GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計和實現(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)

GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計摘 要隨著GPS 觀測技術(shù)的快速發(fā)展及其在測繪領(lǐng)域方面的廣泛應(yīng)用，GPS 控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計也得到了人們越來越多的關(guān)注。在布網(wǎng)方案和平差模型這兩個方面，GPS 控制網(wǎng)與經(jīng)典控制網(wǎng)之間存在著很大的不同。本文對GPS 控制網(wǎng)的設(shè)計理論進行了簡單分析，針對設(shè)計的一些具體要求，對GPS 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的原則、步驟及設(shè)計方法進行了詳細的闡述，給出實際的設(shè)計方案，指出在實際操作時，應(yīng)結(jié)合實際情況合理的布設(shè)控制網(wǎng)，并同時考慮到可靠性、精度、效率、成本等因素，尋求最佳方案。該論文有圖10幅，表10個，參考文獻11篇。關(guān)鍵詞：GPS控制網(wǎng) 布設(shè)原則 優(yōu)化設(shè)計 精度估算Optimal Design of GPS Control NetworkAbstractWith the rapid development of GPS observation technology and its wide application in terms of mapping, optimization design of GPS control network has been more attention. In the fabric of peace difference model net programs are different from the classical aspects , it has a big difference between GPS control network with the classic control network. The paper analyzes the design principle for GPS controlling network，has the detailed introduction for the principles，the steps and methods of the optimization design of GPS controlling network according to the factual requirement for the design of the controlling network，and points out the net-laying should be reasonable by combining with factual situation and the reliability，the accuracy and the efficiency cost should be considered in the factual operation process，so as to find the best programmeKey Words: GPS control network arrangement principle optimal design accuracy estimation目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1 概述11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究目的和實施方案21.3.1 研究目的21.3.2 實施方案22布網(wǎng)設(shè)計42.1 設(shè)計依據(jù)42.1.1 GPS測量規(guī)范（規(guī)程）42.1.2 測量任務(wù)書42.2 GPS網(wǎng)精度和密度設(shè)計42.2.1 GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類42.2.2 GPS點的密度標(biāo)準(zhǔn)52.3 GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計62.3.1 基準(zhǔn)設(shè)計內(nèi)容62.3.2 設(shè)計原則62.4 GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計72.4.1 GPS網(wǎng)圖形構(gòu)成的幾個基本概念72.4.2 GPS網(wǎng)特征條件的計算72.4.3 圖形設(shè)計82.5 GPS網(wǎng)點的選取與埋石82.5.1 選點82.5.2 埋石103 GPS控制網(wǎng)設(shè)計實例113.1 測區(qū)概況113.2 方案設(shè)計的技術(shù)分析123.2.1 等級確定123.2.2 布網(wǎng)方案133.2.3 觀測方法133.3 方案實例及精度分析133.3.1 方案實例133.3.2 方案一精度分析143.3.3 方案對比224 結(jié)束語24致 謝25參考文獻26IV GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計1 緒 論1.1 概述眾所周知，現(xiàn)在的衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個輝煌的階段，而作為其中的佼佼者，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，縮寫為GPS）是美國國防部從1973年12月開始研制，耗時20年，終于在1994年建成，具有全方位、全天候、全時段、高精度等種種顯著的功能1。