ch8GPS测量的设计与实施.ppt

GPS卫星定位测量的设计与实施 第六章 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习目标 1.了解最佳GPS接收机应具备的条件，GPS接 收机类型的选择：单频、双频。了解美国天 宝导航公司、美国阿士泰克公司、瑞士徕卡 等公司生产的GPS接收机。 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 2.理解GPS网的联测设计中应注意的问题， 野外选点埋石的选择与外业成果的记录 ，野外数据的检核、技术总结与上交资 料。 学习目标 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 3.掌握建立GPS网的技术依据和规范要 求，GPS测量的精度分级，作业基本 技术规定，GPS网的布网原则，卫星 空间分布的几何图形强度设计。掌握 GPS定位网的测设方案，最佳观测时 段的选择及数据处理。 学习目标 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习内容 第一节 建立GPS控制网的技术依据 第二节 GPS定位网的布设 第三节 GPS接收机的选择 第四节 GPS定位网的测设方案 第五节 外业观测 第六节 观测成果的外业检核及处理 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网点 的分布有着不同的要求。一般工程测量所需要的 网点则应满足测图加密和工程测量的需用，平均 边长需要缩短到几公里以内。考虑到这些情况， 规范对GPS网中两相临点间距离视其需要作出 了的规定。特殊情况下，个别点的间距还允许超 出表中规定。 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 在地球上的任何地点和时间，用一台GPS信号接 收机，均能够以120m左右的精度测定它的所在位 置。但是如果用基线两端的两台接收机同时观测4颗 以上的共视卫星，两者所采集的GPS定位数据又经过 求差处理，此时相对定位精度可以达到毫米量级。 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 试验表明，在静态相对定位环境下进行载波相位测 量，对于3000km以内的站间距离D，可以达到（5mm+10-8D ）的精度，三维位置精度能够达到 3cm 。因此，以载 波相位观测量为根据的静态相对定位，是建立GPS控制网 的基本方式。规范中的各项规定，就是针对这一基 本方式做出的。 第一节 建立GPS控制网的技术依据 GPS测量的仪器和方法与常规测量的 仪器和方法显著不同，所以反映其技术 规格的主要指标亦不相同。为此先介绍 一下有关技术指标的概念。 二、测量作业基本技术规定 第一节 建立GPS控制网的技术依据 各级GPS测量作业的基本技术规定列于表63。 级别 项目 ABCDE 卫星高度角（ ） 1015151515 有效观测卫星总 数 129643 时段中任一卫星 有效观测时间（ min） 3030201515 观测时段数（个 ） 86222 时段长度（min） 180120906060 数据采样间隔（S ） 15601560156015601560 卫星观测值象限 分布 （255） % （2510 ）% （25 20)% （2520 ）%25） % （2520 ）%25） % 第一节 建立GPS控制网的技术依据 GPS 控制网的布设，包括技术设计、踏勘 选点、埋设标石三个工作环节。其中技术设计 是GPS测量中外业准备阶段的重要内容，它是 优质低耗完成GPS作业的依据和条件。 二、测量作业基本技术规定 第二节 GPS定位网的布设 1测站因素； 2卫星因素； 3仪器因素 4后勤因素。 一、技术设计中应考虑的因素 第二节 GPS定位网的布设 （1）GPS网的布设应视其目的，作业时卫星状况， 预期达到的精度， GPS网成果的可靠性以及工作效率， 按照优化设计原则进行。 （2）一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如 一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加 检核条件，提高网的可靠性。 二、GPS网的布网原则 第二节 GPS定位网的布设 （3）GPS网内点与点之间虽不要求通视，但应有利于按常 规测量方法进行加密控制时应用。 （4）可能条件下，新布设的GPS网应与附近已有的GPS点 进行联测；新布设的GPS网点应尽量与地面原有控制网点相 联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便 可靠地确定GPS网与原有网之间的转换参数。 