城市GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計研究

姚芬

摘 要： 在此較為全面地以城市為研究對象，對城市GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計進行了探究，并對城市GPS控制網(wǎng)的基本設計和GPS基本網(wǎng)形的設計進行分析計算，推算出城市GPS控制網(wǎng)的可靠性計算公式與二維精度的計算公式。推測出城市GPS控制網(wǎng)的設計是由可靠性指標、經(jīng)費指標、效率指數(shù)等組成的，并根據(jù)GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設計的概念和思路，來優(yōu)化城市GPS控制網(wǎng)的設計。

關鍵詞： GPS控制網(wǎng)； 城市； 優(yōu)化設計； GPS控制網(wǎng)設計

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0081?03

Abstract： The optimization design of GPS control network in city was explored comprehensively. The basic design and basic GPS network form of city GPS control network were analyzed and calculated. calculate The reliability calculation formula of city GPS control network and two?dimensional precision calculation formula were deduced. A conclusion that the design of city GPS control network is composed of the reliability index， financial index， efficiency index was worked out. The design of city GPS control network can be optimizd according to the optimization design concept and idea of city GPS control network.

keyword： GPS control network； city； optimization design； GPS control network design

0 引 言

文章重點探討了如何優(yōu)化設計城市GPS控制網(wǎng)設計，并分別介紹了GPS系統(tǒng)的組成、GPS的構網(wǎng)組成形式及特點等。優(yōu)化城市GPS控制網(wǎng)的設計主要作用在于提高其準確度和安全性的同時節(jié)約建網(wǎng)的資源，所以文章論述了如何對控制網(wǎng)進行優(yōu)化、如何進行更精密的計算等，同時也介紹了傳統(tǒng)的方法是如何解決城市GPS控制網(wǎng)的問題，將兩種方法進行比較，找出最合適的方法。

1 城市GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設計的原理

1.1 城市GPS控制網(wǎng)的概念

GPS又被稱之為全球定位系統(tǒng)，最早是由美國建立的，這個系統(tǒng)的原型是一個具有衛(wèi)星導航功能的地位系統(tǒng)，利用GPS導航系統(tǒng)之后，用戶們可以在世界的任何位置了解氣候、時間等情況，這個系統(tǒng)還能為用戶提供高密度時間傳遞及定位等功能。GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設計主要是針對城市中GPS控制網(wǎng)的布局進行全方位的布置為基礎，利用GPS為計算工具，全面對控制網(wǎng)的精密性、安全性、節(jié)能型等方面，找尋最好的計算方案對城市GPS控制網(wǎng)的作用和功能進行全方位的提升。在為城市設置或增設GPS控制網(wǎng)的時候，應當考慮這個城市現(xiàn)在的財務情況、人力資源及物力資源等方面的實際情況，確保各方面的資源能在恰當?shù)膽么笄疤嵯掳殉鞘蠫PS控制網(wǎng)的精密度、靈活性、安全性提高到最好的狀態(tài)。GPS定位系統(tǒng)主要是由空間部分，地面控制部分和用戶設備這3個部分組成的[1]。

1.2 城市GPS的組成部分

1.2.1 空間部分

GPS空間部分也被稱為GPS工作星座，它是用21個GPS工作星座和3個備用衛(wèi)星組織而成的，這24個衛(wèi)星平局排列在6個不同的衛(wèi)星軌道平面中，其軌道的角度是55°，每個軌道平面的距離角度是60°，也就是說軌道的升交點都相距60°，而軌道內(nèi)每個衛(wèi)星的升交角度是90°的GPS衛(wèi)星在距地面10 000 km的高空當中，地球圍繞恒星自轉(zhuǎn)1周，衛(wèi)星圍繞地球自轉(zhuǎn)2周，所以在地面的觀察者而言，每天需要提早4 min，便能再一次見到同一顆衛(wèi)星，詳情見圖1。

1.2.2 地面控制部分

從導航定位的角度來看，GPS衛(wèi)星是動態(tài)的，而衛(wèi)星的位置是由地面控制部分計算得出的。無論那可衛(wèi)星的星歷都是地面的控制部分提供的，地面控制部分可以控制衛(wèi)星在哪個運行軌道運行。地面控制部分還有一個作用即是讓每一顆衛(wèi)星都準確地控制在GPS時間系統(tǒng)之內(nèi)，地面控制部分根據(jù)每顆衛(wèi)星的時間，計算出鐘差，然后再把數(shù)據(jù)發(fā)射給衛(wèi)星。