經(jīng)過我國測繪等部門將近10年時間的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等種種特點，獲得了廣大測繪工作者的信賴，并廣泛應(yīng)用在大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科方面，給測繪領(lǐng)域帶來了一場深刻的技術(shù)風(fēng)暴革命2。GPS的測量技術(shù)的目的是為GPS定位服務(wù)，它是根據(jù)使用的國家相關(guān)規(guī)范（規(guī)程）及GPS網(wǎng)的用途，用戶的使用要求等對測量工作的網(wǎng)形及準(zhǔn)確性等的具體設(shè)計。雖然，和傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，GPS測量技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，譬如準(zhǔn)確度高、測量速度快、能夠全天候運行等，盡管如此GPS控制網(wǎng)還是同樣需要進行優(yōu)化設(shè)計。只有對GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，方能保證GPS測量工作的順利進行，也就能提高網(wǎng)運行的準(zhǔn)確度和可靠性。GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計工作儼然已經(jīng)成為GPS測量的基礎(chǔ)性，它要考慮到網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟性這三個方面，以便找出GPS控制網(wǎng)設(shè)計的最佳方案。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從各種文獻中可以查詢到，對控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計研究起步其實挺早，1868年德國便有人對GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計開始了研究。19世紀(jì)末，史賴伯對基線網(wǎng)最佳權(quán)觀測的方法開始進行研究，隨后在1882年指出，在實施測量前，根據(jù)所擁有的地形圖來預(yù)測控制網(wǎng)的精度是完全可以實現(xiàn)的3。但是鑒于當(dāng)時的計算工具以及計算方法相當(dāng)落后，并且科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平相當(dāng)有限，如果設(shè)計較大規(guī)模的大地控制網(wǎng)，也就只能根據(jù)經(jīng)驗。傳統(tǒng)的GPS測量控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，由于科技發(fā)展有限，所以大部分工作都需要人工來完成，同時對于設(shè)計的要求和技術(shù)指標(biāo)，往往不得不臨時查閱相關(guān)資料，這就導(dǎo)致了設(shè)計時間過長、效率低下、缺乏靈活性等問題。得益于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電子計算機應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，而且隨著最優(yōu)化理論的不斷完善，測繪人員對GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計投入了越來越多的精力，旋即控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計成為測量界的熱門研究項目之一。近幾年，英國、法國、加拿大等國的GPS 網(wǎng)開始在很多領(lǐng)域起到了相當(dāng)大的作用，如控制測量、氣象監(jiān)測和預(yù)報、地震的監(jiān)測和預(yù)報、測圖和地理信息系統(tǒng)的更新、研究地球動力、工程控制和監(jiān)測等等，為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和軍事的發(fā)展提供了極大的便利4。我國在GPS控制網(wǎng)方面取得的成果也相當(dāng)不俗的，總參測繪局從1991 年開始，歷時六年，終于在 1997 年完成了全國GPS 一二級網(wǎng)的布測工作，覆蓋了全國(除臺灣省外)的所有陸地和海洋，全網(wǎng)統(tǒng)計共有534個點。同時國家測繪局在1991年開始組織國家A級和B級控制網(wǎng)的布設(shè)工作，隨后在1996 年全部完成，然而區(qū)域GPS網(wǎng)尚未完成5。1.3 研究目的和實施方案1.3.1 研究目的考慮到GPS控制網(wǎng)的精度與網(wǎng)本身的幾何圖形結(jié)構(gòu)沒有太大的關(guān)聯(lián)，并且與觀測權(quán)相連更少，而網(wǎng)中各點發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣是影響網(wǎng)精度的主要因素6。