GPS在综合项目工程测量中的应用研究应用.doc

武汉大学

毕　业　设　计（论文）

题目：GPS在工程测量中应用研究

专 业： 地理信息与地图制图
学 院 ： 武汉大学资源与环境学院
学　　号： 53081039
姓 名：　 何子菇
论文指引教师： 石玉婷

摘要
GPS技术是当今信息社会发展最快技术之一，GPS定位技术以其速度快、精度高、全天候，不受通视条件限制、费用少、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。应用GPS卫星定位技术建立控制网叫GPS网，GPS网可以分为两大类：一类是全球或全国性高精度GPS网，其重要任务是作为全球高精度坐标框架过全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面科学研究工作服务，或用以研究地区性板块运动，或地壳变形规律问题。另一类是区域性GPS网，涉及都市霍矿区GPS网，GPS工程网等，此类网相邻点间距离为几公里至几十公里，起重要任务是直接为国民建设服务。
本文通过GPS建筑工程测量应用，总结GPS在工程测量中特点及测量经验。

核心字：GPS；GPS网布设；坐标系
目录
\摘要 II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及应用 2
1.3 研究目及内容 3
第二章GPS测量原理 5
2.1GPS应用及发展 5
2.2GPS结成 6
2.2.1 空间星座某些 6
2.2.2地面控制某些 6
2.2.3顾客某些 7
2.3GPS定位原理及分类 7
2.4高程测量原理 9
2.5坐标系统及坐标系转换 10
2.5.1坐标系统 10
2.5.2坐标系转换 12
第三章GPS RTK测量基本原理 13
3.1RTK基本简介 13
3.2RTK基本工作原理 13
3.3RTK作业流程 14
3.4RTK误差来源 14
第四章GPS控制网布设办法 15
4.1GPS网布设办法 15
4.2GPS网多途径效应 16
第五章GPS在工程测量中应用实例分析 17
第六章 结论 20
参照文献 21
致 谢 22
专 业： 地理信息与地图制图 I
学 院 ： 武汉大学资源与环境学院 I
学　　号： 53081039 I
姓 名：　 何子菇 I
论文指引教师： 石玉婷 I
摘要 II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状及应用 2
1.3 研究目及内容 3
第二章GPS测量原理 5
2.1GPS应用及发展 5
2.2GPS结成 6
2.2.1 空间星座某些 6
2.2.2地面控制某些 6
2.2.3顾客某些 7
2.3GPS定位原理及分类 7
2.4高程测量原理 9
2.5坐标系统及坐标系转换 10
2.5.1坐标系统 10
2.5.2坐标系转换 12
第三章GPS RTK测量基本原理 13
3.1RTK基本简介 13
3.2RTK基本工作原理 13
3.3RTK作业流程 14
3.4RTK误差来源 14
第四章GPS控制网布设办法 15
4.1GPS网布设办法 15
4.2GPS网多途径效应 16
第五章GPS在工程测量中应用实例分析 17
第六章 结论 20
致 谢 22

