常规gps控制测量与gdcors数据处理方案洪伟

常规GPS控制测量与 GDCORS 数据处理方案 GDCORS管理中心 2009年3月 目录 GPS在控制测量项目中的普及应用 常规GPS控制网工作流程 常规GPS控制测量的数据处理方法 GDCORS在GPS控制测量中的应用 GDCORS与省似大地水准面的结合应用 CGCS2000国家大地坐标系介绍 GPS在控制测量中的应用及 优势 ¨建立各种等级的控制网，GPS技术已基本 上取代了常规的控制测量方法； ¨GPS观测的精度要明显高于一般的常规测 量手段 ； ¨GPS测量不要求测站间相互通视，作业成 本低，劳动强度低； ¨全天候作业 ，观测和数据处理自动化程度 高。 GPS控制网外业工作流程 ¨测前工作 ¨项目的提出及设计书的编写（项目来源、 测区概况、工程概况、技术依据、现有成 果、施测方案、作业要求、观测质量控制 、数据处理方案、提交成果要求等） ¨测绘资料的搜集与整理 ¨仪器的检验 ¨踏勘、选点埋石 测前工作：设计书的编写 ¨项目来源：即项目由何单位、部门下达、发包，属于何 种性质的项目 ； ¨测区概况：介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发 展状况、交通条件、通讯条件等 ¨工程概况：介绍工程的目的、作用、要求、GPS网等级 （精度）、完成时间、有无特殊要求等在进行技术设计 、实际作业和数据处理中所必须要了解的信息； ¨技术依据 ：介绍工程所依据的测量规范、工程规范、行 业标准及相关的技术要求等； ¨现有测绘成果：介绍测区内及与测区相关地区的现有测 绘成果的情况。如已知点、测区地形图等； ¨施测方案：介绍测量采用的仪器设备的种类、采取的布 网方法等； 测前工作：设计书的编写 ¨作业要求 ：规定选点埋石要求、外业观测时的具体操作规程、技术 要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中 精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等 ； ¨观测质量控制：介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各 项限差要求等。如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差 、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等； ¨数据处理方案：详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理 所采用的软件和处理方法等内容。对于基线解算的数据处理方案， 应包含如下内容：基线解算软件、参与解算的观测值、解算时所使 用的卫星星历类型等。对于网平差的数据处理方案，应包含如下内 容：网平差处理软件、网平差类型、网平差时的坐标系、基准及投 影、起算数据的选取等； ¨提交成果要求：规定提交成果的类型及形式。一般包括使用坐标系 统和高程系统，以及观测原始文件和计算过程资料等。 ¨测绘资料的搜集与整理：收集整理的资料主要包括测区 及周边地区可利用的已知点的相关资料（点之记、坐标 等）和测区的地形图等； ¨仪器的检验：对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机 及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正 常工作； ¨踏勘、选点埋石：需要根据技术设计的要求对测区进行 踏勘，并进行选点埋石工作。需要遵循以下原则： 测站上空应尽可能的开阔； 测站周围不能有强电磁波干扰源； 测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物； 测站应选在交通便利且利于保存的地方。 测前工作 测量实施 ¨实地了解测区情况：点的位置、上点难度等 ¨卫星状况预报：根据测区的地理位置，以及最新 的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合 适的观测时间段的依据； ¨确定作业方案：作业小组的分组情况、GPS观测 的时间段以及测站等； ¨布网原则及方法（起算点选取原则、观测时段、 重复设站次数、最小异步环） ¨外业观测 ¨数据传输与转储 ¨基线处理与质量评估 布网原则 ¨起算点分布均匀、数目达到控制要求； ¨起算点兼容性检查； ¨作业方式，点连式、边连式、网连式、混 连式； ¨通过增加观测时段、保证重复设站次数、 每点上独立基线数、最小异步环环边数等 保证基线可靠性。 影响GPS控制网质量的因素 ¨观测值的精度 由观测方法和基线处理方法决定 ¨起算数据的数量、质量、分布与网的关系 由网的设计和外业观测调度决定 ¨网的结构 由网的设计和外业观测调度决定 ¨数学模型的完备性 由数据处理软件决定 ¨外业观测中，如对中、量高、天线定向等 由外业作业人员决定 保证GPS控制网质量的基本 原则 ¨观测值的精度和数量要保证； ¨起算数据的数量要保证，数量要适当，分 布要均匀，与网的关系要紧密； ¨网的结构要强； ¨数学模型要完备。 GPS常规控制网布网实例 ¨GPS-E级控制网 ¨139个控制点 ¨648条基线 ¨23个GPS-D级点作起算 点 ¨外部要保证全部控制到 ，避免出现局部外推现 象，内部尽可能做到均 匀分布 测后工作 ¨网平差处理与质量评估 ¨技术总结的编写及上交资料（完成情况、 精度指标、问题分析与解决、提交成果 ） ¨成果验收 技术总结的编写 技术总结的作用 在完成了GPS网的布设后，应该认真完成技术总结。每项GPS工程的技术总结不仅是 工程一系列必要文档的主要组成部分，而且它还能够使各方面对工程的各个细节有完 整而充分的了解，从而便于今后对成果的充分而全面地加以利用。另一方面，通过对 整个工程的总结，测量作业单位还能够总结经验，发现不足，为今后进行新的工程提 供参考。 技术总结的内容 ¨项目来源：介绍项目的来源、性质； ¨测区概况：介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件 等； ¨工程概况：介绍工程目的、作用、要求、等级（精度）、完成时间等； ¨技术依据：介绍作业所依据的测量规范、工程规范、行业标准等； ¨施测方案：介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等； ¨作业要求：介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如 采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。 ¨作业情况：介绍外业观测时实际遵循的操作规程、技术要求（包括仪器参数的设置（ 如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等 。）