1.2.3 用戶設備

用戶設備的主要任務就是獲取衛(wèi)星一定高度、角度預測到信號，根據(jù)這些數(shù)據(jù)觀察衛(wèi)星的運作情況，并對接收到的GPS數(shù)據(jù)將信號進行變更、放大、縮小及處理等，以此方便計算出GPS從衛(wèi)星上接收到信號的所需時間，破解衛(wèi)星發(fā)射出的電文，很據(jù)情況推算出GPS的三維位置、時間、轉(zhuǎn)速等。

隨著科學技術的進步和發(fā)展，用戶GPS接收設備的體積越來越小，重量也越來越輕，非常有利于觀察者隨身攜帶進行戶外的觀察，這對GPS使用者來說，又是一次技術性的大提升，極大化地為用戶提供了更多更有效的服務。

1.3 城市GPS的基本原理

城市GPS衛(wèi)星定位的原理就是把無線電的信號從地面發(fā)射臺轉(zhuǎn)移到空中的衛(wèi)星上。想要組織成一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，就要合理地利用無線電計算距離交會的原理，然后就可以知道3個或3個以上地面控制臺計算出的衛(wèi)星具體位置，當然也可以利用3顆或3顆以上衛(wèi)星的位置計算出地面交匯點的具體位置。用戶可以利用GPS接收器在任何時間同時接收到3顆或3顆以上的衛(wèi)星信號，計算出接收機天線的站點到3顆或3顆以上衛(wèi)星的距離后，再計算出GPS此時此刻在空間中的坐標是多少，根據(jù)距離交會法則計算P點的具體位置，設在時刻在ti測站P使用GPS接收機的同時計算出P點到3顆或3顆以上GPS衛(wèi)星S1，S2，S3的距離P1，P2，P3，再經(jīng)過GPS電文破解出此時此刻三顆GPS衛(wèi)星的三維坐標[2]分別是XJ，YJ，ZJ，j = 1，2，3。

用距離交會法計算P點三維坐標（X，Y，Z）的觀測方程是：

[P21=X-X-12+Y-Y-12+Z-Z-12P22=X-X-22+Y-Y-22+Z-Z-22P23=X-X-32+Y-Y-32+Z-Z-32]

在城市GPS的定位當中，GPS屬于運轉(zhuǎn)速度非?？斓男l(wèi)星，它的坐標時刻都會發(fā)生改變，這就需要時刻對城市GPS衛(wèi)星信號和衛(wèi)星之間的距離做出檢測，然后依照衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)情況把城市GPS定位分為靜態(tài)與動態(tài)兩種定位。

2 如何對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計

城市GPS控制網(wǎng)與以往的一些傳統(tǒng)控制網(wǎng)有所不同，這是因為城市GPS控制網(wǎng)的自身有許多不同的特征，這就要求在對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計的時候，需要根據(jù)其不同特點制定出與其相適應的優(yōu)化方案。以城市GPS控制網(wǎng)的特征和效率相結合為大前提，優(yōu)化城市GPS的布局，在此將詳細分析從哪些方面對城市GPS進行控制網(wǎng)的優(yōu)化設計。

2.1 加強城市GPS控制網(wǎng)的精密性

加強城市GPS控制網(wǎng)的安全性就要求在設置GPS網(wǎng)分布的時候，一定要依照當?shù)氐木唧w環(huán)境等情況適量地增減觀察點的數(shù)量。如果觀察次數(shù)增加，就需要增加GPS獨立基數(shù)的數(shù)量，這樣便可以有效提高GPS控制網(wǎng)的安全性。在規(guī)定的時間里多次對同一個觀察點進行觀測有兩個好處：

（1） 可以確保在設置控制網(wǎng)時，是否存在人員性的問題導致測算失準；

（2） 就是可以確保GPS控制網(wǎng)的測算嚴謹度。

利用三條以上獨立的基數(shù)線段和各個觀察站連接在一起可以使計算結果更真實，從而提高安全性[3]。

2.2 設計城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度

控制網(wǎng)的基準尺度是城市GPS控制網(wǎng)中最容易出現(xiàn)誤差的一個環(huán)節(jié)。導致這種誤差的主要原因是因為在城市擴大建設的同時，對城市的空氣、地形等造成了不同程度的破壞和改變。