第一章 绪论
1.1研究背景及意义
全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System字头缩写词简称。它是运用卫星导航实时测距和测时构成全球定位系统。它是1973年12月，由美国国防部以及海、路、空三军联合研制新一代卫星导航系统，重要用于情报收集、核暴监测和应急通讯等某些军事目。GPS是以卫星为基本无线电卫星导航定位系统,它具备全能性、全球性、全天候、持续性和实时性精密三维导航与定位功能,并且具备良好抗干扰性和保密性。因而,GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空照相测量、海洋测量、都市测量等测绘领域得到了应用,并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。
在测量领域最早应用于地形、高程、级别控制网点测量，当前依然应当于这些重要领域，在其他测绘领域也硬功频繁。例如：用于各类型工程施工放样、测图、变形监测、航空照相测量、海测和地理信息系统中数据采集工作。在国家各种类型、各种级别控制网布设中以基本取代了老式测量方式，成为重要技术手段。国家GPS A级控制网于1992年由国家测绘局、中华人民共和国地震局等单位开始布测，全网27个点，平均边长约800km。1996年国家测绘局进行了A级网复测，经全网整体平差后，地心坐标精度优于0.1m，点间水平方向相对精度优于2×，垂直分量相对精度7×10-8。布设A级网目就是在全国范畴内拟定精准地心坐标，建立起国内新一代地心参照框架及其与国家坐标系转换参数,作为高精度卫星大地网骨架，并奠定地壳运动及地球动力学研究基本。作为国内高精度坐标框架补充以及为满足国家建设需要，在国家人级网基本上，建立了国家B级网。新布设A、B级GPS控制网成为当代化大地测量和基本测绘基本框架。
GPS技术作为当代化测量中最重要测量手段，它具备不需要通视、不受天气影响、可以直接或得三维坐标等长处外，还可以节约大量时间和人力，因此GPS技术成为大地测量最重要测量手段。
GPS（全球定位系统）在车辆导航、变形监测、航空航天等方面得到了广泛应用。由于其独特性，GPS测量技术在水利水电测量中也有辽阔应用。由于GPS测量仪在水利水电工程中应用，测量不再受到地形地势等条件影响，通过控制测量观测办法和布局类型，大大减少了老式测量中传算点和过度点测量工作，使控制选点变较为灵活。并且控制测量也可以不受届时间、天气等自然条件影响了。
当前，GPS定位技术除了广泛应用于飞机和水面船只导航定位外，在陆地道路导航定位系统中也或得了越来越广应用。随着国内道路建设和汽车工业飞速发展，便携式道路实时导航和监控越来越受到人们普遍关注。如何使GPS定位导航系统变得更加轻便、更加精准和可靠已成为人们越来越强烈需求。
GPS定位技术离不开计算机系统，如果要实现更复杂功能则需要更加强大计算机系统。采用更高档微计算机系统——嵌入式系统，就可以较好解决超便携和高性能矛盾。当前，市场上几乎所有便携式GPS定位系统、导航设备都采用嵌入式系统。
1.2国内外研究现状及应用
今年来，随着国民经济飞速发展，国内汽车工业和都市化进程进入了一种高速迈进阶段，GPS定位系统市场迅速发展壮大。以GPS为代表卫星导航应用产业已成为当今国际公认八大无线产业之一。在近十近年，随着全球定位系统软件和硬件不断发展和完善，该系统已广泛地应用于国民经济建设和科学技术许多领域，并逐渐进一步到人们寻常生活中，与此同步，人们对于GPS需求也越来越强烈。
随着技术进步、应用需求增长，GPS独具定位导航、授时校频、精密测量等多方面强大功能，已涉足众多应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后全球第三个IT经济新增长点。
GPS对人类活动影响极大，应用价值极高。它可以从主线上解决人类在地球上导航和定位问题，可以满足各种不同顾客需要。虽然最初GPS卫星定位系统是为军事目而设计，单其精密全球定位、简便观测、优秀实时性、良好抗干扰性能等长处得到了广泛应用。
GPS应用重要分为两种类型，一种为单机应用，即采用独立接受机做单点静态多动态定位或单点高精度定位方略。另一种则以GPS接受机配合中心控制站，辅以无线数据通信设备，实时进行数据互换，构成GPS应用系统。
对舰船而言，它能在海上协同作战、石油勘探、海洋捕鱼、管道铺设、暗礁定位。为海港领域等方面作出贡献。
对飞机而言，它可在飞机起飞，半途导航，着陆，空中回合、武器投掷、空中交通管制等方面进行服务。
在陆地上可用于各种车辆、坦克、陆军部队等定位，还可用于大地测量、野外考察、勘探定位。GPS已经进一步到每个人生活之中，GPS车辆调度监控系统已广泛应用于银行、公安、交通管制、消防等部门。
GPS引起了测绘行业一场技术革命，提供了一场崭新观测手段，并能进行迅速大地定位和布设大地网。GPS也为打造其研究和气象观测提供了重要手段，运用GPS所测定电离层延迟和多普勒频移延迟，可用来研究电离层电子积分浓度、折射系数、电子浓度随高度分布。
国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。
(1)以车载导航为核心移动目的监控、管理与服务系统。
在GPS应用领域，车辆应用所占比例较大。最初GPS车辆应用普通分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体车辆信息系统后它就成了发展方向。
GPS车辆定位监控系统重要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体综合车辆管理系统。普通行业顾客车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心主站和安装在移动车辆上子站等3某些构成。系统工作原理是安装在车辆上GPS接受机依照收到卫星信息计算出车辆当前位置，通信控制器从GPS接受机输出信号中提取所需要位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心主站接受子站发送数据，并从中提取出定位信息，依照各车辆车号和组号等，在监控中心电子地图上显示出来。同步，控制中心系统管理员可以查询各车辆运营状况，依照车流量合理调度车辆。
以车辆防盗为例，普通分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前者是指车主离开汽车、停泊车辆遭遇偷盗、毁坏和移动时、车辆通过自身监控系统向GPS监控中心发出警报、并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录、甚至控制车辆断电和断油等。
(2)面向个人消费者GPS终端产品。 芯片小型化技术、生产成本减少、体积与耗电量减小等有利因素使GPS产品走下神坛、进一步到人们寻常生活中。当前面向个人消费者产品重要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。 移动监控终端是移动目的监控系统核心某些。有用于集装箱等货品、车辆跟踪等领域隐蔽式安装产品、也有多功能综合车载平台。但随着产品成本减少与体积微型化，市场上已浮现供小朋友、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用手表类、寻人仪和小朋友玩具型GPS产品。它们可佩带在身上、嵌入老人拐棍中、甚至植入体内。
与上述产品相比，各种个人消费类GPS电子产品则更加接近人们生活。有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图移动通信手机、GPS手持机、GPS手表甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备插卡(CF卡式GPS接受机)式、外接(GPS接受机)式等集成产品。当前国内市场上多见是高明公司、麦哲伦公司、Navman等外国公司品牌GPS手持机和汽车导航仪等。

