城市GPS控制网的优化设计研究

姚芬

摘 要： 在此较为全面地以城市为研究对象，对城市GPS控制网的优化设计进行了探究，并对城市GPS控制网的基本设计和GPS基本网形的设计进行分析计算，推算出城市GPS控制网的可靠性计算公式与二维精度的计算公式。推测出城市GPS控制网的设计是由可靠性指标、经费指标、效率指数等组成的，并根据GPS控制网优化设计的概念和思路，来优化城市GPS控制网的设计。

关键词： GPS控制网； 城市； 优化设计； GPS控制网设计

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

文章重点探讨了如何优化设计城市GPS控制网设计，并分别介绍了GPS系统的组成、GPS的构网组成形式及特点等。优化城市GPS控制网的设计主要作用在于提高其准确度和安全性的同时节约建网的资源，所以文章论述了如何对控制网进行优化、如何进行更精密的计算等，同时也介绍了传统的方法是如何解决城市GPS控制网的问题，将两种方法进行比较，找出最合适的方法。

1 城市GPS控制网优化设计的原理

1.1 城市GPS控制网的概念

GPS又被称之为全球定位系统，最早是由美国建立的，这个系统的原型是一个具有卫星导航功能的地位系统，利用GPS导航系统之后，用户们可以在世界的任何位置了解气候、时间等情况，这个系统还能为用户提供高密度时间传递及定位等功能。GPS控制网优化设计主要是针对城市中GPS控制网的布局进行全方位的布置为基础，利用GPS为计算工具，全面对控制网的精密性、安全性、节能型等方面，找寻最好的计算方案对城市GPS控制网的作用和功能进行全方位的提升。在为城市设置或增设GPS控制网的时候，应当考虑这个城市现在的财务情况、人力资源及物力资源等方面的实际情况，确保各方面的资源能在恰当的应用大前提下把城市GPS控制网的精密度、灵活性、安全性提高到最好的状态。GPS定位系统主要是由空间部分，地面控制部分和用户设备这3个部分组成的[1]。

1.2 城市GPS的组成部分

1.2.1 空间部分

GPS空间部分也被称为GPS工作星座，它是用21个GPS工作星座和3个备用卫星组织而成的，这24个卫星平局排列在6个不同的卫星轨道平面中，其轨道的角度是55°，每个轨道平面的距离角度是60°，也就是说轨道的升交点都相距60°，而轨道内每个卫星的升交角度是90°的GPS卫星在距地面10 000 km的高空当中，地球围绕恒星自转1周，卫星围绕地球自转2周，所以在地面的观察者而言，每天需要提早4 min，便能再一次见到同一颗卫星，详情见图1。

1.2.2 地面控制部分

从导航定位的角度来看，GPS卫星是动态的，而卫星的位置是由地面控制部分计算得出的。无论那可卫星的星历都是地面的控制部分提供的，地面控制部分可以控制卫星在哪个运行轨道运行。地面控制部分还有一个作用即是让每一颗卫星都准确地控制在GPS时间系统之内，地面控制部分根据每颗卫星的时间，计算出钟差，然后再把数据发射给卫星。

1.2.3 用户设备

用户设备的主要任务就是获取卫星一定高度、角度预测到信号，根据这些数据观察卫星的运作情况，并对接收到的GPS数据将信号进行变更、放大、缩小及处理等，以此方便计算出GPS从卫星上接收到信号的所需时间，破解卫星发射出的电文，很据情况推算出GPS的三维位置、时间、转速等。

随着科学技术的进步和发展，用户GPS接收设备的体积越来越小，重量也越来越轻，非常有利于观察者随身携带进行户外的观察，这对GPS使用者来说，又是一次技术性的大提升，极大化地为用户提供了更多更有效的服务。

1.3 城市GPS的基本原理

城市GPS卫星定位的原理就是把无线电的信号从地面发射台转移到空中的卫星上。想要组织成一个卫星导航系统，就要合理地利用无线电计算距离交会的原理，然后就可以知道3个或3个以上地面控制台计算出的卫星具体位置，当然也可以利用3颗或3颗以上卫星的位置计算出地面交汇点的具体位置。用户可以利用GPS接收器在任何时间同时接收到3颗或3颗以上的卫星信号，计算出接收机天线的站点到3颗或3颗以上卫星的距离后，再计算出GPS此时此刻在空间中的坐标是多少，根据距离交会法则计算P点的具体位置，设在时刻在ti测站P使用GPS接收机的同时计算出P点到3颗或3颗以上GPS卫星S1，S2，S3的距离P1，P2，P3，再经过GPS电文破解出此时此刻三颗GPS卫星的三维坐标[2]分别是XJ，YJ，ZJ，j = 1，2，3。

