gps测量原理与应用-讲义-第五章

第五章 GPS控制网的设计与外业工作 （The Design of GPS Control Network and Its Field Surveying） 5.1 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,GPS网技术设计的依据,GPS测量规范,测量任务书,GPS网设计依据的规范有： （1）2001年国家质量技术监督局发布的全球定位系统（GPS）测量规范，简称规范； （2）1998年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程，简称规程； （3）各部位根据本部门GPS工作的实际情况制定的其他GPS测量规程或细则。,测量任务书： 测量任务书或合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种技术是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。,GPS网的精度、密度设计 （1）GPS测量精度标准及分类 各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。例如：对于全球性地球动力学、地壳形变及国家基本大地测量的GPS网可参照规范中AA、A、B级的精度分级；用于城市或工程的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照规程中的二、三、四等和一、二级。,各等级GPS相邻点弦长精度计算,GPS基线向量的弦长中误差,GPS接收机标称精度中的固定误差,GPS接收机标称精度中的比例误差系数,GPS网中相邻点间的距离,实际工作要点： 在实际工作中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力等情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在具体布设中，可分级布设、也可越级布设，或布设同级全面网。,（2）GPS点的密度标准 各种不同任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。,GPS网的基准设计,GPS网的基准,位置基准,方位基准,尺度基准,方位基准一般以给定的起算方位角起算，也可由GPS基线向量的方位作为方位基准。,尺度基准一般由地面的电磁波测距确定，也可由GPS基线向量的方位作为方位基准。,基准设计时，应充分考虑以下几个问题： （1）为求定GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个，用以坐标转换。 （2）为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性及减少尺度比例误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制点，除未知点联结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。,（3）联测高程点均匀分布网中。 （4）新建GPS网的坐标应尽量与测区过去采用的坐标系统一致。 5.1.2 GPS网构成的几个基本概念及网特征条件 1.基本概念 （1）观测时段：测站上开始接收卫星星号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。,（2）同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。 （3）同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。 （4）独立观测环：由独立观测所得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。 （5）异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。 （6）独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。 （7）非独立基线：除独立基线外其他基线叫非独立基线。,2.GPS网特征条件计算,观测时段数的计算公式：,网点数,每点设站次数,接收机数,总基线数：,必要基线数：,独立基线数：,多余基线数：,3. GPS网同步图形构成及独立边的选择 对于N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数为：,当同步观测的GPS接收机数N=3时，同步闭合环的最少个数为,5.1.3 GPS构网方式 （1）星形网,这种网形在作业中只需要两台GPS接收机，作业简单，是一种快速定位作业方式，常用在快速静态定位和准动态定位中。但由于各基线之间不构成任何闭合图形，所以其抗粗差的能力非常差。一般只用在工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等一些精度要求较低的测量中。,（2）点连式,例如，当n=30时，采用三、四、五台接收机最少同步图形分别为15、10、8。网的必要观测基线数为n-1，而网中C个同步图形总共有C×(N-1)条独立基线。 显然，以这种方式布网，没有或仅有少量的异步图形闭合条件。因此，所构成的网形抗粗差能力仍不强，特别是粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。在这种网的布设中，可以在 C个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，使网的可靠性得到改善。,（3）边连式网,边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过两个公共点相连，即同步图形由一条公共基线连接。 比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的GPS网其几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。,（4）网连式网,所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间 存在互相重迭的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的一部分。 