第八章 GPS测量的设计与实施 GPS测量概述 GPS测量的技术设计 GPS测量的外业准备及技术设计书编写 GPS测量的外业实施

Presentation on theme: "第八章 GPS测量的设计与实施 GPS测量概述 GPS测量的技术设计 GPS测量的外业准备及技术设计书编写 GPS测量的外业实施"— Presentation transcript:

1 第八章 GPS测量的设计与实施 GPS测量概述 GPS测量的技术设计 GPS测量的外业准备及技术设计书编写 GPS测量的外业实施
数据预处理及观测成果的质量检核 技术总结与上交资料

2 第一节、GPS测量工作概述 1、GPS测量主要工作内容 布设各类GPS网 放样 测图 地理信息要素的采集 辅助其它测量工作

3 第一节、GPS测量工作概述 2、GPS测量的工作步骤 1）测前（方案设计）
立项：目的、范围、点位数量与分布、精度要求、成果内容、时限、经费... 技术设计 测绘资料的收集 仪器检定 踏勘、选点埋石

4 第一节、GPS测量工作概述 2、GPS测量的工作步骤（续） 2）测中（外业实施） 实地了解测区情况 观测期间卫星状态的预报 确定作业方案
外业观测 内业处理 数据传输、转储 基线初步解算 质量评估

5 GPS测量的工作步骤（续） 2、GPS测量的工作步骤（续） 3）测后（内业数据处理） 基线精密解算与分析 结果分析 技术总结 成果验收
网平差 质量评估 技术总结 成果验收

6 第二节、GPS测量的技术设计 GPS测量的技术设计是进行GPS定位的最基本性工作，它是依据国家有关规范(规程)及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的网形、精度及基准等的具体设计。

7 第二节、GPS测量的技术设计 1、 GPS测量的技术设计的依据 GPS网技术设计的文要依据是: 1)GPS测量规范(规程) 2)测量任务书。

8 第二节、GPS测量的技术设计 1、 GPS测量的技术设计的依据（规范） 1) GPS测量规范(规程)
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》，以下简称《规程》； 3、2001年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统(GPS)测量规范》，以下简称《规范》； 4．各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的其它GPS测量规程或细则。

9 第二节、GPS测量的技术设计 1、 GPS测量的技术设计的依据（规范） 1) GPS测量规范(规程)

10 第二节、GPS测量的技术设计 2、 GPS测量的技术设计的依据 测量任务（合同）书
测量任务书或测量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。这种技术文件是指令性的，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。 在GPS方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、密度和经济指标，再结合规范(规程)规定并现场踏勘具体测定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时段长短等布网观测方案。

11 第二节、GPS测量的技术设计 3、GPS网的精度、密度设计 1）GPS测量精度标准与分级
①对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的作用。用于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（范）》C级、D级、E级或二、三、四等和一、二级。

12 第二节、GPS测量的技术设计 1、GPS测量精度分级（1） 级别 主要用途 固定误差a(mm) 比例误差b(ppm·D)
AA 全球性的地球动力学研究、地壳形变 ≤ ≤0.01 测量和精密定轨 A 区域性的地球动力学研究和地壳形变 ≤ ≤0.1 测量 B 局部形变监测和精密工程测量 ≤ ≤1 C 大、中城市及工程测量基本控制网 ≤ ≤5 D、E 中小城市测图、物探、建筑施工等 ≤ ≤10-20 控制测量

13 第二节、GPS测量的技术设计 1、GPS精度分级（2）
等级 平均距离（km） a(mm) b(ppm•D) 最弱边相对中误差 二 ≤ ≤ /12万 三 ≤ ≤ /8万 四 ≤ ≤ /4.5万 一级 ≤ ≤ /2万 二级 < ≤ ≤ /1万 式中：σ—GPS基线向量的弦长中误差(mm)，亦即等效距离误差； a—GPS接收机标称精度中的固定误差(mm)； b—GPS接收机标称精度中的比例误差系数(ppm)； d—GPS网中相邻点间的距离(km)。

