1、GPS技术在地籍测量中地指导应用研究摘要GPS卫星定位技术的迅速发展，给测绘工作带来了革命性的变化，也给地籍测量工作，特别是地籍控制测量工作带来了巨大的影响。应用GPS进行地籍控制测量，点与点之间不要求互相通视，这样避免了常规地藉测量控制时，控制点位选取的局限条件，并且布设成GPS网状结构对GPS网精度的影响也甚小。由于GPS技术具有布点灵活、全天候观测、观测及计算速度快、精度高等优点，使GPS技术在国各省市的城镇地籍控制测量中得以广泛应用。地籍细部测量是地籍调查不可分割的组成部分，目的是测定每宗土地的权属界址点、线、位置、形状及数量等。由地籍调查规程所知，在地籍平面控制测量基础上的地籍细部测
2、量，对于城镇街坊外围界址点及街坊明显的界址点间距允许误差为10 cm，城镇街坊部隐蔽界址点及村庄部界址点间距允许误差为15 cm。利用GPS RTK技术完全能满足上述精度要求，建议在适合布设GPS点的部分测区使用该项技术。关键字：地籍测量；GPS；RTK；控制网ABSTRACTThe rapid development of GPS satellite positioning technology， brought the surveying and mapping work revolutionary change， also gave cadastral surveying， especi
3、ally brought cadastral control measurement work tremendous influence. It does not require the connected each other between the conventional， Using GPS in cadastral control measuring， which avoid the control point of limited conditions of cadastral survey control， and the layout of GPS network struct
4、ures into the influence of accuracy of GPS is very small. Because of GPS technology is expanding flexible， all-weather observation， rapid observation and computing speed and high precision ，GPS technology is of a wide range of applications in the cadastral control measure in the town of domestic cit
5、ies. Cadastre detailed surveying is an integral part of determination in cadastral vestigation， which purpose is surveying the site of ownership of dot， line， position， shape and quantity， etc. of each land. By cadastral investigation procedures， detailed surveying of cadastre management on the basi
6、s of cadastral plane control measure allow the error in urban neighborhood periphery， and within the estate boundary location point obviously neighborhood for 10cm distance tolerance， urban neighborhood and internal hidden inside the village site management point for 15 cm distance tolerance. Using
7、GPS RTK technology can completely meet the accuracy requirement， and Suggest that the technology be used in parts measurement area for the suitable layout GPS point Keywords: cadastral surveying；GPS；RTK；control network第一章 绪论 11.1 研究的背景和意义 11.2 本文研究的主要容 2第二章 GPS原理及其发展现状 32.1 GPS发展概况 32.2.1 测距码伪距法定位 3