有鑒于此，GPS網(wǎng)形的結(jié)構(gòu)強度就有必要進行優(yōu)化設(shè)計，并同時對GPS網(wǎng)的設(shè)計原則進行詳細分析，針對GPS控制網(wǎng)設(shè)計的具體技術(shù)要求，對GPS 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的原則、具體流程及設(shè)計方法進行詳細的研究，指出在實際操作時，應(yīng)結(jié)合實際情況對控制網(wǎng)進行合理的布設(shè)，兼顧可靠性、精準(zhǔn)度、效率時效、成本經(jīng)費等因素，來尋求最佳方案。1.3.2 實施方案（1）參加畢業(yè)實習(xí)實踐，參閱有關(guān)書籍，資料，學(xué)習(xí)GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法，原則；（2）對學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的難點問題進行進一步的查閱資料，向老師請教來解決問題；（3）處理實驗數(shù)據(jù)并加以分析，從而進一步加深自己對GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法的認識；（4）運用所學(xué)理論知識并參閱有關(guān)文獻和著作的基礎(chǔ)上進行論文的創(chuàng)作。2 布網(wǎng)設(shè)計2.1 設(shè)計依據(jù)為了測量時有統(tǒng)一的技術(shù)法規(guī)可依，國家測繪相關(guān)部門制定出了GPS測量規(guī)范(規(guī)程)，現(xiàn)行的GPS網(wǎng)設(shè)計依據(jù)的規(guī)范（規(guī)程）有：（1）質(zhì)監(jiān)局發(fā)布的全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（2009年版），下文簡稱規(guī)范；（2）建設(shè)部發(fā)布的全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程（2010年版），下文簡稱規(guī)程；（3）針對本部門工作的實際情況，各部委需要制定其他測量規(guī)程或細則以備不時之需。2.2 GPS網(wǎng)精度和密度設(shè)計2.2.1 GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類GPS 控制網(wǎng)的精度與網(wǎng)的用途有著密切的關(guān)系。進行精度設(shè)計時，要仔細研究任務(wù)要求并對具體的服務(wù)對象做深入了解，以充分滿足該項目的要求為前提。例如用于全球性地殼形變測量、區(qū)域性的地球動力學(xué)研究及各種精密工程測量的GPS網(wǎng)可參照規(guī)范中AA、A、B級的精度分級，見表2-1；又例如設(shè)計城市GPS控制網(wǎng)時相鄰點之間的平均距離和精度要求可參照規(guī)程中的二、三、四等和一、二級，見表2-2。表2-1 GPS測量精度分級（一）級別主要用途固定誤差a(mm)比例誤差b(110-6D)AA全球性地球動力學(xué)研究、地殼形變測量和精度定軌30.01A區(qū)域性的地球動力學(xué)研究和地殼形變測量50.1B局部變形監(jiān)測和各種精密工程測量81C大、中城市及工程測量基本控制網(wǎng)105D,E中、小城市及測圖、物探，建筑施工等控制測量101020表2-2 GPS測量精度分級（二）等級平均距離（Km）a(mm)b(110-6D)最弱邊相對中誤差二91021/12萬三51051/8萬四210101/4.5萬一級110101/2萬二級<115201/1萬注：當(dāng)邊長小于200m時，按照邊長中誤差小于20mm的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。各等級GPS 相鄰點間弦長精度用下式表示 （2-1）式中，； ；。在實際工作的時候，根據(jù)用戶的實際情況以及人力、財力進行合理設(shè)計，來確定精度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然也可依據(jù)已有的生產(chǎn)流程和以前的作業(yè)經(jīng)驗進行合適的了解。其實具體進行實地布設(shè)GPS網(wǎng)時，由三種方式可以用來布設(shè)，一種是分級進行布設(shè)，第三種越級布設(shè)，最后一種是同級全面網(wǎng)還可以布設(shè) 7。2.2.2 GPS點的密度標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)要求和服務(wù)對象的不同，對GPS點位的分布要求也有所不同。對于國家特級（AA、A級）基準(zhǔn)點所需要布設(shè)的GPS點來說，主要用來提供國家基準(zhǔn)、精密定軌等，所以布設(shè)時有的距離甚至可達數(shù)百公里8。而對于城市建設(shè)和工程測量所需布設(shè)點的要求密度，能夠達到測圖加密和工程測量的標(biāo)準(zhǔn)即可，平均邊長一般在幾公里內(nèi)。所以，規(guī)范對GPS控制網(wǎng)中兩相鄰點間距離視其需要作出了如表2-3的規(guī)定。規(guī)程也對GPS控制網(wǎng)中兩相鄰點間的平均距離也在表2-3作了規(guī)定。 