1.3 研究目及内容
GPS RTK技术作为测绘领域内高科技技术，已经为测绘提供了有力测量定位手段，特别是GPS RTK测量技术发展和推广，使得GPS测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作新阶段。扩大了GPS测量应用领域。本题探讨了GPS技术和GPS RTK技术构成、应用及特点。
载波相位差分技术即RTK技术，它是建立在全球定位系统（GPS）基本之上实时动态定位技术，常规GPS测量办法，如静态、迅速静态、动态测量、都需要事后进行结算才干获得厘米级精度，而RTK是可以在野外实时得到厘米级定位精度测量办法，是GPS应用重大里程碑，它浮现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
本题探讨了GPS在建筑工程规划到实地建设后变形监测，运用常规测量手段和GPS RTK技术对其位置进行检查，然后对两次测量成果进行比较，从而得出运用GPS RKT技术测量得出成果，比全站仪常规测量手段得出成果较原建筑设计坐标接近；从而也可以看出GPS技术比常规测量手段精度高、省时间。

第二章GPS测量原理
2.1GPS应用及发展
GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。咱们普通将应用GPS卫星定位技术建立控制网叫GPS网。归纳起来大体可以将GPS网分为两大类：一类是全球或全国性高精度GPS网，此类GPS网中相邻点距离在数千公里至上万公里，其重要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间学科学研究工作服务，或用以研究地区性板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性GPS网，涉及都市或地区性板块运动或地壳形变规律点间距离为几公里至几十公里，其重要任务是直接为国民经济建设服务。
这一定位技术己普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、地籍测量、航空照相和海洋测绘、运载工具导航和管制、地壳运动监测、监测、资源勘察、地球动力学等诸多测量领域。可以以为，GPS定位技术已经使典型测量枯术经历了一场意义深远变革，从而进入一种崭新时代。精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级为目工程测量工作。随着GPS系统不断完善，其软件性能也随之不断改进。
在大地测量方面，运用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度地心坐标，测定和精化大地水准面。1992年全国GPS大会战。通过数据解决，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。在国内建成了平均边长约100kmGPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。
在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于都市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中施工放样。
在航空照相测量方面，国内测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、记载GPS航测等航测成图各个阶段。
在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。国内已开始用GPS技术监测南极洲板块、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂远动，建立了中华人民共和国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。
GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防只能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术研究和应用。

