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GPS测量与数据处理 武汉大学测绘学院卫星应用研究所朱智勤 目录 前言第一章GPS定位原理概要第二章坐标系 基准和参考框架第三章GPS静态定位在测量中的应用第四章技术设计第五章布网和作业方法第六章GPS测量常用数据格式第七章GPS基线解算第八章GPS基线向量网平差第九章GPS高程测量第十章技术总结 前言 GPS应用概述课程目的教学内容教学要求及学习方法 GPS测量数据处理 什么是GPS GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem 简称GPS 有时也被称作NAVSTARGPS 其意为 导航星测时与测距全球定位系统 或简称全球定位系统 全球定位系统 GPS 是以卫星为基础的无线电导航定位系统 具有全能性 陆地 海洋 航空和航天 全球性 全天候 连续性和实时性的导航 定位和定时的功能 能为各类用户提供精密的三维坐标 速度和时间 GPS测量数据处理 前言 课程目的 了解和掌握利用GPS定位技术建立控制网的基本原理和方法了解和掌握GPS数据处理的基本原理和过程了解商用数据处理软件及其使用如 TGO软件 TrimbleGeomaticsOffice GPS测量数据处理 前言 课程目的 教学内容 教学内容GPS定位原理概述坐标系 基准和坐标系统GPS静态定位在测量中的应用GPS网的技术设计及布网方法GPS测量数据处理基线解算GPS高程GPS基线向量网平差 GPS测量数据处理 前言 教学内容 要求掌握基本概念 基本理论了解软件的操作使用方法学习方法注意理论与实践相结合 GPS测量数据处理 前言 教学要求及学习方法 教学要求及学习方法 第一章GPS定位原理概述 第一节GPS系统的组成第二节GPS信号第三节SPS和PPS第四节GPS定位的常用观测值第五节GPS定位的误差源第六节GPS定位方法 GPS测量数据处理 第一节GPS的系统组成 GPS系统由三部分组成空间部分 SpaceSegment 地面部分 GroundSegment 用户部分 UserSegment GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 GPS的系统组成 空间部分 GPS卫星星座设计星座 21 321颗正式的工作卫星 3颗活动的备用卫星6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h58min 顾及地球自转 地球 卫星的几何关系每天提前4min重复一次 保证在每天24小时的任何时刻 在高度角15 以上 能够同时观测到4颗以上卫星当前星座 28颗 GPS测量数据处理 第一章 第一节GPS的系统组成 GPS的系统组成 地面控制部分 GPS的地面控制部分组成 主控站 1个 监测站 5个 注入站 3个 作用 监测和控制卫星运行编算卫星星历 导航电文 保持系统时间 GPS测量数据处理 第一章 第一节GPS的系统组成 GPS系统的用户设备部分 组成GPS信号接收机及辅助设备作用跟踪 捕获卫星信号进行信号处理测定位置 速度和时间GPS信号接收机的构成天线单元接收单元 GPS信号接收机 天线单元 接收单元 GPS测量数据处理 第一章 第一节GPS的系统组成 GPS信号的基本组成部分 信号分量 载波 CarrierPhase 测距码 RangingCode 导航电文 NavigationMessage DataMessage 第二节GPS信号 GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 GPS信号的生成 基准频率 卫星电文 卫星电文 GPS测量数据处理 第一章 第二节GPS信号 载波作用 搭载其它信号 也可用于测量 测距 类型目前L1 频率 1575 43MHz 波长 19cmL2 频率 1227 60MHz 波长 24cm现代化后增加L5 频率 1176 45MHz 波长 26cm GPS卫星信号结构 载波 GPS测量数据处理 第一章 第二节GPS信号 GPS卫星信号结构 测距码 测距码属于伪随机噪声码 PRN码 PseudoRandomNoise 类型 目前 C A C1 码速 1 023MHz码元长度 293mP Y 1 P Y 2码速 10 23MHz码元长度 29 3m现代化后增加C2M1 M2 军用码 GPS测量数据处理 第一章 第二节GPS信号 GPS卫星信号结构 导航电文 导航电文码速 50bps内容 广播星历 导航信息 卫星钟改正历书 概略星历 电离层信息卫星健康状况 GPS测量数据处理 第一章 第二节GPS信号 第三节SPS和PPS SPS与PPSSPS 标准定位服务使用C A码 民用2DRMS水平 100m2DRMS垂直 150 170m2DRMS时间 340nsPPS 精密定位服务可使用P码 军用2DRMS水平 22m2DRMS垂直 27 7m2DRMS时间 100ns GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 第四节GPS定位的常用观测值 伪距调制在L1载波上的C A码伪距调制在L1 L2载波上的P码伪距载波L1载波相位观测值L2载波相位观测值 半波或全波 多普勒L1 L2载波上的多普勒频移 GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 第五节GPS定位的误差源 与GPS卫星有关的因素与传播途径有关的因素与接收机有关的因素其它因素 GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 误差的分类 按误差来源 与卫星有关的误差卫星星历 轨道 误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟误差对流层延迟误差多路径效应与接收设备有关的误差接收机钟差接收机天线相位中心偏差其它因素 GPS测量数据处理 第一章 第五节GPS定位的误差源 第六节GPS定位方法 