將城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度進行優(yōu)化，可以緩解這種誤差的出現(xiàn)。根據(jù)當?shù)氐腉PS運行站，把城市GPS控制網(wǎng)和水準網(wǎng)聯(lián)系在一起，將平地的GPS觀察點距離設置在5～12 km間，山地、陡坡等地的距離設置在15～25 km范圍內(nèi)，再將數(shù)據(jù)進行計算[4]。

2.3 將城市GPS控制網(wǎng)的布局進行優(yōu)化

在城市原有的控制網(wǎng)基礎上加入GPS優(yōu)化設計，是為了使城市的整個布局更加完善，這就要求利用效率指數(shù)去計算全部設計方案的最終工作效率，在根據(jù)工作效率算出整個方案的所需要耗費的時間，依照GPS的精密度要求，對比分析最為合適的比例，完善城市GPS控制網(wǎng)的設計。

3 結 語

科技在不斷進步與發(fā)展，如果能在小幅度改變城市原來的控制網(wǎng)系統(tǒng)的原則下，利用當下最先進的技術對城市的GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計，對提升城市GPS控制網(wǎng)的精密性和安全性以及城市現(xiàn)代化建設具有重要的意義。

當前，利用傳統(tǒng)方法進行計算測量建設其來的城市控制網(wǎng)已經(jīng)完全被高科技的GPS地位系統(tǒng)技術代替了。對于一個城市而言，將城市的控制網(wǎng)進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，是對這項新技術的最好肯定，同時也利用GPS控制網(wǎng)對城市進行了新的提升，是城市具有更多的發(fā)展?jié)摿?，這項技術已經(jīng)被越來越多的行業(yè)所運用[5]。需要注意的是，想要對某個城市進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，就必須先研究清楚這個城市各項具體情況，理論結合實際，根據(jù)實際環(huán)境再進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，這樣才能對城市建設起到事半功倍的效果。

參考文獻

[1] 趙長勝，趙曉晨，李廣杰.控制網(wǎng)敏感度分析法及其在優(yōu)化設計中的應用[J].東北測繪，2009，30（12）：45?47.

[2] 穆森，趙文吉，王羽佳，等.海寧市城市D級GPS工程控制網(wǎng)優(yōu)化設計[J].首都師范大學學報：自然科學版，2009，54（2）：65?68.

[3] 張鳳錄，陳品祥，閻慧魁，等.北京市三維城市控制網(wǎng)的優(yōu)化設計[C]//現(xiàn)代工程測量技術發(fā)展與應用研討交流會論文集.寧波：中國測繪學會，2005：77?79.

[4] 高北晨.兩種GPS基線網(wǎng)觀測方案的優(yōu)化方法[J].四川測繪，2012（2）：177?179.

[5] 毛坤德，趙長勝，周園.城市GPS控制優(yōu)化設計[J].礦山測繪，2007（3）：13?17.

[6] 苗劍峰，周貴榮，趙媛媛.基于GPS軟件接收機平臺的弱信號捕獲算法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（17）：63?65.

[7] 劉軍，金蕾.現(xiàn)代城市交通碳排放智能監(jiān)測減排系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（15）：151?153.

[8] 袁會東，韓峻峰，潘盛輝，等.基于WinCE的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（19）：165?167.

用距離交會法計算P點三維坐標（X，Y，Z）的觀測方程是：

[P21=X-X-12+Y-Y-12+Z-Z-12P22=X-X-22+Y-Y-22+Z-Z-22P23=X-X-32+Y-Y-32+Z-Z-32]

在城市GPS的定位當中，GPS屬于運轉(zhuǎn)速度非?？斓男l(wèi)星，它的坐標時刻都會發(fā)生改變，這就需要時刻對城市GPS衛(wèi)星信號和衛(wèi)星之間的距離做出檢測，然后依照衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)情況把城市GPS定位分為靜態(tài)與動態(tài)兩種定位。

2 如何對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計

城市GPS控制網(wǎng)與以往的一些傳統(tǒng)控制網(wǎng)有所不同，這是因為城市GPS控制網(wǎng)的自身有許多不同的特征，這就要求在對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計的時候，需要根據(jù)其不同特點制定出與其相適應的優(yōu)化方案。以城市GPS控制網(wǎng)的特征和效率相結合為大前提，優(yōu)化城市GPS的布局，在此將詳細分析從哪些方面對城市GPS進行控制網(wǎng)的優(yōu)化設計。