8、2.1.2 载波相位法定位 42.2 GPS测量的数据处理 42.2.1 数据的预处理 42.2.2 基线解算 52.2.3 网平差 523 GPS定位的误差来源及影响 52.3.1 与卫星有关的误差 52.3.2 与信号传播有关的误差 62.3.3 与接收设备有关的误差 8第三章 GPS技术在地籍控制测量中的应用 93.1 地籍平面控制网的特点及布设原则 93.1.1 地籍基本平面控制网的特点 93.1.2 地籍平面控制网的布设原则 93.1.3 地籍基本平面网的布设 103.1.4 地籍图根控制网的布设 113.2 GPS地籍控制测量的实施 113.2.1 GPS网技术设计依据 113.2
9、.2 GPS网测量精度标准及分级 123.2.3 GPS测量的外业实施 12第四章 GPS-RTK在地籍碎部测量中的应用 134.1 差分GPS技术 134.1.1 快速静态测量 134.1.2 动态测量 134.2 GPS碎部测量 134.2.1 测量前的准备工作 144.2.2 现有测绘控制网的评价与加密 144.2.3 数据组织与编码 144.2.4 基准站的建设 144.2.5 利用流动站GPS接收机采集数据 144.2.6 业差分处理 154.3 RTK实时动态测量在地籍测量中应用实例及其可靠性分析 154.3.1 RTK 定位精度的分析 154.3.2 面积量算及其精度分析 15结
10、论与展望 16一、结论 16二、展望 16参考文献 18第一章 绪论1.1 研究的背景和意义GPS测量技术是建立在卫星载波相位观测值基础上的实时定位系统，近几年来，GPS卫星定位技术的迅速发展，给测绘工作带来了革命性的变化，也对地籍测量工作，特别是地籍控制测量工作带来了巨大的影响。在地籍测量工作中，常规测量如三角网测量、导线测量、细部测量，要求点间通视，频繁更换测站，费时费工，而且精度不均匀，外业中不知道测量成果的精度，业处理后发现精度不合要求必须返工测量，业和外业的工作强度都较大。应用GPS静态进行地籍控制测量，点与点之间不要求互相通视，避免了常规地藉测量控制时，控制点位选取的局限条件，并且
11、布设成GPS网状结构对GPS网精度的影响也甚小。由于GPS技术具有布点灵活、全天候观测、观测及计算速度快、精度高等优点，使GPS技术在国各省市的城镇地籍控制测量中得以广泛应用。利用GPS技术进行地籍测量的控制，没有常规三角网(锁)布设时要求近似等边及精度估算偏低时应加测对角线或增设起始边等繁琐要求，只要使用的GPS仪器精度与等级控制精度匹配，控制点位的选取符合GPS点位选取要求，那么所布设的GPS网精度就完全能够满足地籍测量规程要求。建设用地中的土地勘测定界是实地确定土地使用界线围，测定界桩位置，测量使用界线围各类土地面积并计算用地面积等测绘技术工作，它为各级政府的国土资源部门审批土地、地籍管
12、理提供依据和基础资料。建设用地勘测定界的工作程序为:审查用地文件及有关图件现场踏勘，图上红线设计-实地放样-复核测量-面积量算-绘制建设用地勘测定界图-填绘建设用地管理图-资料整理-归档，经反复实地踏勘、图上设计、权属调查后制定放样数据。利用GPSRTK技术进行勘测定界放样，能避免解析法和关系距离法放样等放样方法的复杂性，也简化了建设用地勘测定界的工作程序，特别是对公路、铁路、河道、输电线路等线性工程和特大型工程的放样更为有效和实用。RTK是指载波相位实时动态差分(Real-Time-Kinematic)定位，它是GPS定位发展到现在的最新技术，RTK实时处理能达到cm级精度(2cm2ppm)
13、，完全满足建设用地勘测界址点坐标对邻近图根点位中误差不超过5cm及界址线与邻近地物或邻近界线的距离误差不超过10cm的精度要求。所以它在地籍碎部测量中得到广泛的应用。近几年，RTK技术的快速发展和应用，更将传统的地籍图测量要数人操作完全变成了“个人行为”。RTK技术装置仅需一人操作，不需要点与点之间通视即可测出地籍图，它甚至可以不用布设各级控制点，仅仅依靠一定数量的基准点就可以快速测定宗地界址点、地物(地形)点等的坐标，测定一个待定点坐标仅需若干秒即可完成。再将GPS获得的数据经随机软件处理后直接录入测图软件系统，就可及时获得地籍图，节省了大量的人力、物力，尤其是在开阔的平原地带，遮挡物少，地