GPS测量定位的分类依定位时待定物体的运动状态动态定位静态定位依定位模式绝对定位 单点定位 相对定位差分定位 依定位采用的观测值伪距测量 伪距法定位 载波相位测量依时效实时定位事后定位 GPS测量数据处理 第一章GPS定位原理概述 第二章坐标系 基准和参考框架 第一节坐标系第二节基准和参考框架第三节坐标系变换与基准变换第四节GPS测量中常用的坐标系统 GPS测量与数据处理 第一节坐标系 一 概述二 参考系三 基本测量坐标系 GPS测量数据处理 第二章坐标系 基准和参考框架 一 概述 测量工作的基本任务是确定物体 某一个点 的空间位置 而对位置的描述是建立在某一个特定的空间框架之上的 所谓的空间框架就是通常所说的坐标系统 一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 坐标系指的是描述空间位置的表达形式 即采用什么方法来表示空间位置 基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点 线 面 在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置 而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数 及其在空间的定位 定向方式 以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 二 参考系 点的位置是由以相对于一个预先定义的数学表面的坐标值所确定的 在大地测量中 该数学表面被称为基准 而相对于该基准的点位置由其坐标来确定 所以基准就是用作确定点位置的参考的坐标面 这样的参考系可以建立在大地水准面 参考椭球面或一个平面上 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 地球的自然表面 地球的自然表面 地球的自然表面高低起伏 其形状十分复杂 如珠穆朗玛峰高达8848 13m 马里亚纳海沟深达11022m 海洋的面积占71 陆地的面积占29 可以用静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的曲面 得到包围地球的形体来代表地球的形体 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 水准面 水准面 任何静止的液体表面称为水准面 是一个处处与重力方向垂直的连续曲面 铅垂线和水准面是测量工作所依据的线和面 随着高度的不同 水准面有无数个 平均海水面是其中的一个 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 大地水准面 大地水准面 平均海水面向陆地 岛屿延伸而形成的封闭曲面 它所包围的形体叫大地体 由于地球内部质量分布不均匀 使得地面上各点的铅垂线方向产生不规则的变化 因而大地水准面实际上是一个连续的封闭的但有微小起伏的不规则曲面 无法用数学模型来表示 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 地球形状的认识 公元前6世纪毕达哥拉斯提出地圆说 公元前4世纪亚里士多德用物理方法验证了地圆说18世纪证实的扁球说 长半轴a 6378140米短半轴b 6356755米a b 21385米扁度 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 参考椭球面 参考椭球面 一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球体的表面 椭球体的大小和大地体十分接近 参考椭球面可用数学模型表示 1 代表地球的数学表面 2 大地测量计算的基准面 3 研究大地水准面的参考面 4 地图投影的参考面 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 参考椭球面 参考椭球的定位 为了将以大地水准面为基准的野外观测结果化算到这个表面上 必须将参考椭球面与大地水准面在位置上的关系确定下来 这个工作叫椭球定位 世界各国都根据本国的地面测量成果选择一种适合本国要求的参考椭球 与各国领域内的局部大地水准面最为接近 定大地原点 定向 短轴平行于地轴定位 大地体与椭球体相切定大小 椭球的基本元素一定 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 为了准确描述地球椭球的形状 国际上综合了天文 大地 重力 人卫等资料 给出了不同的参考椭球参数 以适应于各个国家的测量需求 地球参考椭球 克拉索夫斯基椭球 1954年坐标系 1980年坐标系 GPS坐标系 IAG 75椭球 WGS84椭球 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 地球自然表面 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 三 基本测量坐标系 1 概要2 大地坐标系3 空间直角坐标系4 平面直角坐标系 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 1 概要 坐标系指的是描述空间位置的表达形式 即采用什么方法来表示空间位置 人们为了描述空间位置 采用了多种方法 从而也产生了不同的坐标系 如直角坐标系 极坐标系等 一个坐标系是由原点位置 轴的指向和定义在坐标系下点位的参数 坐标分量 所确定的 地面坐标系的指向可以用它们的极 平面和轴来描述 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 2 大地坐标系 大地坐标系是以参考椭球面为基准面以起始子午面和赤道面为参考面 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 O P L B N S HP 赤道面 起始子午面 大地经度L大地纬度B大地高H 例 武汉某点的位置是东经114 北纬30 