二、GPS网的布网原则 第二节 GPS定位网的布设 （5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。C级网 每隔36点联测一个高程点，D和E级网视具体情况确定联 测点数。A和B级网的高程联测分别采用三、四等水准测量 的方法；C至E级网可采用等外水准或与其精度相当的方法 进行。 二、GPS网的布网原则 第二节 GPS定位网的布设 GPS卫星定位所测得的点位坐标，属于WGS84 世界大地测量坐标系。为了将它们转换成国家或地 方坐标系，在设计GPS定位网时，一定要考虑联测 一定数量的常规控制点和基准点。 三、GPS网的联测设计 第二节 GPS定位网的布设 1联测点（公共点）的精度要求 联测点作为GPS成果转化到常规地面坐标系的基准点，在 GPS测量数据处理中具有重要的意义。联测点的地面实用坐标 是将GPS定位结果的WGS84坐标系转换至地面坐标系时的起 算数据，所以要求联测点的地面坐标具有较高的精度。 三、GPS网的联测设计 第二节 GPS定位网的布设 为此，联测点应是下列几种点之一： （1）测区内现有的最高等级的常规地面控制点； （2）地方坐标系中控制网定位、定向的起算点； （3）联接国家坐标系和地方坐标系的联接点； （4）水准点。 三、GPS网的联测设计 第二节 GPS定位网的布设 2联测点的密度和分布 GPS网与地面网的联测点最少应有两个。其中一个作为 GPS在地面网坐标系内的定位起算点，两个点间的方位和距 离作为GPS网在地面坐标系内定向、长度的起算数据。 三、GPS网的联测设计 第二节 GPS定位网的布设 显然，为了更好地解决GPS网与地面网两者成果的 转换问题，应有更多一些联测点。分析研究和作业实 践表明，一个GPS网应联测35个精度较高、分布合理 的地面点作为GPS网的一部分。当测区较大时，还应适 当增加联测点。 三、GPS网的联测设计 第二节 GPS定位网的布设 GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为大 地高，而实际应用的高程系统为正常高系统。为此，通常 是在GPS网中施测或重合少量的几何水准点，用数值拟合 法（多项式曲面、拟合或多面函数拟合）拟合出测区的似 大地水准面，继而内插出其它GPS点的高程异常，再求出 其正常高。 3GPS网中水准点的选择和分布 第二节 GPS定位网的布设 根据研究，在平原地区布测的GPS网中，只要用三 等实测或重合全网五分之一GPS点的几何水准，用数值 拟合法求定GPS点的正常高，即可代替四等水准测量。 所实测的水准点，大部分应布设在网的周围点上，少量 放在网的中间，以求获得最佳效果。 3GPS网中水准点的选择和分布 第二节 GPS定位网的布设 GPS定位精度同卫星与测站构成的图形强度有关 ，与能同步跟踪的卫星数和接收机使用的通道数有关 。若接收机有观测到5颗卫星以上的能力，就应该把 所有可能观测到的卫星都进行跟踪观测，若只有观测 到4颗卫星的能力，应在所有可见星中选取PDOP值最 小的那一组卫星进行观测，这是根据伪距定位时求解 公式推算出的选星原则。 四、卫星空间分布的几何图形强度设计 第二节 GPS定位网的布设 表64 图形强度因子（PDOP）规定值 规范规定，点的空间位置图形强度因子PDOP不应超 过表64所列值。 级 别ABCDE PDOP4681010 四、卫星空间分布的几何图形强度设计 第二节 GPS定位网的布设 1对点位的基本要求 （1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地 方，且视野开阔。视场内障碍物的高度角一般应大于10 15，以减弱对流层折射的影响。 （2）点位应远离大功率无线电发射源，以避免周围磁 场对GPS卫星信号的干扰。 五、野外选点 第二节 GPS定位网的布设 （3）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物 体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影 响。 （4）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他 测量手段联测或扩展。 （5）地面基础稳定，利于点位保存。 五、野外选点 第二节 GPS定位网的布设 中心标石是地面GPS点的永久性标志，为了长期使 用GPS测量成果，点的标石必须稳定、坚固以利长期保 存和利用。目前，GPS点的标石类型及其适用范围如课 本表67所列。其中普通标石的规格，如图62所示。 六、标石埋设 图6-2 第二节 GPS定位网的布设 各级GPS点的标石用混凝土灌制。