用距离交会法计算P点三维坐标（X，Y，Z）的观测方程是：

[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的定位当中，GPS属于运转速度非常快的卫星，它的坐标时刻都会发生改变，这就需要时刻对城市GPS卫星信号和卫星之间的距离做出检测，然后依照卫星的运转情况把城市GPS定位分为静态与动态两种定位。

2 如何对城市GPS控制网进行优化设计

城市GPS控制网与以往的一些传统控制网有所不同，这是因为城市GPS控制网的自身有许多不同的特征，这就要求在对城市GPS控制网进行优化设计的时候，需要根据其不同特点制定出与其相适应的优化方案。以城市GPS控制网的特征和效率相结合为大前提，优化城市GPS的布局，在此将详细分析从哪些方面对城市GPS进行控制网的优化设计。

2.1 加强城市GPS控制网的精密性

加强城市GPS控制网的安全性就要求在设置GPS网分布的时候，一定要依照当地的具体环境等情况适量地增减观察点的数量。如果观察次数增加，就需要增加GPS独立基数的数量，这样便可以有效提高GPS控制网的安全性。在规定的时间里多次对同一个观察点进行观测有两个好处：

（1） 可以确保在设置控制网时，是否存在人员性的问题导致测算失准；

（2） 就是可以确保GPS控制网的测算严谨度。

利用三条以上独立的基数线段和各个观察站连接在一起可以使计算结果更真实，从而提高安全性[3]。

2.2 设计城市GPS控制网的基准尺度

控制网的基准尺度是城市GPS控制网中最容易出现误差的一个环节。导致这种误差的主要原因是因为在城市扩大建设的同时，对城市的空气、地形等造成了不同程度的破坏和改变。

将城市GPS控制网的基准尺度进行优化，可以缓解这种误差的出现。根据当地的GPS运行站，把城市GPS控制网和水准网联系在一起，将平地的GPS观察点距离设置在5～12 km间，山地、陡坡等地的距离设置在15～25 km范围内，再将数据进行计算[4]。

2.3 将城市GPS控制网的布局进行优化

在城市原有的控制网基础上加入GPS优化设计，是为了使城市的整个布局更加完善，这就要求利用效率指数去计算全部设计方案的最终工作效率，在根据工作效率算出整个方案的所需要耗费的时间，依照GPS的精密度要求，对比分析最为合适的比例，完善城市GPS控制网的设计。

3 结 语

科技在不断进步与发展，如果能在小幅度改变城市原来的控制网系统的原则下，利用当下最先进的技术对城市的GPS控制网进行优化设计，对提升城市GPS控制网的精密性和安全性以及城市现代化建设具有重要的意义。

当前，利用传统方法进行计算测量建设其来的城市控制网已经完全被高科技的GPS地位系统技术代替了。对于一个城市而言，将城市的控制网进行GPS控制网的优化设计，是对这项新技术的最好肯定，同时也利用GPS控制网对城市进行了新的提升，是城市具有更多的发展潜力，这项技术已经被越来越多的行业所运用[5]。需要注意的是，想要对某个城市进行GPS控制网的优化设计，就必须先研究清楚这个城市各项具体情况，理论结合实际，根据实际环境再进行GPS控制网的优化设计，这样才能对城市建设起到事半功倍的效果。

参考文献

[1] 赵长胜，赵晓晨，李广杰.控制网敏感度分析法及其在优化设计中的应用[J].东北测绘，2009，30（12）：45?47.

[2] 穆森，赵文吉，王羽佳，等.海宁市城市D级GPS工程控制网优化设计[J].首都师范大学学报：自然科学版，2009，54（2）：65?68.

[3] 张凤录，陈品祥，阎慧魁，等.北京市三维城市控制网的优化设计[C]//现代工程测量技术发展与应用研讨交流会论文集.宁波：中国测绘学会，2005：77?79.

[4] 高北晨.两种GPS基线网观测方案的优化方法[J].四川测绘，2012（2）：177?179.

[5] 毛坤德，赵长胜，周园.城市GPS控制优化设计[J].矿山测绘，2007（3）：13?17.

[6] 苗剑峰，周贵荣，赵媛媛.基于GPS软件接收机平台的弱信号捕获算法研究[J].现代电子技术，2012，35（17）：63?65.

[7] 刘军，金蕾.现代城市交通碳排放智能监测减排系统[J].现代电子技术，2012，35（15）：151?153.

[8] 袁会东，韩峻峰，潘盛辉，等.基于WinCE的GPS数据采集系统设计[J].现代电子技术，2012，35（19）：165?167.