14、形平坦，更是RTK技术展示其本领的好地方。1.2 本文研究的主要容（1）本文从GPS定位的基本原理出发，阐述了GPS技术在地籍测量基本平面控制网和图根控制网中的应用，并对其精度进行了初步分析。（2）详细叙述了实时动态差分技术（GPSRTK）在地籍碎部测量中的应用，并对其精度进行了分析。（3）根据当前GPS技术的发展现状，基于论文阐述得出了一些结论，并对GPS技术在地籍测量中的应用前景进行了展望。第二章 GPS原理及其发展现状2.1 GPS发展概况GPS系统是1973年开始筹建的，整个系统的研制组建经历了三个阶段，即方案论证阶段（19741978年）、系统论证阶段（1979年1987年）、生产试
15、验阶段（1988年1993年）。1978年发射了第1颗试验卫星（Block），至1988年共发射了11颗Block型卫星，经过近10年的试验和研究，证实了该系统具有良好的特性，1989年2月开始发射第一颗工作卫星（Block），至1993年7月进入轨道可正常工作的Block试验卫星和Block型工作卫星的总和已达24颗，系统已具备初步工作能力IOC（Initial Operational Capability）。至1995年4月，不计试验卫星在，已进入预定轨道能正常工作的Block型的工作卫星已达24颗，在1995年4月27日美国空军空间部宣布全球定位系统GPS已具有完全的工作能力FOC（Fu
16、ll Operational Capability）。多年来，我国的测绘工作者在GPS定位的理论与应用方面作了大量的研究，并已发射了我国第一代卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统。近几年我国又建成了、乌鲁木齐等地的永久性GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历。同时致力于我国自主的广域差分GPS（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS广域增强系统（WAAS）。GPS系统由3部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间卫星星座由24颗工作卫星构成，其中3颗为备用卫星，24颗工作卫星分布在6个轨道平面上，
17、每个轨道平面升交点的赤经相隔60，轨道平面相对地球赤道面的倾角为55，每个轨道上均匀分布着4颗卫星，相邻轨道之间的卫星要彼此叉开30。卫星轨道平均高度约为20200km，运行周期为11h58min。地面监控部分由3部分组成：1个主控站、3个注入站和5个监测站。用户设备部分主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理器和终端设备等组成。2.2 GPS测量的定位方法2.2.1 测距码伪距法定位测距码是用以测定卫星至地面测站点（接收机）间距离的一种二进制码序列。GPS卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码，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
18、互正交。C/A码用于进行粗略测距和捕获精码，C/A码的周期为1ms，一个周期中共含1023个码元，每个码元持续的时间均为1ms/1023=0977517us，其对应的码元宽度为29305m，C/A码的测距精度一般为（23）m，采用窄相关间隔技术后的测距精度可达分米级，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，C/A码只调制在L1载波上，故无法精确地消除电离层延迟。P码的周期为1星期，一个周期中约含62万亿个码元，每个码元所持续的时间为C/A码的1/10，对应的码元宽度为393m，P码的测距精度约为03m，为防止敌对方对GPS信号进行电子干扰和电子欺骗，美国从1994年1月31日
19、起实施了AS政策，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。伪距法定位是GPS接收机在某一时刻测的4颗以上GPS卫星的伪距，根据卫星的已知位置，采用后方交会的方法确定接收机所在位置的三维坐标。该方法的直接量测值伪距是信号到达接收机的时刻与信号离开卫星的时刻之差与真空中的光速的乘积。设接收机钟差为、卫星钟差为、电离层延迟改正为、对流层改正为、卫星星历误差在矢径方向的投影为，多路径误差为，测量噪声为，则伪距观测方程为：2.1.2 载波相位法定位载波可运载调制信号的高频振荡波，GPS卫星的载波有两个，L1载波和L2载波。L1载波