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 3 空间直角坐标系 Z 空间直角坐标系的建立 起始子午面 北极 赤道面 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 空间直角坐标系与大地坐标系的关系 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 4 平面直角坐标系 当测区范围较小时 小于100km2 常把球面看作平面 这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标系来确定 正规的平面直角坐标系是利用投影变换 将空间坐标 空间直角坐标或大地坐标 通过某种数学变换投影到平面上 这种变换又称为投影变换 常见的投影变换高斯 克吕格投影 也称高斯投影 UTM投影Lambuda投影 GPS测量数据处理 第二章 第一节坐标系 第二节基准和参考框架 一 基准二 参考框架 GPS测量数据处理 第二章坐标系 基准和参考框架 一 基准 基准是指为描述空间位置而定义的点 线 面 在大地测量中 基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数 如参考椭球的长短半轴 以及参考椭球在空间中的定位及定向 还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义 平面和垂直基准都广泛应用于测量中 GPS测量数据处理 第二章 第二节基准和参考框架 水平基准大地基准定义一个基于椭球的基准需要5个元素 项目基准常见于工程项目 即独立坐标系 垂直基准是一个用于确定高程的参考系 GPS测量数据处理 第二章 第二节基准和参考框架 二 参考框架 虽然坐标系的定义非常明确 但在实践中却无法直接使用定义坐标系 或基准 的要素 如原点 坐标轴指向 参考面等 而是通过一些高等级的控制点来与相应坐标系产生联系的 也就是说这些控制点实际上是其对应的坐标系 或基准 的外在表现 它们实际上就是一种朴实的坐标参考框架 GPS测量数据处理 第二章 第二节基准和参考框架 第三节坐标转换基准变换 坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换 基准变换是指在不同的参考基准间进行变换 一 坐标系的变换方法二 基准转换方法 GPS测量数据处理 第二章坐标系 基准和参考框架 一 坐标系的变换方法 相同基准下的坐标转换是指在不同坐标形式间进行变换 1 空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换2 空间直角坐标系与站心地平坐标系间的转换3 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 1 空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 2 空间直角坐标系与站心地平坐标系间的转换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 3 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换 正规的平面直角坐标系是利用投影变换 将空间坐标 空间直角坐标或大地坐标 通过某种数学变换投影到平面上 这种变换又称为投影变换 通常 在测量和测图中采用的是正形投影 常用的正形投影类有 圆锥投影 如 Lambert投影方位投影 如 球面投影圆柱投影 如 通用横轴默卡托投影 UTM 在我国一般采用的是高斯投影 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 高斯 克吕格投影 椭圆柱面 可展面 将一个椭圆柱面横向切于一条子午线 称中央子午线 上 椭球赤道与柱面相交成直线 我国国家基本地形图法定为高斯 克吕格投影 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 高斯平面直角坐标系 高斯平面直角坐标系的建立是采用横轴椭圆柱等角投影方法 如图 投影时设想把一个横椭圆柱 套在椭圆球的外面 使横椭圆柱的中心轴通过椭圆球的中心 与椭圆球的某一子午线相切 这条子午线称为中央子午线 N S 中央子午线 o GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 中央子午线投影到投影面上 扩大赤道面与横椭圆柱相交 这条交线必与中央子午线相垂直 沿过N或S的母线切开并展平后 这两条直线是正交的 所以 把交点作为原点 中央子午线作为纵坐标轴X轴 把赤道的投影作为横坐标轴Y轴 这样就构成了高斯平面直角坐标系 如图 X GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 二 基准转换方法 不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换 转换方法最为常用的有布尔沙模型 又称为七参数转换法 七参数转换法是 设两空间直角坐标系间有七个转换参数 3个平移参数 3个旋转参数和1个尺度参数 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 北京 54大地坐标 B L H 北京 54空间直角坐标 X Y Z 参数转换 计算七参数 计算三参数 三个已知点 一个已知点 投影平面坐标 X Y H 坐标投影 投影参数设置 WGS84大地坐标 B L H WGS84空间直角坐标 X Y Z 投影平面坐标 X Y H 坐标投影 坐标转换过程图 GPS测量数据处理 第二章 第三节坐标转换基准变换 第四节GPS测量中常用的坐标系 一 WGS 84坐标系二 国际地球参考框架三 1954年北京坐标系四 1980年西安大地坐标系 GPS测量数据处理 第二章坐标系 基准和参考框架 一 WGS 84坐标系 WorldGeodeticSystem 1984 目前GPS采用的坐标系统 广播星历基于此坐标系现在的NIMA