14 第二节、GPS测量的技术设计 ②各等级GPS相邻点间弦长精度用下式表示 σ＝√a2十(bd)2 ③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，可以分级布设，也可以越级布设，或布设同级全面网。

15 第二节、GPS测量的技术设计 2、GPS的密度标准
各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。对于国家特级(A级)基准点及大陆地球动力学研究监测所布设的GPS点，主要用于提供国家级基准、精密定轨、星历计划及高精度形变信息，所以布设时平均距离可达数百公里，而一般城市和工程测量布设点的密度主要满足测图加密和工程测量的需要，平均边长往往在几公里以内。因此，现行《规范对GPS网中两相邻点间距离视其需要作出了下表规定。现行《规程》对各等级GPS网相邻点的平均距离也在下表作了规定。

16 GPS网的等级（续） 美国联邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，其要求固定误差≤3mm，比例误差≤0.01ppm，此等级的网一般为全球性的坐标框架和地球动力学测量。

17 2、GPS的密度标准 GPS网中相邻点间距离 (单位：km) AA A B C D E 第二节、GPS测量的技术设计
相邻点最小距离 相邻点最大距离 相邻点平均距离

18 第二节、GPS测量的技术设计 3、GPS网的基准设计
GPS测量获得的是GPS基线向量，它属于WGS一84坐标系的三维坐标差，而实际我们需要的是国家坐标系成地方独立坐标系的坐标。所以在GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。我们将这项工作称之为GPS网的基准设计。 GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。方位基准一般以给定的起算方位角值确定，尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定，也可由两个以上的起算点间的距离确定，同时也可由GPS基线向量的距离确定。GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的基准问题。

19 第二节、GPS测量的技术设计 3、GPS网的基准设计 在基准设计时，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。在选择联测点时既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受旧资料精度较低的影响，因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联侧2~3个点。 (2)为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。 (3)GPS网经平差计算后，可以得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高，为求得GPS点的正常高，可据具体情况联测高程点，联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。具体联测宜采用不低于四等水准或与其精度相等的方法进行。GPS点高程在经过精度分析后可供测图或其它方面使用。 (4)新建GPS网的坐标系应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般还应该了解以下参数： ①所采用的参考椭球；②坐标系的中央子午线经度；⑧纵横坐标加常数；④坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；⑤起算点的坐标值。

20 第二节、GPS测量的技术设计 4、GPS网的构成的的几个基本概念及网的特征条件 1） GPS网的构成的几个基本概念
①观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，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：由独立观测所获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-l。 ⑦非独立基线：除独立基线外的其它基线叫非独立基线，总基线数与独立 基线数之差即为非独立基线数。

21 第二节、GPS测量的技术设计 4、GPS网的构成的的几个基本概念及网的特征条件 ２）GPS网特征条件的计算 C＝n·m／N
总基线数：J总＝C·N(N—1)／ 　 必要基线数：J必＝n—l 　 独立基线数：J独＝C·(N—1) 　 多余基线数：J多＝C·(N—1)-(n—1) 　 依据以上公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。

22 第二节、GPS测量的技术设计 5．GPS网同步图形构成 对于由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
J＝N·(N—1)／2 其中仅有N-l条独立GPS基线向量，其余均为非独立基线向量。书上图8.1给出了当接收机数N=2~5时所构成的同步图形。 对应于下图的独立GPS 边可以有不同的选择， 当同步观测的GPS接收机数N≥ 3时，同步闭合环的最少个数应为 T=J-(N-1)=(N-1)(N-2)/2 接收机数N与GPS边数J和同步闭合环数T（最少个数）的对应关系如下表所示。