表2-3 GPS網(wǎng)中相鄰點間距離 單位：Km 級別項目AAABCDE相鄰點最小距30010015521相鄰點最大距20001000250401510相鄰點平均距1000300701510105522.3 GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計GPS觀測得到的GPS 基線向量屬于1984年世界大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差，然而真正需要的測量的結(jié)果要求是國家坐標(biāo)系或者是地方獨立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。當(dāng)設(shè)計GPS控制網(wǎng)時，就需要明確GPS網(wǎng)采用的基準(zhǔn)5。因此在進行GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計時，需要對GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)同時進行設(shè)計。2.3.1 基準(zhǔn)設(shè)計內(nèi)容（1）位置基準(zhǔn)設(shè)計。GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)由一個地面已知點和若干個地面已知點坐標(biāo)確定。根據(jù)研究顯示，引起GPS基線向量解算中基線誤差的重要因素之一就是位置基準(zhǔn)的固定點誤差，如果把測量時得到的單點定位值算做起算坐標(biāo)，其誤差或許會達到數(shù)十米以上，所以選取不同點時的單點定位值為固定點時，引起的基線向量差可達數(shù)厘米9。綜上， GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)就不得不需要進行優(yōu)化設(shè)計。（2）尺度基準(zhǔn)設(shè)計。尺度基準(zhǔn)是由地面的電磁波測距邊確定。由于GPS觀測結(jié)果本身已經(jīng)包含尺度信息，但是還存在著系統(tǒng)誤差，所以，就得提供外部尺度基準(zhǔn)。（3）方位基準(zhǔn)設(shè)計。方位基準(zhǔn)有兩種方法進行確定。第一種最普遍的是根據(jù)規(guī)定的起算方位角數(shù)值來獲得，當(dāng)然第二種是通過基線向量的方位來確定。2.3.2 設(shè)計原則（1)聯(lián)測點的選擇時，舊資料的用處不可忽視，同時要保證新建的GPS 網(wǎng)的精度不能受到舊資料的低精度的影響。大中城市的GPS網(wǎng)要與附近的國家控制點聯(lián)測至少3 個，小城市聯(lián)測2 3 個點5。（2)觀測時，未知點應(yīng)當(dāng)連結(jié)成規(guī)則的形狀，最佳方案是構(gòu)成長邊形，這樣便能夠減少尺度比誤差，確保坐標(biāo)精度的均勻性。除未知點聯(lián)結(jié)成圖外，GPS 網(wǎng)內(nèi)重合的國家控制點以及原有城市等級控制點也要適當(dāng)?shù)貥?gòu)成長邊圖形。（3)網(wǎng)經(jīng)過平差計算后，便可計算出相對地面坐標(biāo)的GPS點的大地高，而為了求得網(wǎng)點的正常高，聯(lián)測點需均勻分布，對丘陵山區(qū)特殊地形的聯(lián)測高程點，應(yīng)按高程擬合面的要求進行布設(shè) 10。（4)新建的GPS網(wǎng)的坐標(biāo)系按要求最好與測區(qū)以前采用的坐標(biāo)系一致。2.4 GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計 2.4.1 GPS網(wǎng)圖形構(gòu)成的幾個基本概念（1）觀測時段觀測站上從開始接受衛(wèi)星信號一直到觀測停止，連續(xù)工作的時間段為觀測時段，簡稱時段。（2）同步觀測使用兩臺及以上GPS接收機，同時在相同的時間段內(nèi)連續(xù)跟蹤接收相同的衛(wèi)星組的信號。（3）同步觀測環(huán)使用三臺及以上的GPS接收機，同步觀測所得到的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)。（4）獨立觀測環(huán)由獨立觀測（非同步觀測）所得到的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)。（5）異步觀測環(huán)多邊形環(huán)路中包含的全部基線向量，要是含有非同步觀測基線向量，此多邊形環(huán)路就稱為異步觀測環(huán)。（6）獨立基線有N臺GPS接收機構(gòu)成的同步觀測環(huán)，假設(shè)環(huán)中有J條同步觀測基線，那么獨立基線數(shù)就有N1。（7）非獨立基線去除獨立基線之外的所有基線都稱作非獨立基線，總基線數(shù)減去獨立基線數(shù)所得的結(jié)果即為非獨立基線數(shù)。2.4.2 GPS網(wǎng)特征條件的計算根據(jù)R.A-sany提出來的觀測時段數(shù)計算公式： （2-2）式中，C 表示時段數(shù)，n 表示網(wǎng)點數(shù)目，m表示每點的設(shè)站次數(shù)，N表示GPS接收機數(shù)量。故在控制網(wǎng)中：總基線數(shù)： （2-3）必要基線數(shù)： （2-4）獨立基線數(shù)： （2-5）多余基線數(shù)： （2-6） 根據(jù)上述公式的計算結(jié)果，一個具體GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)的主要特征便可以確定下來。