U S NationalMapping ImagingAgency 建立和维持 以前称DMA DefenseMappingAgency 有三个实现的版本WGS 84WGS 84 G730 WGS 84 G873 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 WGS 84大地坐标系的几何定义 原点 地球质心Z轴 指向BIH1984 0定义的协议地球极 CTP 方向X轴 指向BIH1984 0的零子午面和CTP赤道的交点Y轴 与Z轴 X轴构成右手坐标系对应的WGS 84椭球的四个基本常数 参考椭球长半轴 a 6378137m扁率 f 1 298 257223563 导出自地球重力场模型正常化二阶带谐系数 484 16685x10 6 地心引力常数 GM 3986005x10 8m3 sec2地球自转角速度 7292115x10 11rad sec GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 二 国际地球参考框架 国际地球参考框架 ITRF InternationalTerrestrialReferenceFrame 是由IERS中心局 CB CentralBureau 的地球参考框架部所建立并维护的 它代表的是国际地球参考系统 ITRS InternationalTerrestrialReferenceSystem 的原点位于包含海洋和大气在内的整个地球的质心 ITRS是通过一组IERS观测站的坐标和速度估值来实现的 ITRS使用国际标准米作为使用引力相对论定义的局部框架下长度单位 根据IAU和IUGG的决议 ITRS轴的指向与1984 0时的BIH系统轴的一致性在 3毫弧秒 mas 之内 而ITRF定向中的时间演进相对于地壳没有残余的旋转 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 ITRF的实现最初是建立在由诸如甚长基线干涉测量 VLBI 激光测月 LLR 和激光测卫 SLR 等空间测地技术的观测值所导出的一组测站坐标 SSC 和速度之上的 后来 IERS对方法进行了扩充 在1991年 包含进了GPS 1994年 又包含进了与卫星集成的多普勒轨道和无线电定位 DORIS IERS按时求取ITRF的年度解 从1988年起 IERS已经演化出了许多ITRF解 即ITRF 97 96和94到88 目前正在使用的ITRF成果被称为ITRF 2000 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 三 1954年北京坐标系 我国目前采用的两个国家大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年西安大地坐标系 1954年北京坐标系源自前苏联1942大地坐标系 1954年北京坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球 椭球参数为 a 6378245m f 1 298 3该坐标系是与前苏联的坐标系进行联测 通过计算而建立的 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 1954年北京坐标系存在着很多缺点 主要表现在以下几个方面 1 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大 并且不包含表示地球物理特性的参数 因而给理论和实际工作带来了许多不便 2 椭球定向不十分明确 椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极 也不指向目前我国使用的JYD极 参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜 东部高程异常达60余米 最大达67米 3 该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的 因此 全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体 区与区之间有较大的隙距 如在有的接合部中 同一点在不同区的坐标值相差1 2米 不同分区的尺度差异也很大 而且坐标传递是从东北到西北和西南 后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点 因而一等锁具有明显的坐标积累误差 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 四 1980年西安大地坐标系 1978年以后 建立了1980年国家大地坐标系 其大地原点设在我国中部 陕西省泾阳县永乐镇 1980年国家大地坐标系是采用了新的椭球元素进行定位定向 所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值 它们是根据上面所给的参数 可算出1980年西安大地坐标系所采用的参考椭球的扁率为 GPS测量数据处理 第二章 第四节GPS测量中常用的坐标系 第三章GPS静态定位在测量中的应用 第一节GPS静态定位在测量中的应用第二节布设GPS基线向量网的工作步骤 GPS测量数据处理 第一节GPS静态定位在测量中的应用 一 GPS测量的特点二 GPS测量所涉及的主要问题三 GPS数据处理所涉及的主要问题 GPS测量数据处理 第三章GPS静态定位在测量中的应用 一 GPS测量的特点 测量精度高选点灵活 不需要造标 费用低全天侯作业观测时间短观测 处理自动化可获得三维坐标 GPS测量数据处理 第三章 第一节GPS静态定位在测量中的应用 二 GPS测量所涉及的主要问题 测量计划需要考虑的问题出测前硬件和软件的准备外业操作的具体要求采集的外业数据的确认和检核室内计算 GPS测量数据处理 第三章 第一节GPS静态定位在测量中的应用 三 GPS数据处理所涉及的主要问题 采用什么样的软件进行求解计算出来的结果是什么结果的精度 