20、是由卫星上的原子钟所产生的基准频率（=10.23MHZ）倍频154倍后形成的，=1575.42 MHZ，其波长=19.03cm；L2载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率倍频120倍后形成的，=1227.60 MHZ，其波长=24.42cm；采用两个不同频率载波的目的是为了较完善的消除电离层的延迟，采用高频载波的目的是为了更精确测定多普勒频移和载波相位，以减少信号的电离层延迟。载波被当作一种测距信号来使用，其测距精度比伪距测量的精度高23个数量级。载波相位定位是指由接收机产生的基准信号的相位与接收到的来自卫星的载波相位的差来计算接收机所在位置的三维坐标。设为整周模糊度，则观测方程为：2.2 G
21、PS测量的数据处理GPS测量的数据处理一般均借助软件自动完成。包括测量数据的预处理、基线向量的解算、GPS基线向量网与地面网各类数据进行联合平差或约束平差和坐标系统的转换几个阶段。2.2.1 数据的预处理数据预处理的主要目的是得出最终用于基线解算的观测数据和信息，包括“干净”的观测值、基线端点的近似坐标、每个观测历元的接收机钟差、标准化卫星轨道数据等。数据预处理的主要工作包括数据传输和解码、数据筛选和编辑、数据标准化、接收机钟差估计、差分观测值或线性组合观测值形成、基线向量近似值估算和周跳探测、修复或标记等。2.2.2 基线解算基线解算的结果包含的容很多，最主要的有两项：基线向量估值和验后方差
22、-协方差阵。基线解算的模式有单基线解模式、多基线解模式、整体解模式，最常用的是单基线解模式。2.2.3 网平差GPS网平差包括无约束平差、约束平差、联合平差。（1）无约束平差GPS网无约束平差所采用的观测量完全是GPS基线向量，平差通常在与基线向量相同的地心地固系下进行。进行无约束平差的目的是评定GPS网的符合精度以及基线向量有无明显的系统误差和粗差。（2）约束平差GPS网的约束平差中所采用的观测量也完全是GPS基线向量，但与无约束平差所不同的是在平差过程中引入了会使GPS网的尺度和方位发生变化的外部起算数据。GPS网的约束平差常被用于实现GPS网成果由基线解算时所用GPS卫星星历所采用的参照
23、系到特定参照系的转换。（3）联合平差在进行GPS网平差时，所采用的观测值不仅包括GPS基线向量，而且还包含边长、角度、方向和高差等地面常规观测量。联合平差也被用于实现GPS网成果由基线解算时所用GPS卫星星历所采用的参照系到特定参照系的转换。23 GPS定位的误差来源及影响在GPS测量中，影响观测值精度的误差主要有三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差。2.3.1 与卫星有关的误差1卫星星历误差由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。在GPS定位测量中，削弱卫星星历误差的方法通常有以下几种：（1）轨道松弛法在数据处理时，将卫星广播星历给出的轨道
24、参数作为初始值，而将表征卫星运行轨道的轨道参数设为未知数并与其他未知参数一同进行求解。通过平差计算，不仅可以求出观测站的位置坐标，同时也能求出卫星轨道参数的改正值。（2）建立卫星跟踪网进行独立定轨建立GPS跟踪网，进行独立定轨，自己提供高精度的精密星历，满足精密GPS测量定位的要求。（3）进行同步观测求差分法卫星星历误差对距离不太远（20km以）的两个观测站的影响基本相同、具有系统性。在相邻的两个或多个观测站上对同一颗卫星进行同步观测，将相应的观测量求差分，可以有效地削弱卫星星历误差的影响，提高定位的精度。2. 卫星钟误差卫星钟误差是指卫星时钟的时间读数与GPS标准时间之间的偏差（物理同步误差
25、）。对于卫星钟差，GPS系统是利用地面监控系统对卫星时钟运行状态进行连续的监测而精确测定的并以二阶多项式的形式表示：式中，为卫星时钟改正的参考历元；分别为卫星时钟的钟差、钟速、和钟速的变化率。这些参数是由地面监控系统的主控站测定，并通过卫星的导航电文提供给用户使用。通过卫星钟差改正后，卫星时钟与GPS标准时间的同步差在20ns（数学同步差），由此产生的等效距离误差不大于6m。要想进一步削弱卫星时钟残差对测量定位的影响，可以采用求差的方法处理。3. 相对论效应误差相对论效应误差是指卫星上的时钟和地球上的时钟所处的状态不同而引起的卫星时钟与地球上时钟产生相对种误差的现象。消除相对论效应误差的主要方
26、法是预先将卫星时钟频率降低44491010 。2.3.2 与信号传播有关的误差1电离层延迟当GPS卫星信号通过电离层时，与其他电磁波信号一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。用信号的传播时间乘以真空中的光速而得到的距离不等于卫星至接收机间的距离，这种偏差称为电离层折射误差。在电离层中含有很高的自由电子，它属于弥散性介质。GPS卫星信号通过电离层时，电离层对载波信号的相折射率为：群折射率为：由相折射率的变化引起的距离延迟为：群折射率的变化引起的距离延迟为：为电子的密度（电子数/m3），电磁波信号的频率，在电磁波信号传播路径上电子的总数。在GPS信号中，测距码信号是以群速度在电离层中传