用距离交会法计算P点三维坐标（X，Y，Z）的观测方程是：

[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的定位当中，GPS属于运转速度非常快的卫星，它的坐标时刻都会发生改变，这就需要时刻对城市GPS卫星信号和卫星之间的距离做出检测，然后依照卫星的运转情况把城市GPS定位分为静态与动态两种定位。

2 如何对城市GPS控制网进行优化设计

城市GPS控制网与以往的一些传统控制网有所不同，这是因为城市GPS控制网的自身有许多不同的特征，这就要求在对城市GPS控制网进行优化设计的时候，需要根据其不同特点制定出与其相适应的优化方案。以城市GPS控制网的特征和效率相结合为大前提，优化城市GPS的布局，在此将详细分析从哪些方面对城市GPS进行控制网的优化设计。

2.1 加强城市GPS控制网的精密性

加强城市GPS控制网的安全性就要求在设置GPS网分布的时候，一定要依照当地的具体环境等情况适量地增减观察点的数量。如果观察次数增加，就需要增加GPS独立基数的数量，这样便可以有效提高GPS控制网的安全性。在规定的时间里多次对同一个观察点进行观测有两个好处：

（1） 可以确保在设置控制网时，是否存在人员性的问题导致测算失准；

（2） 就是可以确保GPS控制网的测算严谨度。

利用三条以上独立的基数线段和各个观察站连接在一起可以使计算结果更真实，从而提高安全性[3]。

2.2 设计城市GPS控制网的基准尺度

控制网的基准尺度是城市GPS控制网中最容易出现误差的一个环节。导致这种误差的主要原因是因为在城市扩大建设的同时，对城市的空气、地形等造成了不同程度的破坏和改变。

将城市GPS控制网的基准尺度进行优化，可以缓解这种误差的出现。根据当地的GPS运行站，把城市GPS控制网和水准网联系在一起，将平地的GPS观察点距离设置在5～12 km间，山地、陡坡等地的距离设置在15～25 km范围内，再将数据进行计算[4]。

2.3 将城市GPS控制网的布局进行优化

在城市原有的控制网基础上加入GPS优化设计，是为了使城市的整个布局更加完善，这就要求利用效率指数去计算全部设计方案的最终工作效率，在根据工作效率算出整个方案的所需要耗费的时间，依照GPS的精密度要求，对比分析最为合适的比例，完善城市GPS控制网的设计。

3 结 语

科技在不断进步与发展，如果能在小幅度改变城市原来的控制网系统的原则下，利用当下最先进的技术对城市的GPS控制网进行优化设计，对提升城市GPS控制网的精密性和安全性以及城市现代化建设具有重要的意义。

当前，利用传统方法进行计算测量建设其来的城市控制网已经完全被高科技的GPS地位系统技术代替了。对于一个城市而言，将城市的控制网进行GPS控制网的优化设计，是对这项新技术的最好肯定，同时也利用GPS控制网对城市进行了新的提升，是城市具有更多的发展潜力，这项技术已经被越来越多的行业所运用[5]。需要注意的是，想要对某个城市进行GPS控制网的优化设计，就必须先研究清楚这个城市各项具体情况，理论结合实际，根据实际环境再进行GPS控制网的优化设计，这样才能对城市建设起到事半功倍的效果。

参考文献

[1] 赵长胜，赵晓晨，李广杰.控制网敏感度分析法及其在优化设计中的应用[J].东北测绘，2009，30（12）：45?47.

[2] 穆森，赵文吉，王羽佳，等.海宁市城市D级GPS工程控制网优化设计[J].首都师范大学学报：自然科学版，2009，54（2）：65?68.

[3] 张凤录，陈品祥，阎慧魁，等.北京市三维城市控制网的优化设计[C]//现代工程测量技术发展与应用研讨交流会论文集.宁波：中国测绘学会，2005：77?79.

[4] 高北晨.两种GPS基线网观测方案的优化方法[J].四川测绘，2012（2）：177?179.

[5] 毛坤德，赵长胜，周园.城市GPS控制优化设计[J].矿山测绘，2007（3）：13?17.

[6] 苗剑峰，周贵荣，赵媛媛.基于GPS软件接收机平台的弱信号捕获算法研究[J].现代电子技术，2012，35（17）：63?65.

[7] 刘军，金蕾.现代城市交通碳排放智能监测减排系统[J].现代电子技术，2012，35（15）：151?153.

[8] 袁会东，韩峻峰，潘盛辉，等.基于WinCE的GPS数据采集系统设计[J].现代电子技术，2012，35（19）：165?167.