可靠性如何如何提高基线向量解的精度在WGS 84坐标系下进行无约束网平差约束平差质量控制 GPS测量数据处理 第三章 第一节GPS静态定位在测量中的应用 第二节布设GPS基线向量网的工作步骤 一 测前工作二 测量实施三 测后工作 GPS测量数据处理 第三章GPS静态定位在测量中的应用 一 测前工作 项目规划测区位置及其范围用途和精度等级点位分布及点的数量提交成果的内容时限要求投资经费 技术设计测绘资料的搜集与整理仪器的检验踏勘 选点埋石 GPS测量数据处理 第三章 第二节布设GPS基线向量网的工作步骤 二 测量实施 实地了解测区情况卫星状况预报确定作业方案外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估重复 确定作业方案 外业观测 数据传输转储 及 基线处理与质量评估 四步 直至完成所有GPS观测工作 GPS测量数据处理 第三章 第二节布设GPS基线向量网的工作步骤 三 测后工作 结果分析 网平差处理与质量评估 技术总结成果验收 GPS测量数据处理 第三章 第二节布设GPS基线向量网的工作步骤 第四章技术设计 第1节技术设计的作用第2节技术设计的内容 GPS测量数据处理 第1节技术设计及其作用 在布设GPS网时 技术设计是非常重要的 精心的计划可以最大限度地确保测量能用合理的时间和预算达到所需的精度 技术设计提供了布设GPS网的技术准则 是作业 数据处理的技术依据 GPS测量数据处理 第四章技术设计 GPS测量的技术设计是进行GPS定位测量的最基本性工作 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 技术设计时必须考虑下列因素 网的定义 大小形状 点的数量 通视的要求现有的 已知 点的间隔对水平和垂直测量精度要求和标准 GPS测量数据处理 第四章 第一节技术设计及其作用 第2节技术设计的内容 项目来源测区概况工程概况技术依据现有测绘成果 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 GPS测量数据处理 第四章技术设计 项目来源 介绍项目的来源 性质 即项目由何单位 部门下达 发包 属于何种性质的项目 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 这可为今后工程施测工作的开展提供必要的信息 如在施测时 作业时间 交通工具的安排电力设备使用的安排通讯设备的使用的安排 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 这是在进行技术设计 实际作业和数据处理中所必须要了解的信息 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 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 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 提交成果要求 规定提交成果的类型及形式 GPS测量数据处理 第四章 第二节技术设计的内容 第五章布网和作业方法 第1节GPS基线向量网的等级第2节GPS基线向量网的布网形式第3节布设GPS网时同步图形的推进方式第4节布设GPS基线向量网时的设计指标第5节GPS网的设计准则第6节GPS测量勘察第7节GPS测量的观测计划第8节GPS静态测量 外业过程 GPS测量数据处理 第1节GPS基线向量网的等级 一 GPS网的精度等级二 影响GPS网精度的因素 网的综合质量 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 GPS基线向量网 GPS网由GPS基线向量构成一般要求网中所有的图形都是闭合的 GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 一 GPS网的精度等级 GPS网的精度指标 通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的 其具体形式为 网中相邻点间的距离中误差 mm a 固定误差 mm b 比例误差 ppm D 相邻点间的距离 km GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范 GPS基线向量网被分成了A B C D E五个级别 A级网一般为区域或国家框架网 区域动力学网 B级网为国家大地控制网或地方框架网 C级网为地方控制网和工程控制网 D级网为工程控制网 E级网为测图网 GPS网的分类 GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 GPS网的分类 对于不同等级的GPS网 有下列的精度要求 GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 美国联邦大地测量分管委员会 FederalGeodeticControlSubcommittee 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 此等级的网一般为全球性的坐标框架 2001年我国最新分布的 全球定位系统 GPS 测量规范 也增加了一个AA级网的等级 以适应GPS测量发展的要求 在该规范中为了与国际标准单位 SI 一致 将对相邻点之间的距离精度的表达式改写为 GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 网中相邻点间的距离中误差 mm a 固定误差 mm b 比例误差 D 相邻点间的距离 km GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 二 影响GPS网精度的因素 网的综合质量 影响GPS网精度的因素包括 基线质量GPS测量的同质性 单频和双频结果等 独立基线的数量和分布其它测量观测值 距离 角度等 网的整体精度是复测基线和冗余设站的数量和分布的函数 GPS测量数据处理 