27、播的，而载波信号是以相速度在电离层中传播的。从上式可以看出：进行伪距测量时，所测得距离总是比真实距离长，而进行载波相位测量时，所测得距离总是比真实距离短。在GPS定位中，通常采用以下方法消除或减弱电离层折射误差对观测值的影响。（1）利用双频观测法GPS卫星发射的两个频率和信号是沿着同一条路径传播到达接收机天线的，在电磁波信号传播路径上电子的总数是相同的。所以利用这一点可以消除电离层折射的影响。实际资料表明，利用双频观测法改正电离层延迟，距离残差值可达厘米级。（2）利用电离层改正模型利用导航电文中提供的电离层改正模型进行改正适合于单频接收机用户。改正后的残差大约为实际延迟量的20%-40%。（3
28、）利用同步观测求差分法当相邻测站间的距离较近时，由于卫星信号到达不同测站的路径相近，所经过的介质状况相似，通过不同测站对相同卫星的同步观测值求差，可显著减弱电离层折射影响，其残差不超过110-6。（4）利用码/载波相位扩散技术码/载波相位扩散技术的基本思想是利用电离层折射误差对电磁波传播的相速度和群速度的影响值大小相等，符号相反。通过对码观测值和载波相位观测值进行加权组合，以达到消除电离层折射的影响。（5）选择最佳的观测时间进行观测2对流层延迟对流层的介质对GPS信号没有弥散效应，其群折射率与相折射率相等。对流层折射对观测值的影响可分为干分量与湿分量两部分，干分量主要与大气的温度与压力有关，湿
29、分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。消除对流层折射的影响，通常有以下几种处理方法：（1）应用对流层模型加以改正测定测站周围的气象元素，代入对流层模型计算改正数，这种方法可消除对流层传播误差的92%93% 。（2）对流层影响的附加待估参数求解在网平差的过程中为每一观测值的天顶方向对流层延迟引入一个待估参数，其值在整个网平差中估计出来。（3）同步观测值求差与电离层的影响相似，当两观测站相距不太远时，由于信号通过对流层的路径相同，对流层的物理特性相似，对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。3多路径误差多路径效应是指接收机天线除直接收到卫星的信号外，还可能收到经天线周围
30、物体反射的卫星信号。两种信号叠加将会引起天线相位中心位置的变化。而这种变化随天线周围反射面的性质而异，很难控制。目前减弱多路径效应影响的主要办法有：（1）仔细选择天线安置的位置，避开较强的反射面。（2）选择造型良好的（微带、扼流圈）天线并扩大天线盘，使之带有抑径板。（3）针对多路径误差的周期性，采用较长观测时间的数据取平均值。2.3.3 与接收设备有关的误差1接收机时钟误差接收机时钟与卫星时钟的同步误差为1时，产生等效距离误差为300。处理接收机钟差比较有效的方法有：（1）将接收机钟差设为未知数。（2）将接收机钟差表示为多项式的形式。（3）利用测站间同步观测值求差。2接收机位置误差接收机天线的
31、几何中心相对于观测站标石中心的位置偏差称为接收机位置误差。消除或减弱该误差的方法有：（1）应经常对接收机天线的整平和对中设施进行严格的检验和校对。（2）在风力较大的情况下，应该采取适当的防风措施。（3）可以采用建立观测墩的方法进行强制对中。3接收机天线相位中心位置误差接收机天线相位中心位置误差是指接收机天线相位中心偏离天线的几何中心的偏差。消除或减弱接收机天线相位中心位置误差的方法有：（1）同步观测值求差。（2）采用扼流圈天线。第三章 GPS技术在地籍控制测量中的应用3.1 地籍平面控制网的特点及布设原则地籍控制测量分为地籍平面控制测量和高程控制测量。地籍测量主要是测绘地籍要素及必要的地形要素，形成以地籍要素为主的平面图，一般不要求高程控制，故在此只讲述地籍平面控制测量。3.1.1 地籍基本平面控制网的特点根据城镇地籍测量对平面控制网的要求，地籍平面控制网具有以下几个特点。(1)城镇地籍测量的测区位于城镇，其对控制网的要求应和城市控制网一并考虑。在地籍测量方面，产权地籍要向多用途地籍方向发展。多用途地籍以产权地籍为基础，要综合更多与土地有关的信息，它不仅为征税和产权服务，而且要广泛地用于城市规划和设计，所以要尽量利用满足精度要求的城市控制网。一般，满足现行城市测量规的城市测量控制网也满足城镇地籍测量的要求。(2)城镇地