用距离交会法计算P点三维坐标（X，Y，Z）的观测方程是：

[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的定位当中，GPS属于运转速度非常快的卫星，它的坐标时刻都会发生改变，这就需要时刻对城市GPS卫星信号和卫星之间的距离做出检测，然后依照卫星的运转情况把城市GPS定位分为静态与动态两种定位。

2 如何对城市GPS控制网进行优化设计

城市GPS控制网与以往的一些传统控制网有所不同，这是因为城市GPS控制网的自身有许多不同的特征，这就要求在对城市GPS控制网进行优化设计的时候，需要根据其不同特点制定出与其相适应的优化方案。以城市GPS控制网的特征和效率相结合为大前提，优化城市GPS的布局，在此将详细分析从哪些方面对城市GPS进行控制网的优化设计。

2.1 加强城市GPS控制网的精密性

加强城市GPS控制网的安全性就要求在设置GPS网分布的时候，一定要依照当地的具体环境等情况适量地增减观察点的数量。如果观察次数增加，就需要增加GPS独立基数的数量，这样便可以有效提高GPS控制网的安全性。在规定的时间里多次对同一个观察点进行观测有两个好处：

（1） 可以确保在设置控制网时，是否存在人员性的问题导致测算失准；

（2） 就是可以确保GPS控制网的测算严谨度。

利用三条以上独立的基数线段和各个观察站连接在一起可以使计算结果更真实，从而提高安全性[3]。

2.2 设计城市GPS控制网的基准尺度

控制网的基准尺度是城市GPS控制网中最容易出现误差的一个环节。导致这种误差的主要原因是因为在城市扩大建设的同时，对城市的空气、地形等造成了不同程度的破坏和改变。

将城市GPS控制网的基准尺度进行优化，可以缓解这种误差的出现。根据当地的GPS运行站，把城市GPS控制网和水准网联系在一起，将平地的GPS观察点距离设置在5～12 km间，山地、陡坡等地的距离设置在15～25 km范围内，再将数据进行计算[4]。

2.3 将城市GPS控制网的布局进行优化

在城市原有的控制网基础上加入GPS优化设计，是为了使城市的整个布局更加完善，这就要求利用效率指数去计算全部设计方案的最终工作效率，在根据工作效率算出整个方案的所需要耗费的时间，依照GPS的精密度要求，对比分析最为合适的比例，完善城市GPS控制网的设计。

3 结 语

科技在不断进步与发展，如果能在小幅度改变城市原来的控制网系统的原则下，利用当下最先进的技术对城市的GPS控制网进行优化设计，对提升城市GPS控制网的精密性和安全性以及城市现代化建设具有重要的意义。

当前，利用传统方法进行计算测量建设其来的城市控制网已经完全被高科技的GPS地位系统技术代替了。对于一个城市而言，将城市的控制网进行GPS控制网的优化设计，是对这项新技术的最好肯定，同时也利用GPS控制网对城市进行了新的提升，是城市具有更多的发展潜力，这项技术已经被越来越多的行业所运用[5]。需要注意的是，想要对某个城市进行GPS控制网的优化设计，就必须先研究清楚这个城市各项具体情况，理论结合实际，根据实际环境再进行GPS控制网的优化设计，这样才能对城市建设起到事半功倍的效果。

参考文献

[1] 赵长胜，赵晓晨，李广杰.控制网敏感度分析法及其在优化设计中的应用[J].东北测绘，2009，30（12）：45?47.

[2] 穆森，赵文吉，王羽佳，等.海宁市城市D级GPS工程控制网优化设计[J].首都师范大学学报：自然科学版，2009，54（2）：65?68.

[3] 张凤录，陈品祥，阎慧魁，等.北京市三维城市控制网的优化设计[C]//现代工程测量技术发展与应用研讨交流会论文集.宁波：中国测绘学会，2005：77?79.

[4] 高北晨.两种GPS基线网观测方案的优化方法[J].四川测绘，2012（2）：177?179.

[5] 毛坤德，赵长胜，周园.城市GPS控制优化设计[J].矿山测绘，2007（3）：13?17.

[6] 苗剑峰，周贵荣，赵媛媛.基于GPS软件接收机平台的弱信号捕获算法研究[J].现代电子技术，2012，35（17）：63?65.

[7] 刘军，金蕾.现代城市交通碳排放智能监测减排系统[J].现代电子技术，2012，35（15）：151?153.

[8] 袁会东，韩峻峰，潘盛辉，等.基于WinCE的GPS数据采集系统设计[J].现代电子技术，2012，35（19）：165?167.