第五章 第1节GPS基线向量网的等级 第2节GPS基线向量网的布网形式 一 跟踪站式二 会战式三 多基准站式四 同步图形扩展式五 单基准站式 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 1 跟踪站式的布网 形式 若干台接收机长期固定安放在测站上 进行常年 不间断的观测 即一年观测365天 一天观测24小时 这种观测方式的很象是跟踪站 因此 这种布网形式被称为跟踪站式 实际上就是跟踪站 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 1 跟踪站式的布网 特点 不间断的连续观测 观测时间长 数据量大 数据处理通常采用精密星历 精度极高 具有框架基准特性 需建立专门的永久性建筑即跟踪站 观测成本很高 适用范围 一般用于建立GPS跟踪站 AA级网 永久性的的监测网 如用于监测地壳形变 大气物理参数等的永久性监测网络 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 2 会战式的布网 形式 在布设GPS网时 一次组织多台GPS接收机 集中在一段不太长的时间内 共同作业 在作业时 观测分阶段进行 在同一阶段中 所有的接收机 在若干天的时间里分别各自在同一批点上进行多天 长时段的同步观测 在完成一批点的测量后 所有接收机又都迁移到另外一批点上采用相同方式 进行另一阶段的观测 直至所有点观测完毕 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 2 会战式的布网 特点 各基线均进行过较长时间 多时段的观测 所以可以较好地消除各种误差的影响 因而具有特高的尺度精度 适用范围 用于布设A B级网 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 3 多基准站式的布网 形式 若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测 这些测站称为基准站 在基准站进行观测的同时 另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 3 多基准站式的布网 特点 各个基准站之间进行了长时间的观测 因此 可以获得较高精度的定位结果 这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架 另外一方面 其余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外 它们与各个基准站之间也存在有同步观测 因此 也有同步观测基线相连 这样可以获得更强的图形结构 适用范围 C D级网 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 4 同步图形扩展式的布网 形式 多台接收机在不同测站上进行同步观测 在完成一个时段的同步观测后 又迁移到其它的测站上进行同步观测 每次同步观测都可以形成一个同步图形 在测量过程中 不同的同步图形间一般有若干个公共点相连 整个GPS网由这些同步图形构成 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 4 同步图形扩展式的布网 特点 扩展速度快 图形强度较高 且作业方法简单 适用范围 C D级网 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 5 单基准站 星形网 式的布网 形式 以一台接收机作为基准站 在某个测站上连续开机观测 其余的接收机在此基准站观测期间 在其周围流动 每到一点就进行观测 流动的接收机之间一般不要求同步 这样 流动的接收机每观测一个时段 就与基准站间测得一条同步观测基线 所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 5 单基准站 星形网 式的布网 特点 效率高 图形强度弱 适用范围 D E级网 GPS测量数据处理 第五章 第2节GPS基线向量网的布网形式 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 一 点连式二 边连式三 网连式四 混连式五 GPS网同步图形构成的几个基本概念 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 1 点连式 观测作业方式 相邻的同步图形间只通过一个公共点相连 这样 当有m台仪器共同作业时 每观测一个时段 就可以测得m 1个新点 当这些仪器观测观测了s个时段后 就可以测得1 s m 1 个点 特点 作业效率高 图形扩展迅速 图形强度低 如果连接点发生问题 将影响到后面的同步图形 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 2 边连式 观测作业方式 相邻的同步图形间有一条边 即两个公共点 相连 这样 当有m台仪器共同同作业时 每观测一个时段 就可以测得m 2个新点 当这些仪器观测观测了s个时段后 就可以测得2 s m 2 个点 特点 作业效率较高 图形强度较强 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 3 网连式 观测作业方式 相邻的同步图形间有3个 含3个 以上的公共点相连 这样 当有m台仪器共同作业时 每观测一个时段 就可以测得m k个新点 当这些仪器观测了个时段后 就可以测得k s m k 个点 特点 图形强度最强 作业效率低 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 4 混连式 观测作业方式 在实际的GPS作业中 一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式 而是根据具体情况 有选择地灵活采用这几种方式作业 这样一种种观测作业方式就是所谓的混连式 特点 