2.2GPS结成
GPS系统涉及三大某些：空间某些（GPS卫星星座）；地面控制某些（地面监控系统）；顾客设备某些（GPS信号卫星接受机）。

2.2.1 空间星座某些
(1)GPS卫星星座
全球定位系统空间星座某些，由24颗卫星构成，其中涉及3颗可随时启用备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面倾角为55°，各轨道平面升交点赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间升交角距相差90°，轨道平均高度为0km，卫星运营周期为11小时58分。同步在地平线以上卫星数目随时间和地点而异，至少为4颗，最多时达11颗。上述GPS卫星空间分布，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可同步观测到4颗卫星，加之卫星信号传播和接受不受天气影响，因而GPS是一种全球性、全天候持续实时定位系统。
(2)GPS卫星及功能
GPS卫星主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电。每颗卫星配备有4台高精度原子钟（2台铷钟和2台艳钟），这是卫星核心设备。它将发射原则频率信号，为GPS定位提供高精度时间原则。
全球定位系统中，GPS只要任务是：向广大顾客持续不断地发送导航定位信号；接受、储存由地面注入站发送到卫星导航电文和其她关于信息；接受地面主控站通过注入站发送到卫星调度命令，适时地调节卫星姿态，改正卫星运营轨道偏差，启用备有卫星。

2.2.2地面控制某些
GPS工作卫星地面控制系统涉及1个主控站、3个注入站和5个监测站。
主控站设在美国本土科罗拉多。主控站任务是收集、解决本站和监测站收到所有资料，编算出每颗卫星星历和GPS时间系统，将预测卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星轨道偏差，必要是调度卫星，让备用卫星取代失效工作卫星。
注入站作用是将主控站计算卫星星历和卫星钟改正数等信息注入到卫星中去。注入站当前又3个，分别设在印度洋迭哥加西亚、南大西洋阿松森群岛和南太平洋卡瓦加兰。
既有5个地面站均具备监测站功能除了主控站外，其她4个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭哥加西亚、卡瓦加兰。监测站是在主控站控制下数据自动采集中心，因此观测资料由计算机进行初步解决，并储存盒传送到主控站，用以拟定卫星轨道。
整个GPS地面监控某些，除主控站外均无人值守。各站间用当代化通讯网络联系起来，在原子钟和计算机驱动和精准控制下，各项工作实现了高度自动化和原则化。

2.2.3顾客某些
GPS顾客某些由GPS接受机、数据解决软件及相应顾客设备所构成。
GPS接受机硬件，普通涉及主机、天线、控制器和电源，重要功能是接受GPS卫星发射信号，可以捕获到按一定卫星高度截止角所选取待测卫星信号，并跟踪这些卫星运营，获得必要导航和定位信息及观测量。
顾客设备普通为计算机及其终端设备、气象仪器等，重要功能是对所接受到GPS信号进行变换、放大和解决，以便测量出GPS信号从卫星到接受机天线传播时间，解译出GPS卫星所发送导航电文，实时地计算出测站三维位置，甚至三维速度和时间，并经简朴数据解决而实现实时导航和定位。
数据解决软件是指各种后解决软件包，其重要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位成果。