这种布网方式通常要4台或更多的GPS接收机，这样密集的布网方法，其几何强度和可靠性指标是相当高的，但其观测工作量以及作业经费均较高，仅适用于网点精度要求较高的测量任务。,5.2与5.3节内容自学，属于了解内容。,5.4 GPS测量的外业工作 选点与埋设标志 注意事项： （1）点位应紧扣测量目的布设。 （2）便于联测和扩展。 （3）点位交通方便，便于安置设备，视野开阔。 （4）点位远离大功率无线电发射源和高压输电线。 （5）点位附近避免有对电磁波发射强烈的物体。 （6）点位应选于地面基础好的地方。 （7）点位选好后，按规定绘制点记。,2.GPS接收机的检验,一般性检视,通电检视,GPS接收机内部噪声水平测试,天线相位中心稳定性检视,GPS接收机精度指标检视,天线交换旋转90°，180°，270°，三个时段,零基线和短基线法,3. GPS卫星预报与观测调度 卫星几何分布及可接收卫星数与精度息息相关。根据软件可预报。,4. GPS外业观测工作 （1）天线安置 （2）观测作业 （3）观测记录,5. GPS相对定位作业模式 （1）静态相对定位 （2）快速静态相对定位 （3）准动态相对定位 （4）动态相对定位（差分相对定位）,5.5 GPS基线向量解算与网平差概述 GPS基线向量解算,基本处理过程： （1）数据传输 （2）数据分流 从原始数据中，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、载波相位和伪距观测文件、测站信息文件。 （3）GPS数据的预处理 对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统一数据文件格式，将不同类型接收机的数据记录格式统一为标准化的文件格式，探测周跳，修复观测值。 （4）基线向量解算 一般先采用三差模型法对基线向量进行预求解，然后再采用双差模型对基线向量进行精确求解。对于20 km以下的基线，常采用所谓的固定双差解，即整周未知数取为整数后的基线平差解。而对于30 km以上的基线，一般采用浮点双差解，即整周未知数不取整，以实数作为整周值，所以也可称为实数解。,2. GPS网平差与坐标转换概述 由同步观测和异步观测的基线向量互相联结构成GPS网，称为GPS基线向量网。由于存在观测 误差，网中由不同时段观测的基线向量组成的闭合图形存在不符值(闭合差)。因此，应在WGS-84坐标系统下，以GPS基线向量及其相应的方差阵作为观测信息，对GPS网进行平差计算，消除不符值，获得网中点的平差后的三维坐标、基线边长的平差值、基线向量观测值改正数及其对观测值、点位坐标的精度评定。,为检验基线向量观测值的网内部符合精度以及观测值是否存在系统误差和粗差，一般常采用无约束平差法，即以WGS-84坐标下一个点的三维坐标作为位置基准的平差，该平差避免了基准信息误差，因此，平差后的结果，可以准确地反映观测值的精度。并可通过单位权方差检验，观测值改正数的分布及其粗差检验，发现网中可能存在的系统误差及粗差。,5.6 GPS观测成果检验与技术总结 1.GPS观测成果的检验 （1）基线长度中误差 基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内。对于20 km以内的短基线，双差求解模型可有效地消除电离层的影响，其相应的中误差小于0.010.02 m。若超过此项限差，基线解算成果的可信性就较差。 同时基线的单位权方差主要反映偶然误差，一般也应小于0.01 m。,（2）基线求解的整周参数的整周性 对于20 km以内的短基线，其求解的整周模糊度应具有良好的整数特性，若在基线平差解算中，有一两个模糊度与相近整数相差到0.150.20，则该成果较好，当差值超过0.30时 ，所求的结果往往不太可靠。此时，可采用换基准参考卫星，以及去掉周跳出现较多的某颗卫星或截去信号条件较差的一段时间的信号等措施，重新再求解基线。,（3）基线观测值参差分析 一些基线解算的软件中，通常都具有以图或表的形式给出一个测段中每颗卫星与基准参考卫星之间观测值残差的功能。若每颗卫星的残差图形均在纵坐标零周附近，则该基解算较好。 若某颗星的残差起伏较大，则表明该星的单差可能有问题，可考虑删去该星；若残差图中出现突然的跳跃或尖峰时，表明周跳未完全消除；若所有星的残差图形都不好，很可能是基准参考星的问题，可改用另一颗卫星作为基准参考星。,（4）基线浮点解与固定解之差 以平差解算的实数作为整周未知参数获得的解为浮点解(实数解)，而将实数取整后的整数作为整周未知参数获得的解为固定解，两者之间的基线向量坐标应符合良好，在短基线情况下，两者的基线向量坐标差达分米级时，则处理结果可能有问题。 （5）同步多边形闭合差检查 采用单基线处理模式，对于采用同一种数学模型获得的基线解，由其同步时段若干基线组成的同步多边形环的坐标分量相对闭合差和全长闭合差应满足：,式中n为多边形的边数，为GPS网相应级别规定的观测精度。,（6）异步环多边形闭合差检查 由若干条独立基线边构成的异步闭合环，其闭合差应符合下式规定：,异步环多边形闭合差的大小，是基线向量质量检核的主要指标。如果闭合差超限，应及时分析原因，对其中部分成果进行重测。,（7）重复基线边较差检查 同一条GPS基线边若观测了多个时段，可得多次基线边观测结果，同一条基线边任意两个时段结果的互差不宜超过下式的规定：,2. GPS测量的技术总结与上交资料 技术总结的内容一般包括： (1) 测区范围与位置，自然地理条件，气候特点，交通及经济等情况。 (2) 任务来源，测区已有测量成果的情况，施测目的和基本精度要求。 (3) 施测单位，施测起止时间，技术依据，作业人员情况，使用接收机类型和数量以及检验情况，观测方法，重测、补测情况，作业环境，重合点情况，工作量与工作日情况。 (4) 野外数据检核情况和分析，起算数据和坐标系统，数据后处理内容、方法及软件情况，精度分析。,(5) 外业观测数据质量分析与野外检核情况。 (6) 方案实施与规范执行情况。 (7) 工作量与定额计算。 (8) 提交成果中尚存在的问题和需要说明的其他问题。 (9) 上交资料清单。 (10) 各种附表与附图。,GPS测量任务完成后，应提交下列资料 ： (1) 测量任务书。 (2) 技术设计书。 (3) 新设或重建的GPS点的点之记和测量标志委托保管书。 (4) 外业观测记录(含软盘)、测量手簿及其他记录资料。 (5) GPS控制点网图。 (6) 数据处理中生成的文件、资料和成果表。 (7) GPS接收机设备的检验资料。 (8) 技术总结报告。 (9) 成果验收报告。,作业： （1）名词解释：观测时段，同步观测，同步环观测，独立观测环，异步观测环，独立基线 。 （2）GPS外