混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式 它实际上是点连式 边连式和网连式的一个结合体 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 五 GPS网同步图形构成的几个基本概念 观测时段同步观测同步观测环异步观测环独立基线非独立基线独立观测环必要基线 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 GPS网特征条件的计算 Smin 最少观测时段数 R 平均重复设站次数 n 点数 m 接收机数 GPS测量数据处理 第五章 第3节布设GPS网时同步图形的推进方式 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 一 效率指标二 可靠性指标三 精度指标 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 一 效率指标 1 效率指标理论最少观测期数与设计的观测期数的比值 称之为效率指标 e 即 其中 Smin 理论最少观测期数Sd 设计观测时段数 GPS测量数据处理 第五章 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 2 工程进度及项目成本的估算最少工作天数dmin 即预期完成项目 外业观测 所需的天数de 即 GPS测量数据处理 第五章 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 项目成本的估算需要考虑如下支出 项目设计踏勘 选点 埋石差旅成果资料收集外业作业每日的支出 包括人员工资 食宿 交通 仪器设备等费用内业 含成果计算 报告等 GPS测量数据处理 第五章 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 二 可靠性指标 GPS网的可靠性 可分为内可靠性和外可靠性 内可靠性就是指所布设的GPS网发现粗差的能力 即可发现的最小粗差的大小 外可靠性就是指GPS网抵御粗差的能力 即未剔除的粗差对GPS网所造成的不良影响的大小 这里用一个计算较为简单的数量指标 称为整网的平均可靠性指标 lr 多余独立观测基线数 lt 总独立观测基线数 GPS测量数据处理 第五章 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 三 精度指标 根据已确定的GPS网的网形 可以得到GPS网的设计矩阵B 从而得到GPS网的协因数矩阵Q BTPB 采用协因数矩阵Q或与其有关的一些指标 例如tr Q 来作为衡量GPS网精度的指标 GPS测量数据处理 第五章 第4节布设GPS基线向量网时的设计指标 第5节GPS网的设计准则 一 出发点二 GPS网布网作业准则三 规范对布网的要求 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 一 GPS网设计的出发点 在保证质量的前提下 尽可能的提高效率 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 二 GPS网布网作业准则 1 选点的原则2 提高GPS网可靠性的方法3 提高GPS网精度的方法4 布设GPS网时起算点的选取与分布5 布设GPS网时起算边长和起算方位的选取与分布 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 1 选点的原则 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量 要求测站上空应尽可能的开阔 在10 15 高度角以上不能有成片的障碍物 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰 在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源 如大功率无线电发射设施 高压输电线等 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 1 选点的原则 为避免或减少多路径效应的发生 测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形 地物 如高层建筑 成片水域等 为便于观测作业和今后的应用 测站应选在交通便利 上点方便的地方 测站应选择在易于保存的地方 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 2 提高GPS网可靠性的方法 增加观测期数 增加独立基线数 保证一定的重复设站次数 保证每点与三条以上的独立基线相连 最小异步环边数不大于6 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 3 提高GPS网精度的方法 网中距离较近的点一定要进行同步观测 以获得它们间的直接观测基线 建立框架网 最小异步环边数不大于6 适当引入高精度测距边 若要进行高程拟合 水准点密度要高 分布要均匀 且要将拟合区域包围起来 适当延长观测时间 增加观测时段 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 4 布设GPS网时起算点的选取与分布 选取适当数量的已知点 已知点分布均匀 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 5 布设GPS网时起算边长和起算方位的选取与分布 在布设GPS网时 可以采用高精度激光测距边作为起算边长 数量可在3 5条左右 它们可设置在GPS网中的任意位置 但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊 在布设GPS网时 可以引入起算方位 数量不宜太多 起算方位可设置在GPS网中的任意位置 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 