2.1 加強城市GPS控制網(wǎng)的精密性

加強城市GPS控制網(wǎng)的安全性就要求在設置GPS網(wǎng)分布的時候，一定要依照當?shù)氐木唧w環(huán)境等情況適量地增減觀察點的數(shù)量。如果觀察次數(shù)增加，就需要增加GPS獨立基數(shù)的數(shù)量，這樣便可以有效提高GPS控制網(wǎng)的安全性。在規(guī)定的時間里多次對同一個觀察點進行觀測有兩個好處：

（1） 可以確保在設置控制網(wǎng)時，是否存在人員性的問題導致測算失準；

（2） 就是可以確保GPS控制網(wǎng)的測算嚴謹度。

利用三條以上獨立的基數(shù)線段和各個觀察站連接在一起可以使計算結果更真實，從而提高安全性[3]。

2.2 設計城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度

控制網(wǎng)的基準尺度是城市GPS控制網(wǎng)中最容易出現(xiàn)誤差的一個環(huán)節(jié)。導致這種誤差的主要原因是因為在城市擴大建設的同時，對城市的空氣、地形等造成了不同程度的破壞和改變。

將城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度進行優(yōu)化，可以緩解這種誤差的出現(xiàn)。根據(jù)當?shù)氐腉PS運行站，把城市GPS控制網(wǎng)和水準網(wǎng)聯(lián)系在一起，將平地的GPS觀察點距離設置在5～12 km間，山地、陡坡等地的距離設置在15～25 km范圍內(nèi)，再將數(shù)據(jù)進行計算[4]。

2.3 將城市GPS控制網(wǎng)的布局進行優(yōu)化

在城市原有的控制網(wǎng)基礎上加入GPS優(yōu)化設計，是為了使城市的整個布局更加完善，這就要求利用效率指數(shù)去計算全部設計方案的最終工作效率，在根據(jù)工作效率算出整個方案的所需要耗費的時間，依照GPS的精密度要求，對比分析最為合適的比例，完善城市GPS控制網(wǎng)的設計。

3 結 語

科技在不斷進步與發(fā)展，如果能在小幅度改變城市原來的控制網(wǎng)系統(tǒng)的原則下，利用當下最先進的技術對城市的GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計，對提升城市GPS控制網(wǎng)的精密性和安全性以及城市現(xiàn)代化建設具有重要的意義。

當前，利用傳統(tǒng)方法進行計算測量建設其來的城市控制網(wǎng)已經(jīng)完全被高科技的GPS地位系統(tǒng)技術代替了。對于一個城市而言，將城市的控制網(wǎng)進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，是對這項新技術的最好肯定，同時也利用GPS控制網(wǎng)對城市進行了新的提升，是城市具有更多的發(fā)展?jié)摿?，這項技術已經(jīng)被越來越多的行業(yè)所運用[5]。需要注意的是，想要對某個城市進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，就必須先研究清楚這個城市各項具體情況，理論結合實際，根據(jù)實際環(huán)境再進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，這樣才能對城市建設起到事半功倍的效果。

參考文獻

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[6] 苗劍峰，周貴榮，趙媛媛.基于GPS軟件接收機平臺的弱信號捕獲算法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（17）：63?65.

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[8] 袁會東，韓峻峰，潘盛輝，等.基于WinCE的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（19）：165?167.

用距離交會法計算P點三維坐標（X，Y，Z）的觀測方程是：

[P21=X-X-12+Y-Y-12+Z-Z-12P22=X-X-22+Y-Y-22+Z-Z-22P23=X-X-32+Y-Y-32+Z-Z-32]

在城市GPS的定位當中，GPS屬于運轉(zhuǎn)速度非?？斓男l(wèi)星，它的坐標時刻都會發(fā)生改變，這就需要時刻對城市GPS衛(wèi)星信號和衛(wèi)星之間的距離做出檢測，然后依照衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)情況把城市GPS定位分為靜態(tài)與動態(tài)兩種定位。

2 如何對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計

城市GPS控制網(wǎng)與以往的一些傳統(tǒng)控制網(wǎng)有所不同，這是因為城市GPS控制網(wǎng)的自身有許多不同的特征，這就要求在對城市GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計的時候，需要根據(jù)其不同特點制定出與其相適應的優(yōu)化方案。以城市GPS控制網(wǎng)的特征和效率相結合為大前提，優(yōu)化城市GPS的布局，在此將詳細分析從哪些方面對城市GPS進行控制網(wǎng)的優(yōu)化設計。