2.4.3 圖形設(shè)計在GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計時，必須明確其網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。首先，要對同步圖形進行明確。主要是通過GPS接收機數(shù)量來明確其形狀。其次，選擇適宜連接形式。同步圖形的連接方式主要有三種，即點連接、邊連接與點邊連接。(1)點連接。點連接主要是在相近的同步環(huán)間共同點相互連接的情況下形成的GPS控制網(wǎng)。通過這種連接形式建立的GPS控制網(wǎng), 只有一個或者不存在異步型的閉合環(huán),且網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較為單薄,粗差觀察能力也很弱。但是當(dāng)其在網(wǎng)點數(shù)相同情況下，同步圖形數(shù)量相對較少，作業(yè)量較少,獲取測量結(jié)果速率快，可以在精準(zhǔn)度要求較低測量作業(yè)中應(yīng)用。(2)邊連接。邊連接主要是同步圖像間共同基線相互連接的情況下形成的GPS控制網(wǎng)。通過這種連接形式形成的GPS控制網(wǎng)存在的復(fù)測基線較多，可以形成若干個異步型的閉合環(huán), 可以對閉合判斷觀測粗差與大小觀測粗差進行檢查，同時其圖形強度較大，觀測期數(shù)較多，需要花費大量時間。邊連接GPS控制網(wǎng)具有可靠性高、幾個強度大等特點，主要應(yīng)用于精準(zhǔn)度要求較高測量作業(yè)。(3)點邊連接。點邊連接主要是將點連接和邊連接相結(jié)合而形成的綜合性GPS控制網(wǎng)。在精確度較高的要求下，可利用點邊連接形式來進行布設(shè)控制網(wǎng)。這種控制網(wǎng)布設(shè)形式存在很多的測量基線，能夠讓圖形處于封閉狀態(tài)，使得網(wǎng)形結(jié)構(gòu)能夠得到相應(yīng)的強度，有效保證了 GPS控制網(wǎng)的運行可靠性，同時其外業(yè)觀測作業(yè)量相對較少，使得運作成本大大降低。2.5 GPS網(wǎng)點的選取與埋石2.5.1 選點GPS測量不同于水準(zhǔn)測量，觀測站之間不需要像水準(zhǔn)測量時要求能夠相互通視，而且GPS網(wǎng)形結(jié)構(gòu)相對靈活，所以選點工作相對比較簡單方便。但由于點位的選擇工作，不管是對于觀測工作是否能夠順利進行，還是對于測量結(jié)果的可靠性，都有著非凡的意義，所以選點工作在開始前，收集和了解相關(guān)測區(qū)的地理位置情況之外，考慮適宜的點位外，還得還應(yīng)遵守以下原則： （1）點應(yīng)該位于易安裝接受設(shè)備、視野方便的領(lǐng)域； （2）點位目標(biāo)應(yīng)當(dāng)顯著好辨認，視場周圍仰角15度以上不要有阻擋物，減小甚至避免GPS信號被遮擋或被吸收； （3） 點位選取的地方不能在大功率無線電發(fā)射源的周圍，點位離其距離應(yīng)大于200m；遠離高壓輸電線50m開外。減少電磁場對GPS信號可能產(chǎn)生的擾亂； （4）點位周圍不能有大面積水域或者有能發(fā)出劇烈信號干擾衛(wèi)星接受的物體，減弱多路徑效應(yīng)； （5）點位選取要考慮到交通便利，這樣便于其他擴展觀測方法與聯(lián)測； （6）地面基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，利于點的保存； （7）選點人員應(yīng)當(dāng)按照技術(shù)設(shè)計要求進行現(xiàn)場勘探選定點位。若要用到以前的點時，要對其穩(wěn)定性、完好性，以及覘標(biāo)的安全性、可用性進行察看，確定符合要求方可使用；（8）網(wǎng)形應(yīng)當(dāng)對同步觀測邊以及點的聯(lián)結(jié)有利；（9）所選點要進行水準(zhǔn)聯(lián)測時，選點人員應(yīng)當(dāng)去測區(qū)實地考察水準(zhǔn)路線，提出合理化建議。2.5.2 埋石為了能夠達到精確定位的目的， GPS網(wǎng)點根據(jù)規(guī)范應(yīng)埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石。為了能夠長久使用，網(wǎng)點的標(biāo)石和標(biāo)志要牢固異常。在基巖裸露的區(qū)域，可在基巖上直接嵌入金屬標(biāo)志。3 GPS控制網(wǎng)設(shè)計實例3.1 測區(qū)概況為了佐證論文的實踐性，本人特意選取家鄉(xiāng)淮安的一處地段（見圖3-1），進行GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計。該測區(qū)地處江蘇省北部中心地域。位于北緯3243，東經(jīng)11812。屬于開發(fā)區(qū)地段，內(nèi)有學(xué)校，寫字樓和居民區(qū)，建筑物群體相對集中。道路縱橫交錯，交通便利。主要道路有：淮海北路，北京北路，長江西路。為北溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。受季風(fēng)氣候影響，雨熱同季，四季分明，冬冷夏熱，春溫多變，秋高氣爽，光能充足，熱量富裕。年均溫度14度，降雨量在906毫米1007毫米之間，夏半年降水集中。