三 规范对布网的要求 详细情况见教材 GPS测量数据处理 第五章 第5节GPS网的设计准则 第6节GPS测量勘察 一 卫星的可用性和可见性二 测站的选择 使用和标记 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 一 卫星的可用性和可见性 常用表示卫星可见性的方式是天空图 GPS测量数据处理 第五章 第6节GPS测量勘察 一 卫星的可用性和可见性 测站处的信号障碍图 GPS测量数据处理 第五章 第6节GPS测量勘察 二 测站的选择 使用和标记 对将要安置天线的地面标识加以明确确认 点的交通状况 如何上点 测站条件 现场的供电情况是否需要设置偏心站 确定适合的天线架设方法建立永久标石注意任何可能引起多路径的障碍注意任何的UHF TV 无线电 微波或雷达发射器 GPS测量数据处理 第五章 第6节GPS测量勘察 第7节GPS测量的观测计划 一 概述二 与卫星有关的因素三 卫星几何的量度四 观测安排五 仪器及人员考虑六 有关作业调度的问题 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 一 概述 所谓的GPS测量的观测计划包括如下内容 何时 何组对何点进行观测观测时段的长度观测操作要求调度安排 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 二 与卫星有关的因素 首先确定跟踪的卫星星座 最为关键的是观测时段的长度 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 三 卫星几何的量度 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 四 观测安排 网的观测安排与下列因素有关 一天内观测时段数总的非观测时间 迁站 安置仪器 数据下载每点的观测次数 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 五 仪器及人员考虑 接收机的数量 类型 人员的培训GPS接收机及相关设备的检定 测试一 接收机的检定零基线的检定短基线的检定利用基线场进行仪器检定二 其它设备的检定基座的检定尺的检定 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 六 有关作业调度的问题 GPS测量数据处理 第五章 第7节GPS测量的观测计划 第8节GPS静态测量 外业过程 一 设备列表二 队伍组织与调度三 观测过程四 外业室内处理过程 GPS测量数据处理 第五章布网和作业方法 一 设备列表 GPS接收机 天线及相关的电缆数据存储器 PC电脑外部电池 充电器基座 三角架卷尺气象观测的干湿温度计 气压计其它辅助设备 GPS测量数据处理 第五章 第8节GPS静态测量 外业过程 二 队伍组织与调度 项目管理者的职责根据作业进度 参考技术人员的意见 下达作业指令作业现场指挥安排测量人员的在测区工作生活的相关事宜外业数据传输 数据处理的监督 GPS测量数据处理 第五章 第8节GPS静态测量 外业过程 三 观测过程 天线安置和高度测量 GPS测量数据处理 第五章 第8节GPS静态测量 外业过程 四 外业室内处理过程 数据传输 存储和检核数据的初步处理 质量控制 GPS测量数据处理 第五章 第8节GPS静态测量 外业过程 第六章GPS测量常用数据格式 第一节RINEX格式第二节精密星历的数据格式 SP3 GPS测量数据处理 第一节RINEX格式 一 概述二 命名规则三 RINEX版本2 10格式定义及例子 GPS测量数据处理 第六章GPS测量常用数据格式 一 概述 RINEX是TheReceiverIndependentExchangeFormat 与接收机无关的数据交换格式 的缩写 现在 它已经成为GPS测量和精密导航应用等的标准交换和存储格式 绝大部分的数据处理软件均支持这种格式 目前采用的是能够用于动态GPS数据的RINEX的第二个版本 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 当前的RINEX格式由6种文本文件所组成 1 观测数据文件2 导航电文文件3 气象数据文件4 GLONASS导航电文文件5 GEO导航电文文件6 卫星和接收机钟文件 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 二 命名规则 RINEX格式文件采用下面的命名规则 ssssdddf yytssss 4字符测站名代号ddd 第一个记录的年积日f 一天内的文件序号yy 年t 文件类型 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 文件类型有O 观测值文件N 导航文件M 气象数据文件G GLONASS导航文件H GEO导航文件C 卫星和接收机钟文件例如 WUHN1120 04O GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 RINEX格式文件的特点 每一类型的文件都由文件头和数据两部分组成 通过文件头来区分不同类型的文件 文本格式 每行为一个记录 每行最大字符数为80 所有与接收机有关的校正均已应用于数据 时标是在接收机钟时间框架中的观测时间 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 三 RINEX版本2 10格式定义及例子 1 观测数据文件2 GPS导航电文文件3 气象数据文件4 GLONASS导航电文文件5 GEO导航电文文件6 卫星和接收机钟文件 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 1 观测数据文件 GPS观测数据文件示例GLONASS观测数据文件示例GPS和GLONASS混合观测数据文件示例GPS和GEO混合观测数据文件示例 GPS测量数据处理 第六章 第一节RINEX格式 观测数据文件 文件头的说明 2 10OBSERVATIONDAT