2.3GPS定位原理及分类
GPS定位基本原理是依照高速运动卫星瞬间位置作为已知起算数据，采用空间距离后方交会办法，拟定待测点位置。如图2.1所示，假设t时刻在地面待测点上安顿GPS接受机，可以测定GPS信号到达接受机时间△t，再加上接受机所接受到卫星星历等其他数据可以拟定如下四个方程式：

图2.1 图名

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接受机之间距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4信号到达接受机所经历时间。
c为GPS信号传播速度(即光速)。
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z 为待测点坐标空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻空间直角坐标，
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4卫星钟钟差，由卫星星历提供。
Vto为接受机钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点坐标x、y、z 和接受机钟差Vto 。

运用GPS进行定位办法有诸各种。若按照参照点位置不同，则定位办法可分为绝对定位和相对定位。绝对定位：即在合同地球坐标系中，运用一台接受机来测定该点相对于合同地球质心位置，也叫单点定位。这里可以为参照点与合同地球质心想重叠。GPS定位所采用合同地球坐标系为WGS-84坐标系。因而绝对定位坐标最初成果为WGS-84坐标。
相对定位：即在合同地球坐标系中，运用两台以上接受机测定观测点至某一地面参照点（已知点）之间相对位置。也就是测定地面参照点到未知点坐标增量。由于星历误差和大气折射误差有有关性，因此通过观测量求差可消除这些误差，因而相对定位精度远高于绝对定位精度。
按顾客接受机在作业中远动状态不同，则定位办法可分为静态定位和动态定位。
静态定位：即在定位过程中，将接受机安顿在测站点上并固定不动。严格说来，这种静止状态只是相对，普通指接受机相对于其周边点位没有发生变化。
动态定位：即在定位过程中，接受机处在运动状态。
GPS绝对定位和相对定位中，有都包括静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。

2.4高程测量原理
常规三角高程测量、水准测量点位高程是在一种起伏封闭大地水准面上得到，通过常规水准测量得到海拔高是正高。GPS测量点位海拔高是在椭球体表面上得到，它是一种平滑表面，GPS测得高程是大地高。
大地高和正高与大地水准面高有一种近似关系，大地水准面高是两个参照表面间距离，在水准点进行GPS观测能得到大地水准面高，由于在这个点大地高和正高通过测量可以得到。GPS水准网测量、重力测量结合海拔高模型能构成大地水准面模型，在本区域其他点大地水准面高就能推算出。这些点水准面高精度由各种测量精度和构造模型来决定。
　　这个高程等式ｈ＝H＋N只是一种近似等式，由于正高测量是沿着铅垂线到大地水准面，而大地高和大地水准面高测量是沿着法线到椭球体表面。在陆地测量应用中，这个高程等式近似误差不大于1厘米。
CPS测量大地高受测量误差、大气传播误差、多途径误差影响。正高受水准测量误差、重力改正误差影响，而大地水准面受重力测量、地形高模型误差以及GPS水准误差影响。由于这些误差特别是大地水准面高误差影响，使得上面高程等式导出正高误差较大，也许达到亚米级或更大。但是，影响正高、大地高和大地水准面高某些误差源是空间有关，即对附近点普通是共同。因而，附近点间高差不拟定性比每一点绝对高程不拟定性要小得多。实践证明，对于短基线(不大于10公里)上椭球高差，当前可以拟定到2cm。大地水准面高差精度取决于重力网密度、观测和内插重力异常不拟定性。以美国大地水准面为例，其高差不拟定性，对于20公里以内距离普通不大于1厘米，对于20－50公里距离普通不大于2－3厘米。由GPS导出正高精度和大地高精度基本同样，两者精度微小差别普通是由于大地水准面模型和用来计算高程系统之差正高误差引起。
2.5坐标系统及坐标系转换
2.5.1坐标系统
大地坐标系是大地测量中以参照椭球面为基准面建立起来坐标系。地面点位置用大地经度、大地纬度和大地高度表达。大地坐标系确立涉及选取一种椭球、对椭球进行定位和拟定大地起算数据。一种形状、大小和定位、定向都已拟定地球椭球叫参照椭球。参照椭球一旦拟定，则标志着大地坐标系已经建立。大地坐标系亦称为地理坐标系。大地坐标系为右手系。
是以地球椭球赤道面和大地起始子午面为起算面并依地球椭球面为参照面而建立地球椭球面坐标系。它是大地测量基本坐标系，其大地经度L、大地纬度B和大地高H为此坐标系3个坐标分量。它涉及地心大地坐标系和参心大地坐标系。