圖3-1 測區(qū)概圖圖中的兩個國家等級點（用五角星標(biāo)出的點）為已有標(biāo)石情況：表3-1 已知點數(shù)據(jù)點名點號X（BJ54）米Y（BJ54）米H（黃海正常高）米公園一號Gps1xx21847.54xx4212.4816.158郵政大樓Gps2xx17133.92xx5466.1710.3593.2 方案設(shè)計的技術(shù)分析3.2.1 等級確定依據(jù)現(xiàn)行的全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程和本地的實地情況，擬定該測區(qū)建立四等GPS網(wǎng)，由表2-2及其他要求可知可知，相關(guān)技術(shù)要求如下表3-2：表3-2 四等網(wǎng)的技術(shù)要求項目技術(shù)要求平均距離(Km)2固定誤差a(mm)10比例誤差b(110-6D)10重復(fù)設(shè)站數(shù)2最弱邊相對中誤差1/4.5萬根據(jù)上表要求可在圖上進行點位設(shè)計：圖3-2 點位分布圖其中用錐形圖標(biāo)標(biāo)出的加密點編號為：HA01HA14。3.2.2 布網(wǎng)方案GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計有三種基本方法：點連式、邊連式和邊點混合連式。根據(jù)四等GPS網(wǎng)的要求決定采用邊連式或邊點混合的形式來布設(shè)GPS控制網(wǎng)。3.2.3 觀測方法GPS觀測原理是相對定位原理。作業(yè)時儀器需采用N臺GPS接受機。具體方法為:在設(shè)計好的GPS網(wǎng)中N邊形中的五個端點上, 相應(yīng)的安置上N臺GPS接收機設(shè)備，然后就可以對基線邊上的衛(wèi)星進行同步觀測。這種模型的特點是:觀測的基線邊構(gòu)成一個閉合環(huán)圖形,便于觀測成果的檢驗,從而提高觀測成果的可靠性和GPS網(wǎng)平差后的精度。3.3 方案實例及精度分析3.3.1 方案一設(shè)計圖令每點設(shè)站數(shù)m為2，已知網(wǎng)點數(shù)n為16，接收機數(shù)N為5，根據(jù)公式（2-2）（2-6），可計算出網(wǎng)特征條件：時段數(shù)： 控制網(wǎng)設(shè)計時，需要滿足如下要求：獨立網(wǎng)閉合環(huán)個數(shù)和重復(fù)基線個數(shù)之和應(yīng)等于多余觀測數(shù)。圖3-3 設(shè)計方案一下面對方案一做具體精度分析。3.3.2 方案一精度分析（1）設(shè)計方案分析。在方案一的獨立基線圖中，可以看出獨立基線閉合環(huán)邊數(shù)最大為6，滿足四等GPS網(wǎng)閉合環(huán)數(shù)小于10的條件要求。且該獨立網(wǎng)的閉合環(huán)個數(shù)等于6，重復(fù)基線數(shù)為3，兩者之和等于獨立觀測數(shù)9，設(shè)計符合要求。（2）基線統(tǒng)計表表3-3 基線統(tǒng)計測段號起點終點長度L/km1郵政大樓Gps2淮安供電公司HA012.612淮安供電公司HA01冶金大院HA021.433冶金大院HA02化工二村HA032.24化工二村HA03信達名府HA040.965信達名府HA04郵政大樓Gps21.046郵政大樓Gps2西郊HA050.827信達名府HA04逸居園藝HA061.228逸居園藝HA06駱大溝HA072.179駱大溝HA07西郊HA051.7910逸居園藝HA06淮安三院HA08111淮安三院HA08越河二組HA091.4412越河二組HA09駱大溝HA072.6913冶金大院HA02淮陰師范HA101.914淮陰師范HA10淮陰工學(xué)院HA112.0315淮陰工學(xué)院HA11淮安三院HA081.9216淮陰師范HA10民政局HA121.9417民政局HA12農(nóng)工商HA131.5818農(nóng)工商HA13公園一號Gps12.7119公園一號Gps1淮陰工學(xué)院HA111.7520公園一號Gps1得恩堂HA140.7721得恩堂HA14越河二組HA092.22（3）構(gòu)造誤差方程的系數(shù)和權(quán)以獨立網(wǎng)中的平面基線向量（xij，yij）作為觀測量；以每個待定點的坐標(biāo)（xij,yij）作為未知參數(shù)，建立誤差方程由公式（2-1）得，每條邊的觀測中誤差為：按照等精度分配原則：x，y 方向的中誤差相等，為 基線平均中誤差0 ：用平均邊長代進式（2-1）計算得出分配到 x，y 方向后為： (3-1)觀測量x，y的定權(quán)： (3-2)假定每條邊相互獨立，構(gòu)成權(quán)矩陣為了方便計算，取a=10，b=10。由表3-2得，基線平均距離D為1.72Km，則基線平均中誤差0=19.88mm。系數(shù)陣列表B1如下：圖3-4 系數(shù)矩陣B1（1）圖3-5 系數(shù)矩陣B1（2）圖3-6 系數(shù)矩陣B1（3）去掉已知點后的系數(shù)陣列表B2如下： 圖3-7 系數(shù)矩陣B2（1）圖3-8 系數(shù)矩陣B2（2）權(quán)陣P如下： 圖3-9 權(quán)陣P(4)點位精度估算利用matlab計算權(quán)倒數(shù)陣（代碼為：,?？