2.1 加強城市GPS控制網(wǎng)的精密性

加強城市GPS控制網(wǎng)的安全性就要求在設置GPS網(wǎng)分布的時候，一定要依照當?shù)氐木唧w環(huán)境等情況適量地增減觀察點的數(shù)量。如果觀察次數(shù)增加，就需要增加GPS獨立基數(shù)的數(shù)量，這樣便可以有效提高GPS控制網(wǎng)的安全性。在規(guī)定的時間里多次對同一個觀察點進行觀測有兩個好處：

（1） 可以確保在設置控制網(wǎng)時，是否存在人員性的問題導致測算失準；

（2） 就是可以確保GPS控制網(wǎng)的測算嚴謹度。

利用三條以上獨立的基數(shù)線段和各個觀察站連接在一起可以使計算結果更真實，從而提高安全性[3]。

2.2 設計城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度

控制網(wǎng)的基準尺度是城市GPS控制網(wǎng)中最容易出現(xiàn)誤差的一個環(huán)節(jié)。導致這種誤差的主要原因是因為在城市擴大建設的同時，對城市的空氣、地形等造成了不同程度的破壞和改變。

將城市GPS控制網(wǎng)的基準尺度進行優(yōu)化，可以緩解這種誤差的出現(xiàn)。根據(jù)當?shù)氐腉PS運行站，把城市GPS控制網(wǎng)和水準網(wǎng)聯(lián)系在一起，將平地的GPS觀察點距離設置在5～12 km間，山地、陡坡等地的距離設置在15～25 km范圍內(nèi)，再將數(shù)據(jù)進行計算[4]。

2.3 將城市GPS控制網(wǎng)的布局進行優(yōu)化

在城市原有的控制網(wǎng)基礎上加入GPS優(yōu)化設計，是為了使城市的整個布局更加完善，這就要求利用效率指數(shù)去計算全部設計方案的最終工作效率，在根據(jù)工作效率算出整個方案的所需要耗費的時間，依照GPS的精密度要求，對比分析最為合適的比例，完善城市GPS控制網(wǎng)的設計。

3 結 語

科技在不斷進步與發(fā)展，如果能在小幅度改變城市原來的控制網(wǎng)系統(tǒng)的原則下，利用當下最先進的技術對城市的GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設計，對提升城市GPS控制網(wǎng)的精密性和安全性以及城市現(xiàn)代化建設具有重要的意義。

當前，利用傳統(tǒng)方法進行計算測量建設其來的城市控制網(wǎng)已經(jīng)完全被高科技的GPS地位系統(tǒng)技術代替了。對于一個城市而言，將城市的控制網(wǎng)進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，是對這項新技術的最好肯定，同時也利用GPS控制網(wǎng)對城市進行了新的提升，是城市具有更多的發(fā)展?jié)摿?，這項技術已經(jīng)被越來越多的行業(yè)所運用[5]。需要注意的是，想要對某個城市進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，就必須先研究清楚這個城市各項具體情況，理論結合實際，根據(jù)實際環(huán)境再進行GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設計，這樣才能對城市建設起到事半功倍的效果。

參考文獻

[1] 趙長勝，趙曉晨，李廣杰.控制網(wǎng)敏感度分析法及其在優(yōu)化設計中的應用[J].東北測繪，2009，30（12）：45?47.

[2] 穆森，趙文吉，王羽佳，等.海寧市城市D級GPS工程控制網(wǎng)優(yōu)化設計[J].首都師范大學學報：自然科學版，2009，54（2）：65?68.

[3] 張鳳錄，陳品祥，閻慧魁，等.北京市三維城市控制網(wǎng)的優(yōu)化設計[C]//現(xiàn)代工程測量技術發(fā)展與應用研討交流會論文集.寧波：中國測繪學會，2005：77?79.

[4] 高北晨.兩種GPS基線網(wǎng)觀測方案的優(yōu)化方法[J].四川測繪，2012（2）：177?179.

[5] 毛坤德，趙長勝，周園.城市GPS控制優(yōu)化設計[J].礦山測繪，2007（3）：13?17.

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[8] 袁會東，韓峻峰，潘盛輝，等.基于WinCE的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（19）：165?167.