（1）WGS-84大地坐标系
WGS-84坐标系几何定义是:原点位于地球质心，Z轴指向BHI1984.0定义合同地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0零子午面和CIP赤道交点，Y轴与Z、X轴成右手坐标系。相应于WGS-84大地坐标系有一种WGS-84椭球。WGS84椭球及关于参数采用国际大地测量和地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，四个基本参数是:
长半轴：a=6378137±2m
地心引力常数(含大气层)：正常化二阶谐系数(不用J2而用是为了保持与WGS-84地球重力场模型系数一致)；
地球自转角速度：
椭球常数为：

WGS-84大地水准面高N等于由GPS定位测定点大地高减该点正高。N值可以运用地球重力场模型系数计算得出，也可以用特殊数学办法精准计算局部大地水准面高N。大地水准面高N拟定之后，便可运用计算GPS点正高。
（2）国家大地坐标系
我过当前惯用两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。
① 1954年北京坐标系
20世纪50年代，在国内天文大地网建立初期，鉴于当时历史条件，采用了克拉索夫基椭球元素（ａ＝6378245m，ｆ=1/298.3），并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了国内大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。
几十年来，国内按1954年北京坐标系完毕了大量测绘工作，在该坐标系上，实行了天文大地网局部平差，通过高斯-克吕格投影，得到点平面坐标，测制了各种比例尺地形图。这一坐标系在国家经济建设和国防建设各个领域中发挥了巨大作用。
②1980年国家大地坐标系
为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新椭球元素和进行了新定位与定向，1978年后来，建立了1980年国家大地坐标系。
1980年国家大地坐标系大地原点设在国内中部——陕西省泾阳县永乐镇。
1980年西安大地坐标系所采用地球椭球参数四个几何和物理参数采I-UGG1975年推荐值，它们是:
椭球长半径 a=6378140m
地球引力常数
重力场二阶带谐系数
地球自转角速度
椭球短轴Z轴平行于地球质心指向1968.0JYD地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面；X轴在大地起始于子午面内鱼Z轴垂直指向经度零方向；Y轴与Z,X轴成为右手坐标系。
③国家大地坐标系
国内当前使用1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系（有称1980西安坐标系），都是采用常规大地测量技术建立二维参心坐标系。随着科学技术发展，特别是空间技术发展，迫切需要建立三维地心坐标系，而国家大地坐标系是由国家GPS大地控制网、国家重力基本网及用常规大地测量技术建立国家天文大地网联合平差获得三维地心坐标系。
国家大地坐标系采用地球椭球参数如下：
长半轴 a＝6378137m
扁率 f＝1/298.
地心引力常数 GM＝3.×1014m3s-2
自转角速度 ω＝7.292l15×10-5rad s-1
正常椭球与参照椭球一致。
国家大地坐标系将是全国统一采用大地基准。