傻脵?quán)倒數(shù)陣Q的對角線系數(shù)D為：表3-4 權(quán)倒數(shù)陣的對角線系數(shù)DD =HA010.42640.0124HA020.39340.294HA030.2190.3087HA040.21540.14HA050.36770.0079HA060.30250.1317HA070.46330.1145HA080.29390.3061HA090.32020.3964HA100.38870.3481HA110.10250.3144HA120.43710.4712HA130.43920.0648HA140.31740則可得點位誤差預(yù)計表（）：表3-5 點位誤差預(yù)計表點編號QiixQiiyM點位/mmHA010.426417.128009240.01242.92084918517.37527152HA020.393416.451877550.29414.2223694421.74718528HA030.21912.274967420.308714.5735919519.05424906HA040.215412.173659210.149.81436732615.6371284HA050.367715.905418680.00792.33137339616.07537388HA060.302514.42650.13179.5189967417.28395791HA070.463317.853749650.11458.87566769619.93825102HA080.293914.219950470.306114.5120897420.31767063HA090.320214.842564820.396416.5144879922.20427986HA100.388716.353305910.348115.475722.51505951HA110.10258.3976974370.314414.7075237816.93613232HA120.437117.34158120.471218.0053236124.99844229HA130.439217.383189170.06486.67706791318.62145273HA140.317414.777526670014.77752667（5）相對誤差預(yù)計相對誤差的計算公式如下： （3-3） （3-4） （3-5）邊長中誤差和邊長相對中誤差為： （3-6） （3-7） 根據(jù)以上公式及上述結(jié)果，可得相對誤差預(yù)計表：表3-6 相對誤差預(yù)計表測段號起點終點長度L/kmQxijxijQyijyijQsmsij/mm1/Ks1Gps2 HA012.610.42640.01240.42367217.72403147257.72HA01HA021.430.81980.30640.3409415.8996389939.233HA02HA032.20.61240.60270.61193921.30109103281.14HA03HA040.960.43440.44870.44858218.2376352638.425HA04Gps2 1.040.21540.140.17909511.5236390249.366Gps2 HA050.820.36770.00790.36168616.3762150072.637HA04HA061.220.51790.27170.46779618.6241465506.48HA06HA072.170.76580.24620.74088323.438192584.299HA07HA051.790.8310.12240.72574523.1974277163.7710HA06HA0810.59640.43780.44988518.2641154752.1911HA08HA091.440.61410.70250.68822422.5898163745.5612HA09HA072.690.78350.51090.57296520.6116113050913HA02HA101.90.78210.64210.65065721.9646286502.7414HA10HA112.030.49120.66250.54983220.19122100538.815HA11HA081.920.39640.62050.4597518.46326103990.316HA10HA121.940.82580.81930.82039924.6638178657.7517HA12HA131.580.87630.5360.53730919.9599679158.4618HA13Gps12.710.43920.06480.42662217.78563152370.219Gps1HA111.750.10250.31440.29140714.69933119053.120Gps1HA140.770.317400.31737415.3402850194.6521HA14HA092.220.63760.39640.48999819.06096116468.4（6）結(jié)論最弱點為民政局，其點位誤差為：x方向17.34mm，y方向18.01mm；最弱邊為信達名府郵政大樓，相對誤差為：1/50072.63268。由于按照四等網(wǎng)的精度指標(biāo)，最弱點的點位誤差不能超過5cm，最弱邊的相對誤差不能超過1/45000。從以上計算精度可得：最弱點的點位誤差為2.5cm,不超過5cm,符合精度要求。最弱邊的相對誤差為1/50073，不超過1/45000，也符合精度要求。因此，可以按此方法設(shè)計的GPS網(wǎng)進行施測。（7）GPS觀測計劃表3-7 方案一GPS觀測計劃表時段儀器1儀器2儀器3儀器4儀器5時段長度1公園一號農(nóng)工商民政局淮陰師范淮陰工學(xué)院40min2冶金大院農(nóng)工商民政局淮陰師范化工二村40min3冶金大院淮安供電公司郵政大樓信達名府化工二村40min4西郊逸居園藝郵政大樓信達名府駱大溝40min5西郊逸居園藝越河二組淮安三院駱大溝40min6公園一號得恩堂越河二組淮安三院淮陰工學(xué)院40min3.3.3 方案二簡析為了便于比較，方案二決定采用六臺GPS接收機來進行方案設(shè)計。