一般普通标石分上标石 和下标石两层，其上均设有金属的中心标志。 埋设标石时，须使各层标志中心在同一铅垂线上， 其偏差不得大于2mm。 新埋标石时，应依法办理征地手续和测量标志委托保管 手续。 六、标石埋设 第三节 GPS接收机的选择 1.单频接收机 Trimble 4600ASHTECH-Locus 一、接收机的类型选择 第三节 GPS接收机的选择 1.单频接收机 v只能接收经调制的L1信号 v主要用于基线较短（例如10km ）的定位工作 v优点：价格便宜 一、接收机的类型选择 第三节 GPS接收机的选择 2. 双频接收机 ASHTECH Z-X Trimble 5700 一、接收机的类型选择 第三节 GPS接收机的选择 2. 双频接收机 v 双频接收机可以同时接收L1和 L2信号 v 利用双频技术可以消除或减弱电离层折射 对观测量的影响 v 定位精度较高，基线长度不受限制 v 作业效率较高 一、接收机的类型选择 第三节 GPS接收机的选择 （1）可靠性高，接收机本身产生的周跳、半周跳 和1/4周跳极少； （2）耐用性强，平均无故障工作时间5000h； （3）精度高、单频机达到1cm+210-6D，双频机 达到5mm+110-6D； （4）卫星跟踪性能良好不易失真； （5）多功能，既能用于静态、快速静态和动态测 量，又能担任DGPS和GIS任务； （6）具有12通道，在海、陆、空应用时，都能跟 踪全部可见卫星； 二、最佳GPS接收机具备的条件 第三节 GPS接收机的选择 （7）较低的C/A码测距噪声(10cm)和载波相位噪声( 1mm)； （8）具有削弱多路径误差的功能； （9）较高的原始数据率（最好是20次/s），以便在高动 态条件下应用； （10）较大的存储器（10Mb），以便用于动态测量； （11）体积小(2000cm 3)，重量轻(2kg)，攻耗低( 10W )； （12）工作温度在3070C之间，以便在炎热和 酷寒地区均能 二、最佳GPS接收机具备的条件 第三节 GPS接收机的选择 （一）Trimble 4800 型GPS全站仪 1.概况 2.硬件部分 3.使用 三、GPS接收机简介 第三节 GPS接收机的选择 （二）苏州一光SGS220型双频GPS接收机 作为GPS全站仪的移动站，4800可安装在特制的 1.概况 2.产品概述: 3.技术特征: 三、GPS接收机简介 (a) 基准站 (b) 流动站 第四节 GPS定位网测设方案 应用GPS定位技术建立测量控制网，几乎毫 无例外地均采用相对定位方法。相对定位的两点 间构成独立观测边，也称基线。显然，独立观测 边配置和布设的结果就形成了GPS网的几何图形 ，它是由投入作业的接收机台数、观测路线和基 线连接形式所决定的，我们将它们称为GPS测量 控制网的测设方案。 第四节 GPS定位网测设方案 1.静态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项 一、两台接收机相对定位的测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 2.快速静态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项 一、两台接收机相对定位的测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 3.准动态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项 一、两台接收机相对定位的测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 4.往返式重复设站 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项 一、两台接收机相对定位的测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 5.动态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项 一、两台接收机相对定位的测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 当投入作业的接收机数目多于二台时，就可以 在同一时段内，几个测站上的接收机同步观测共视 卫星。此时，由同步观测边所构成的几何图形，称 为同步网，或称作同步环路。 二、多台接收机的同步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 不过在S条基线中，只有m1条独立基线，其余基 线均可由独立多台接收机的同步网测设方线推算而得 ，属于非独立基线。