23 N与J、T关系表 N 2 3 4 5 6 J 1 3 6 10 15 T 0 1 3 6 10 第二节、GPS测量的技术设计
理论上，同步闭合环中各GPS边的坐标差之和（即闭合差）应为0，但由于有时各台GPS接收机并不是严格同步，同步闭合环的闭合差并不等于0，有的GPS规范规定了同步闭合差的限差，对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求，但由于某种原因，同步不是很好的，应适当放宽此项限差。 值得注意的是，当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现接受的信号受到干扰而产生的某些粗差。

24 第二节、GPS测量的技术设计 5．GPS网同步图形构成（续） N台接收机同步观测所构成的同步图形

25 第二节、GPS测量的技术设计 6、GPS独立边的不同选择 N= N= N=4 N=5

26 6、GPS独立边的不同选择（续） 第二节、GPS测量的技术设计
为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立边构成一定的几何图形。这种几何图形，可以是由数条GPS独立边构成的非同步多边形(亦称非同步闭合环)，如三边形、四边形、五边形……。当GPS网中有若干个起算点时，也可以是由若个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。GPS网的图形设计，也就是根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出独立GPS边构成的多边形网(或称为环形网)。 　对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定、必要时在经技术负责人审定后，也可根据具体情况适当调整。当接收机多于3台时，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。

27 第二节、GPS测量的技术设计 ７．GPS网的图形设计
常规测量中对网的图形设计是一项非常重要的工作。而在GPS图形设计时，因GPS同步观测不要求通视，所以其图形设计具有较大的灵活性。GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。 　根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连接四种基本方式。也有布设成星形连接、附合导线连接、三角锁形连接等。选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。

28 网的布网形式 跟踪站式 会战式： 多基准站式（枢纽点式） 同步图形扩展式 单基准站式

29 第二节、GPS测量的技术设计 ７．同步图形拓展式（续1） (1)点连式
点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。 (2).边连式 边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案。网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。

30 第二节、GPS测量的技术设计 ７．GPS网的图形设计（续2） (3)．网连式
网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。显然，这种密集的布图方法，它的几何强度和可靠件指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。 (4)．边点混合连接式 边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网、既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。

31 第二节、GPS测量的技术设计 ７．GPS网的图形设计（续3） 在实际布网设计时还要注意以下几个原则：
　除上述布网的基本形式外，还有三角锁连接、导线网形连接和星形连接等布网方法。 　在实际布网设计时还要注意以下几个原则： 　①GPS网的点与点问尽资不要求通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个以上通视方向。 　②为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。 　③GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附合路线。 　　 各级GPS网中每个闭合环或附合路线中的边数应符合下表的规定。

32 ７．GPS网的图形设计 第二节、GPS测量的技术设计 等级 二 三 四 一级 二级 闭合或附 ≤ ６ ≤ ８ ≤ １０ ≤ １０ ≤ １０
等级　　　　二　　　三　　　四　　一级　　　二级 闭合或附　　　≤ ６　　　　≤ ８　　≤ １０　　≤ １０　　　≤ １０ 和路线边数

33 GPS网工作量的计算方法 网工作量的计算 ：最少观测期数 ：重复设站次数 ：点数 ：同步观测的接收机数

34 第二节 GPS测量外业准备及技术设计编写 目的意义： 指导、规范GPS测量的工作

35 内容 精度分级 网的设计要求 测区踏勘 资料收集 选点与埋石的要求 仪器设备 人员组织 拟定外业观测计划及记录要求
类型要求 检定内容 人员组织 拟定外业观测计划及记录要求 设计GPS网与地面网的连测方案 数据处理要求 GPS设计书的编写 成果验收与上交资料