2.5.2坐标系转换
同一坐标系统下坐标有各种不同体现形式，一种形式事实上就是一种坐标系。如空间直角坐标系（X，Y，Z）、大地坐标系（B，L）、平面直角坐标（x,y）等。通过坐标统转换咱们得到了BJ54坐标系统下空间直角坐标，咱们还须在BJ54坐标系统下再进行各种坐标系转换，直至得到工程所需坐标。
1． 将空间直角坐标系转换成大地坐标系，得到大地坐标(B,L)：
L=arctan(Y/X)
B=arctan{(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}
H=(X2+Y2)0.5sinB-N
用上式采用迭代法求出大地坐标（B，L）
2．将大地坐标系转换成高斯坐标系，得到高斯坐标（x,y）
按高斯投影办法求得高斯坐标，x=F1(B,L),y=F2(B,L)
3．将高斯坐标系转换成任意独立坐标系，得到独立坐标（x’,y’）
在小范畴内测量，咱们可以将地面当作平面，用简朴旋转、平移便可将高斯坐标换成工程中所采用坐标系坐标(x’,y’)，
x’=xcosα+ysinα
y’=ycosα-xsinα
第三章GPS RTK测量基本原理
3.1RTK基本简介
常规GPS测量办法，如静态、迅速静态、动态测量都需要事后进行解算才干获得厘米级精度，而RTK是可以在野外实时得到厘米级定位精度测量办法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）办法，是GPS应用重大里程碑，它浮现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
高精度GPS测量必要采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值实时动态定位技术，它可以实时地提供测站点在指定坐标系中三维定位成果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不但通过数据链接受来自基准站数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内构成差分观测值进行实时解决，同步给出厘米级定位成果，历时局限性一秒钟。流动站可处在静止状态，也可处在运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完毕整周模糊度搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元实时解决，只要能保持四颗以上卫星相位观测值跟踪和必要几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位成果。

3.2RTK基本工作原理
RTK（Real Time Kinematic）实时动态测量技术，是以载波相位观测为依照实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是测量技术发展里程中一种突破，它由基准站接受机、数据链、流动站接受机三某些构成。
RTK基本工作原理：在已知高级别点上（基准站）安顿1台接受机为参照站， 对卫星进行持续观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传播设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接受机在接受GPS卫星信号同步，通过无线接受设备，接受基准站传播数据，然后依照相对定位原理，实时解算出流动站三维坐标及其精度（即基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H，加上基准坐标得到每个点WGS－84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点平面坐标X、Y和海拔高H）。

3.3RTK作业流程
1、收集资料
一方面收集测区控制点资料，涉及坐标系及控制点；外业踏勘，视其控制点与否能作为基准点。
2、求定测区转换参数
GPS（RTK）测量是在WGS-84坐标系中进行，而各种工程测量和定位是在地方或北京54坐标系中进行，她们之间存在坐标转换是在事后解决时进行，而GPS（RTK）是用于实时测量，规定及时给出地方坐标或北京54坐标，因而，一方面必规定出测区转换参数。
计算测区转换参数，需已知点至少3个以上，且分别是WGS-84地心坐标、北京54坐标或地方坐标。该点最佳选在测区四周及中心，均匀分布，能有效地控制测区。为了检查转换参数精度和可靠性，最佳运用最小二乘法选三个以上点求解转换参数。
3、外业数据采集
1）控制测量：在进行碎部测量之前需要进行控制点布设和测量。控制点重要任务是用做GPSRTK测量基准站。
2）运用GPSRTK与全站仪组合测量碎部：在单位采用“RTK+全站仪”模式进行碎部测量。这种作业模式分为两个环节：一方面运用RTK测量图根控制点；然后运用全站仪测量碎部点。
运用RTK进行图根控制测量时，可以采用“1个基准站+各种流动站”作业模式。
3）运用GPSRTK测量碎部点：在地势上空开阔地区，完全可以用RTK或CORS系统RTK作业模式测量碎部点，其测量速度比全站仪更快。依照实践经验，1个GPS流动站作业速度是1台全站仪作业速度2－4倍。
4、内业数据
内业数据解决重要涉及GPS数据解决和运用成图软件进行数字化成图两项内容。前者所需时间较短，而后者工作比较啰嗦，所需时间较长。