同一条基线，其直接解算结果与 独立基线推算所得结果之差，就产生了所谓坐标闭合 差条件，用它可评判同步网的观测质量。 二、多台接收机的同步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 5台 m同步网的点数 s 网中同步基线总数 独立基线数：m-1 3台 4台 二、多台接收机的同步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 由多个同步网相互连接的GPS网，称作异步网。 同步网之间的连接方式有以下三种。 1点连式；2边连式；3混连式。 在上述三种连接方案中： 第1种工作量最小，但无重复基线检核； 第2种工作量最大，检核条件亦最多； 第3种比较灵活，工作量与检核条件比较适中。 三、多台接收机的异步网测设方案 12 3 4 5 6 7 8 9 10 第四节 GPS定位网测设方案 点连式异步网: 同步网之间仅有一点相连接的异步 网称为点连式异步网。 三、多台接收机的异步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 边连式异步网: 同步网之间由一条基线边相连接的 异步网称为边连式异步网。 三、多台接收机的异步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 混连式异步网: 点连式与边连式的一种混合连 接方式。 三、多台接收机的异步网测设方案 第四节 GPS定位网测设方案 在选择测设方案时，应从所具备的 v接收机数量和精度 v工作量大小 v卫星运行状态 v测区条件 等方面进行权衡。 外业阶段的工作 v 接收机的选用及检验 v 制定实施方案 v 选择最佳观测时段 v 编排作业调度表 v 天线安置 v 观测记簿 第五节 外业观测 第五节 外业观测 1. 接收设备的选择 第五节 外业观测 2. 接收设备的检验 新购置的GPS接收机或经过维修后的接收 机应按规定进行全面检验，合格后方能参加作 业。检验项目包括： 一般检视 通电检验 实测检验 第五节 外业观测 3.制定实测方案 接收机的台数和点位的分布特点 充分考虑到测区交通和地理环境 设计GPS控制网 安排同步观测计划 第五节 外业观测 某测区GPS实测方案 3.制定实测方案 4.选择最佳观测时段 观测前的准备工作： 首先进行星历预报， 星历预报在数据处理软件中进行，由于不同时间 ，测区上空的卫星个数、分布和PDOP值是变化的，为 了保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。通 过星历预报我们可以确定最佳观测时段，指导GPS野 外作业。 第五节 外业观测 第五节 外业观测 5.编排作业调度表 作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、 控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网的设 计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业 调度表，以提高工作效益。 第五节 外业观测 3 1 2 4 5 6 第五节 外业观测 6. 观测作业 观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信 号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获 得所需要的定位信息和观测数据。 表3 GPS外业观测手簿 第五节 外业观测 第六节 观测成果的外业检核及处理 观测成果的外业检核是外业工作的最后 一个环节。每当观测任务结束，必须对观测 数据的质量进行分析并作出评价，以确保观 测成果和定位结果的预期精度。 第六节 观测成果的外业检核及处理 1每个时段同步边观测数据的检核 1）数据剔除率；2）平差值中的误差。 2重复观测边的检核 3环闭合差的检核 4同步观测环检核 一、野外数据检核 第六节 观测成果的外业检核及处理 1观测数据的预处理 1）数据传输； 2）数据分流； 3）统一数据文件格式； 4）卫星轨道的标准化； 5）探测周跳、修复载波相位观测值； 6）对观测值进行必要改正。 二、数据后处理 第六节 观测成果的外业检核及处理 2平差计算 1）基线向量或多站网平差计算 2）GPS网平差计算 3）坐标系统的转换或与地面网的联合平差 二、数据后处理 第六节 观测成果的外业检核及处理 1技术总结 GPS测量工作结束后，需按要求编写技术总结报告，其 内容包括： （1）测区范围与位置，自然地理条件，气候特点，交通 及电讯、电源等情况； （2）任务来源，测区已有测量情况