。
第五：各点之间的交通路况。
第六：观测小组成员对路况的熟悉程度。
4.4.3 外业测量记录
外业测量观测作业时，应严格按照规范要求进行，严格服从调度命令，在规定的时间内进行测量作业。测量过程中，一人对测量手簿进行记录（手簿格式如下表所示），需要画出大体的测量路线草图，以便与GPS接收机中存储的测量记录进行对照，以确保测量过程无误进行。

点号

点名

图幅号

观测记录员

日期段号

观测日期

接收机名称
及编号

天线类型
及其编号

存储介质编号数据文件名

近似纬度
° ' "N
近似经度
° ' "E
近似高程
m
采样间隔
s
开始记录
h min
结束
h min

时间

记录时间

天线高测定

天线高测定方法及略图
点位略图

测前： 测后：测定值_____ _____m
修正值_____ _____m
天线高_____ _____m
平均值_____ _____m

时间（UTC）
跟踪卫星号(PRN)及信嘈比
纬度
°' "
经度
°' "
大地高
m
天气状况

记事

图2.3-1 记录手簿格式

测量过程应严格遵守规范，其中GPS测量技术要求如下：
图2.3-2 GPS测量技术要求
项目 级别
AA
A
B
C
D
E
卫星截止高度角
10
10
15
15
15
15
同时观测有效卫星总数
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效观测卫星总数
≥20
≥20
≥9
≥6
≥4
≥4
观测时段数
≥10
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
时段长度min
静态
≥720
≥540
≥240
≥60
≥45
≥40
快速静态
双频+P(Y)
—
—
—
≥10
≥5
≥2
双频全波
—
—
—
≥15
≥10
≥10

单频或双频半波
—
—
—
≥30
≥20
≥15

采样间隔s
静态
30
30
30
10～30
10～30
10～30
快速静态
—
—
—
5～15
5～15
5～15

时段中任意卫星有效观测时间min
静态
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
快速静态
双频+P(Y)
—
—
—
≥1
≥1
≥1
双频全波
—
—
—
≥3
≥3
≥3

单频或双频半波
—
—
—
≥5
≥5
≥5

数据来源：《GPS测量技术要求规范》
其中还有其他注意事项：在时段中观测时间符合表中第七项规定的卫星为有效观测卫星。计算有效观测卫星的总数时，应将各个时段的有效观测卫星数扣除其中的重复卫星数。观测时段的长度应为开始记录数据到结束纪录的时间段长度。观测时段数≥1.6表示每站观测一时段，至少60%测站需要再观测一个时段。
4.5高程控制测量方法
4.5.1 高程控制测量系统
GPS高程控制测量常常采用大地高、正高和正常高系统。我们采用的正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。采用GPS的方法测出点的空间直角坐标（x，y，z），再通过坐标转换将其转换成大地经纬度和大地高（b，l，h），而要确定出点的正高或正常高，需要在基于椭球和大地水准面或似大地水准面的高程系统间进行转换。
4.5.2 高程控制测量技术规范
水准高程测量的主要技术要求应符合下表内容：
表4.5.2-1 水准测量技术要求
等级
每千米高差全中误差（mm）
附合路线长度（km）
水准仪型号
水准尺
观测次数
往返较差、附合或环形闭合差（mm）
与已知点联测
附合或环形
平地
山地
二等
2
—
DS1
铟瓦
往返各一次
往返各一次
≤4
—
三等
6
≤50
DS1
铟瓦
往返各一次
往一次
≤12
≤4
DS3
双面
往返各一次
四等
10
≤20
DS3
双面
往返各一次
往一次
≤20
≤6
五等
15
—
DS3
单面
往返各一次
往一次
≤30
—
表4.5.2-1 水准测量技术要求
5 GPS内业数据处理
数据传输获得GPS接收机中的原始观测数据，利用数据传输软件记录在计算机中，然后用格式转换软件对数据进行格式转换，使之化成标准格式的数据，然后进行基线解算，生成GPS基线解算向量，检查是否完成所有的观测和基线解算，确定的话就进行网平差，得出最终的所需数据。如果没有全部完成的话，需要从头进行数据处理。
5.1 GPS基线解算
GPS控制网基线解算需要采用卫星广播星历坐标值来当做基线解的起算数据,利用解算软件进行。数据预处理基线都采用双差固定解作为最终结果,它的结果中基线长度中误差输出值不应超过2σ。所有的外业观测数据都应该经过独立环、同步环及复测基线检核。
σ=√[a2 +（b×d）2 ]
、、
、

式中:σ——标准差,即基线向量的弦长中误差(m m )；
a——固定误差(m m )；
b——比例误差系数(1×10-6)；
d——相邻点间的距离(km )。
根据软件的功能和精度、外业施测的精度要求和实际情况，可采用单基线解或多基线解；每个同步观测图形都只能选择一个起算点。
5.2 GPS网平差
进行GPS网平差，首先确定独立基线和其精度统计信息，接着进行无约束平差，然后在地心坐标系的参照下解算出坐标和基线的向量估值，然后算出基线向量改正数，经过调整后的基线向量观测值的权阵，一级各类精度统计的信息来决定是否引入地面常规观测值，如果不引入，就利用起算数据进行约束平差，进而得出最终结果；如果引入的话利用地面的常规观测量和起算数据进行联合平差得出最终结果。
6 提交成果资料及成果验收
GPS测量任务完成后，上交如下资料：
1. 测量任务书与专业设计书；
2. 点之记、环视图和测量标志委托保管书；
3. 外业观测记录（包括原始记录的存储介质及其备份）、测量手簿及其它记录（包括偏心观测）；
4. 接收设备、气象及其它仪器的检验资料；
5. 外业观测数据质量分析及野外检核计算资料
6. 数据加工处理中生成的文件（含磁盘文件）、资料和成果表；
7. GPS网展点图；
8. 技术总结和成果检查报告。
成果验收的重点对象主要有：
第一：实施方案是否严格遵守规范和技术设计要求；
第二：重测、补测和数据去除是否合理；
第三：数据处理的软件是否符合要求，起算数据是否正确，处理的项目是否齐全；
第四：是否达到规范中各项技术指标的要求。

致谢

经过近半年的忙碌和工作，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，要特别感谢我的导师蒋瑞波的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。如果没有蒋瑞波老师的督促指导和帮助，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在设计写作过程中，得到了蒋瑞波老师的亲切关怀和耐心的指导。从课题的选择到最终完成，蒋瑞波老师始终都给予我细心的指导和不懈的支持。在四年的学习和生活期间，也始终感受着学院老师的精心指导和无私的关怀，使我受益匪浅。在此向学院老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
     在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有很多的师长、同学和朋友给了我很多的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
最后还要感谢土木工程学院和我的母校—河南工程学院四年来对我的栽培。

参考文献

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