、作业观测情况、工作量、观测成果等； ¨观测质量控制：介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等； ¨数据处理情况：介绍数据处理方法、过程、结果及精度统计与分析情况； ¨结论：对整个工程的质量及成果作出结论。 上交成果资料 GPS工程项目应整理上交以下技术成果资料： ¨测量任务书和专业设计书； ¨点之记、环视图、测量标志委托保管书； ¨接收设备、气象及其它仪器的检验 资料； ¨外业观测记录、测量手簿及其它记录 ¨数据处理中生成的文件，资料和成果表； ¨GPS网展点图； ¨技术总结和成果验收报告。 常规GPS控制测量的数据处理方 法 数据传输及转换 GPS基线解算 GPS基线网平差 成果整理提交 GPS数据处理流程图 GPS基线解算 ¨GPS基线解算的概念 ¨基线解算质量控制指标（单位权方差因子 、数 据删除率、RATIO 、RDOP 、RMS、同步环闭 合差 、异步环闭合差 、重复基线较差 ） ¨GPS基线解算的过程 ¨影响GPS基线解算结果的几个因素（起点坐标不 正确、观测时间太短、周跳过多、多路径效应明 显、电离层和对流层折射影响大） GPS基线解算的概念 ¨GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站 与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基 线是有区别的，常规测量中的基线只有长度属性，而 GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项 属性。GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果，也是 进行GPS网平差，获取最终点位的观测值。 ¨基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所 采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差 要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整 周未知数参数和基线向量的实数解（浮动解）；在第二 阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定 了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为 未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终 解-整数解（固定解）。 GPS基线解算的过程 ¨原始观测数据的读入（RINEX格式） ¨外业输入数据的检查与修改（要求手簿各 项内容记录完整正确） ¨设定基线解算的控制参数 ¨基线解算（自动处理，一般无需干预） ¨基线质量的检验 GPS基线解算流程图（软件内部 ） GPS基线解算流程图（软件操作 ） GPS基线解算实例 上图以Trimble公司TGO软件为例描述解算过程 基线解算质量控制指标 以上为TGO的基线处理参数的缺省设定值 基线解算质量控制指标 ¨单位权方差因子 ¨数据删除率 被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的 数据删除率。数据删除率反映出了GPS原始观测值的质量 ，数据删除率越高，说明观测值的质量越差。 ¨RATIO、RDOP 、RMS RATIO反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性； RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响； RMS表明了观测值的质量，观测值质量越好则越小。 ¨同步环闭合差 同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差 。 ¨异步环闭合差 不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，异 步环的闭合差称为异步环闭合差。 ¨重复基线较差 不同观测时段同一条基线的观测结果较差，即重复基线较 差 后三种为控制指标，即必须满足的精度指标。 规范中关于基线的相关要求 规范中关于基线的相关要求 影响GPS基线解算结果因素的判 别及应对措施 ¨基线起点坐标不准确的判别及应对 ¨卫星观测时间短的判别及应对 ¨周跳太多的判别及应对 ¨多路径效应严重的判别及应对 ¨对流层或电离层折射影响过大的判别及应对 GPS基线向量网平差 ¨GPS基线向量控制网平差的概念 ¨GPS网平差的分类（三维平差和二维平差 、无约束平差和约束平差、联合平差） ¨GPS网平差的过程（提取基线向量构建 GPS基线向量网、三维无约束平差、约束 平差/联合平差） 提取基线向量原则 ¨选取相互独立的基线； ¨所选取的基线应构成闭合的几何图形； ¨选取质量好的基线向量，基线质量的好坏， 可以依据RMS、RDOP、RATIO、同步环闭 合差、异步环闭合差和重复基线较差来判定 ； ¨选取能构成边数较少的异步环的基线向量； ¨选取边长较短的基线向量。 GPS基线网平差原理 GPS控制网是由相对定位所求得的基线向量而构成 的空间基线向量网，在GPS网的数据处理过程中， 基线解算所得到的基线向量仅能确定GPS网的几何 形状，但却无法提供最终确定网中点的绝对坐标所 必需的绝对位置基准。在GPS网平差中，通过起算 点坐标可以达到引入绝对基准的目的。在GPS控制 网的平差中，是以基线向量及协方差为基本观测量 的。通常采用三维无约束平差、三维约束平差及三 维联合平差三种平差模型。各类型的平差具有各自 不同的功能，必须分阶段采用不同类型的网平差方 法。 GPS基线网平差流程图 三维无约束平差 在构成了GPS基线向量网后，需要进行GPS网的 三维无约束平差，通过无约束平差主要达到以下 几个目的： ¨根据无约束平差的结果，判别在所构成的GPS网中 是否有粗差基线，如发现含有粗差的基线，需要 进行相应的处理，必须使得最后用于构网的所有 基线向量均满足质量要求。 ¨调整各基线向量观测值的权，使得它们相互匹配 。 约束平差/联合平差 在进行完三维无约束平差后，需要进行约 束平差或联合平差，平差可根据需要在三维 空间进行或二维空间中进行。 约束平差的具体步骤是： ¨指定进行平差的基准和坐标系统； ¨指定起算数据； ¨检验约束条件的质量； ¨进行平差解算。 质量分析与控制 进行GPS网质量的评定，在评定时可以采用下面的指标： 基线向量的残差： 根据基线向量的改正数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差 。根据规范要求，三维无约束平差的基线向量残差值不大于3倍标准差 ，否则认为存在粗差；三维约束平差和三维无约束平差的同名基线向 量残差较差不大于2倍标准差，否则认为约束值存在较大误差。 相邻点的