3.4RTK误差来源
(1)同仪器和GPS卫星关于误差:涉及天线轨道误差、钟误差、观测误差等;
(2)同信号传播关于误差:涉及电离层误差、对流层误差、多途径效应、信号干扰等。对固定基准站而言，同仪器和GPS卫星关于误差可通过各种校正办法予以削弱，同信号传播关于误差将随移动站至基准站距离增长而加大，因此RTK有效作业半径是有限(普通为5km内)。
第四章GPS控制网布设办法
4.1GPS网布设办法
GPS网惯用布网形式有如下几种：
（1）跟踪站式
（2）会战式
（3）多基准站式（枢纽点式）
（4）同步图形扩展式
（5）单基准站式
1．跟踪站式
（1）布网形式
若干台接受机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因而，这种布网形式被称为跟踪站式。
（2）特点
接受机在各个测站上进行了不间断持续观测，观测时间长、数据量大，并且在解决采用这种方式所采集数据时，普通采用精密星历，因而，采用此种形式布设GPS网具备很高精度和框架基准特性。
每个跟踪站为保证持续观测，普通需要建立专门永久性建筑即跟踪站，用以安顿仪器设备，这使得这种布网形式观测成本很高。 此种布网形式普通用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故普通不被采用。
2．会战式
（1）布网形式
在布设GPS网时，一次组织多台GPS接受机，集中在一段不太长时间内，共同作业。在作业时，所有接受机在若干天时间里分别在同一批点上进行多天、长时段同步观测，在完毕一批点测量后，所有接受机又都迁移到此外一批点上进行相似方式观测，直至所有点观测完毕，这就是所谓会战式布网。
（2）特点
所布设GPS网，由于各基线均进行过较长时间、多时段观测，因而具备特高尺度精度。此种布网方式普通用于布设A、B级网。
3．多基准站式
（1）布网形式 若干台接受机在一段时间里长期固定在某几种点上进行长时间观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测同步，此外某些接受机则在这些基准站周边互相之间进行同步观测。
（2）特点
所布设GPS网，由于在各个基准站之间进行了长时间观测，因而，可以获得较高精度定位成果，这些高精度基线向量可以作为整个GPS网骨架，具较强图形构造。
4．同步图形扩展式
（1）布网形式
多台接受机在不同测站上进行同步观测，在完毕一种时段同步观测后，又迁移到其他测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一种同步图形，在测量过程中，不同同步图形间普通有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。
（2）特点
具备扩展速度快，图形强度较高，且作业办法简朴长处。同步图形扩展式是布设GPS网时最惯用一种布网形式。
5．单基准站式
（1）布网形式
又称作星形网方式，它是以一台接受机作为基准站，在某个测站上持续开机观测，别的接受机在此基准站观测期间，在其周边流动，每到一点就进行观测，流动接受机之间普通不规定同步，这样，流动接受机每观测一种时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得同步基线就形成了一种以基准站为中心星形。流动接受机有时也称为流动站。
（2）特点 单基准站式布网方式效率很高，但是由于各流动站普通只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，普通需要每个测站至少进行两次观测。

4.2GPS网多途径效应
GPS卫星信号从高空向地面发射，若接受机天线周边有高大建筑物或水面时，建筑物和水面对电磁波具备强反射作用，天线接受信号不但有直接从卫星发射信号(直接波)，尚有从反射体反射电磁波信号(反射波)，这两种信号产生干涉，从而使观测值偏离真实值，GPS定位产生误差，该误差称为多途径效应。多途径效应误差会严重影响CPS测量精度，甚至还会引起信号失锁。
在实际测量中接受到信号是直接波和反射波产生干涉后叠加信号。反射体相对于接受天线位置而言有垂直面、水平面和斜面三种状况，反射体物质属性可以是水面、地面(涉及山坡)和测站周边建筑物等。来自卫星直接信号和经反射体反射后信号所通过路程长度是不同样，两种路程长度差值称为程差或冲离延迟量。
第五章GPS在工程测量中应用实例分析
测量工作重要应用了GPS两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接受到卫星信息，拟定地面某点三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知三维坐标点位，实地放样地面上。建筑工程测量中推广使用了静态功能这一技术。通过多次复测验证，GPS技术定线测量精度可以完全满足公路勘察设计和公路