據(jù)公式（2-2）（2-6），同樣可計算出網(wǎng)特征條件：時段數(shù)： 設(shè)計圖如下：圖3-10 方案二設(shè)計圖在方案二的獨立基線圖中，可以看出獨立基線閉合環(huán)邊數(shù)最大為6，滿足四等GPS網(wǎng)閉合環(huán)數(shù)小于10的條件要求。且該獨立網(wǎng)的閉合環(huán)個數(shù)等于7，重復(fù)基線數(shù)為3，兩者之和等于獨立觀測數(shù)10，設(shè)計符合要求。精度分析方法同一，最后得結(jié)論為：最弱點為逸居園藝，其點位誤差為：x方向9.36mm，y方向23.45 mm，符合精度要求； 最弱邊為化工二村信達名府，相對誤差為：1/61378也符合精度要求。3.3.4 總結(jié)（1）精度比較 從上文計算所得結(jié)果可以看出，兩種方案都符合精度要求，而其兩種方案的精度，因為點位誤差和最弱邊相對誤差都相差不大，因此這兩種方案的精度也無甚大的差別。但總體來說，方案二精度相對高一點。（2）經(jīng)費比較一個GPS網(wǎng)觀測經(jīng)費包括造標(biāo)，埋標(biāo)，運輸，觀測等費用，而兩個方案的網(wǎng)點點數(shù)、時段數(shù)、所用儀器臺數(shù)以及所需人員等都不一樣。一般地說，在兩種方案都滿足精度要求的情況下，選擇費用低的方案。需要說明的是：6臺儀器觀測應(yīng)該比5臺儀器觀測花的時段數(shù)少（耗時少），但是，每個時段多用一臺儀器（多一個觀測人員，需要多一份工人工資）。（3）總結(jié)因此，在滿足精度要求的情況下，選5臺儀器的方案還是6臺儀器的方案，可以酌情考慮。工期緊，觀測人員也夠，就可以選5臺儀器方案；當(dāng)然，比較節(jié)約的老板，是會選擇經(jīng)費少的那種方案。 4 結(jié)束語為了撰寫本文，本人查閱了大量的資料，對GPS控制網(wǎng)有了更進一步的認識，而其中親自設(shè)計的GPS觀測網(wǎng)以及后期一系列的精度預(yù)計、方案比較，發(fā)現(xiàn)自己對控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計其實還很膚淺，還需要自己今后不斷的學(xué)習(xí)。在GPS 控制測量中，控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為一個不可或缺的技術(shù)環(huán)節(jié)。要對GPS 控制網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，首先就得注意，要滿足測區(qū)本身的布網(wǎng)特點，并對實地狀況進行探討，最后根據(jù)本文中所提到的理論進行優(yōu)化設(shè)計。本文只是列舉了個很普通例子進行解析，不能涵蓋所有GPS 網(wǎng)的所有特點。此外本文對設(shè)計方案只是進行了簡單的精度估算，還缺少實地觀測后對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及精度分析?？偠灾C上所述GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計是以高效、低成本為原則的。在優(yōu)化設(shè)計的過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)掌握控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計原則，選擇合適的GPS點位。明確網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確計算觀察周期，對觀測時間進行很好的控制，確保其控制精度和可靠性，并能夠同時達到高效率、低成本這兩要求。致 謝感覺昨天還是剛進入大學(xué)，卻沒想到馬上就面臨著畢業(yè)了。在這四年當(dāng)中，本人收獲良多，不僅學(xué)到了書本上的專業(yè)知識，還學(xué)到了如何合理地處理人際間的復(fù)雜關(guān)系，同時與老師和同學(xué)建立了深厚的感情。在此，能借這個機會，向我的老師、同學(xué)和家人獻上我最真誠的感謝和祝福！首先，應(yīng)該感謝我的論文導(dǎo)師-石老師。石老師為人和藹，對教學(xué)研究有著自己的執(zhí)著，對我在學(xué)習(xí)和生活上的態(tài)度有著很大的影響。本論文是在石老師悉心教導(dǎo)下完成的，從選取題目，到設(shè)計觀測方案，以及隨后的精度估算直至論文初稿、論文成稿的撰寫，每個部分都得到了老師的大力支持和幫助。真的很感謝老師的無私幫助。希望老師以后工作順利，平安幸福。其次，感謝四年大學(xué)生涯當(dāng)中所有關(guān)心和幫助過我的同學(xué)，是你們構(gòu)成了我的大學(xué)生涯，也你們讓我的大學(xué)生涯顯得那么有意義。當(dāng)然特別感謝朱強、周慶和鄒家恒三位同宿舍的兄弟們，四年之間，我們早已培養(yǎng)出了深情厚誼，這三位舍友讓我深深感受到宿舍就是我們的家，宿舍就是值得我們一起分享悲傷與快樂的地方。正值畢業(yè)之際，誠摯祝愿我的三位舍友永遠幸?？鞓?！最后，當(dāng)然最需要感謝的就是我親愛的父母，是你們給了我生命，讓我能夠在這個世界上生存，讓我能夠有機會度過這人生當(dāng)中最有意義的四年。如果沒有你們，我現(xiàn)在所擁有的一切都將虛無，所以正是因為有了你們的付出，我的人生才會那么的多姿多彩。25參考文獻1 姚剛. 高層及超高層建筑工程的GPS定位控制研究D.四川：重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)工程，2002.2竇航. 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