36 第三节 GPS测量的外业实施 １．选点 由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以 选点工作比常规控制测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行 和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区 的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，选点工作还遵守以下原则： 1．点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上。 2．点位目标要显著，视场周围15以上不应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或障碍物吸收。 点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)其距离不小于200m；远离高 压输电线，其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰。 4．点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径 效应的影响。 点位应选在交通方便，有利于其它观测手段扩展与联测的地方。 为了便于用导线进行加密和控制点的使用，在一个控制点上要尽量保证与周围至少一个控制点通视。 ．地面基础稳定，易于点的保存。 　 7．选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。 8．网形应有利于同步观测边、点联结。 9．当所选点位需要进行水准联测时。选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。 ．当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及觇标是否安全可用性作一检查，符合要求方可利用。

37 第三节 GPS测量的外业实施 2．标志埋设 GPS网络一般应埋设具有标志的标石，以精确标志点位，点的标志与标石必须稳定、坚固以利长久保存和利用，在基岩露头地区，也可直接在基岩上嵌入金属标志，这些规范上都有详细的规定，必须严格按照规范的规定执行。

38 第三节 GPS测量的外业实施 3、观测工作 1）观测工作主要依据的技术指标 2）天线安置 3）开机观测 4）观测记录

39 第四节、GPS测量的作业模式 静态 快速静态 准动态 后处理动态 实时动态

40 实时动态测量的作业模式与应用 1、技术简介 实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，推所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。 这样，通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定结算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间。实时动态定位的形式有两种，即： RTK RTD

41 实时动态测量的作业模式与应用 2、实时动态测量作业模式与应用 1) 快速静态测量 2）准动态测量 3) 动态测量

42 第五节、 数据预处理及观测成果的质量检核 1、数据预处理 1）数据处理软件选择 2）基线解算
预处理的主要目的是对原始数据进行编辑、加工整理、分流并产生各种专用信息文件，为进一步的平差计算作准备。他的主要内容有：

43 第五节、 数据预处理及观测成果的质量检核 2、观测成果的外业检核 对外业观测数据首先要进行复查，内容包括：成果是否符合调度命令和规范要求；进行的观测数据质量分析是否符合实际，然后进行下列项目的检核： 1）每个时段同步观测数据的检核 2）重复观测边的检核 3)同步观测环的检核 4）异步观测环的检核

44 第五节、 数据预处理及观测成果的质量检核 3、野外返工 4、平差处理

45 一、 技术总结与上交资料 1、技术总结 2、上交资料

46

47 一、概述 定义 观测值 待定参数 结果 GPS观测值（载波、伪距等） 基线向量/点位坐标 - (X, Y, Z)/(X, Y, Z)
基线向量（点位坐标）、单位权方差、协因数阵

48 一、概述（续） 基线解算的类型 单基线解 定义：当有N台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有J条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的N-1条同步观测基线，至于这条独立基线如何选取，只要保证所选的N-1条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。

49

50 本章习题 ［1］名词解释：同步环；异步环；重复基线；同步图形闭合差；异步图形闭合差；重复基线坐标闭合差。
［2］GPS测量分哪些等级？各级精度怎样衡量？ ［3］简述 GPS 网的点连式、边连式和网连式设计？ ［4］简述GPS网设计的一般原则？ ［5］简述GPS网选点的一般原则？ ［6］GPS测量技术总结报告的内容及提交的成果资料有哪些？

51 第五节、 数据预处理及观测成果的质量检核 定义 基线解的类型 基线解算的步骤 基线解算结果质量的评估 影响基线解算结果质量的因素
基线的精化处理

52 第五节、 数据预处理及观测成果的质量检核 定义 基线解的类型 基线解算的步骤 基线解算结果质量的评估 影响基线解算结果质量的因素
基线的精化处理

53 一、概述 定义 观测值 待定参数 结果 GPS观测值（载波、伪距等） 基线向量/点位坐标 - (X, Y, Z)/(X, Y, Z)
基线向量（点位坐标）、单位权方差、协因数阵

54 一、概述（续） 基线解算的类型 单基线解 定义：当有N台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有J条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的N-1条同步观测基线，至于这条独立基线如何选取，只要保证所选的N-1条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。