第9章GPS测量的实施

第9章GPS测量的实施 9 1GPS接收机 9 2NGS 9600静态相对定位 9 3GPS控制网设计 9 4GPS测量的实施 9 1GPS接收机 GPS接收机的分类按照使用功能的不同 可分为导航型接收机和测地型接收机按照接收频率 可以分为单频接收机和双频接收机按照定位方式 可以分为静态接收机和动态接收机 一 南方9600GPS接收机 单频静态一体式机型 其天线单元 接收单元和数据采集单元都安装在同一个防水外壳内内置2块可充电锂电池12个并行通道采集的数据为C A码 L1载波 广播星历 二 南方灵锐S80 S80的主要特点 双频RTK标准配置为1套基站和1套移动站基站包括 主机 17Ah蓄电池 基准站电台 发射天线 数据线 电源线等 移动站包括 双频主机及天线 碳纤对中杆 手簿控制器等 采用PDA手簿记录以WinCE为平台的图形化野外控测采集软件 包括碎步测量 点放样 线放样 曲线放样 线路放样 电力线放样等功能USB 串口 蓝牙三种通讯方式 PDA手簿部分功能 S80的技术指标 24通道跟踪信号L1 L2静态平面精度5mm 1ppm静态高程精度10mm 1ppm静态作业距离优于80公里典型RTK初始化时间15秒RTK平面精度1cm 1ppmRTK高程精度3cm 1ppm 三 美国Trimble 天宝 4600 静态GPS系统L1载波相位及C A码观测值一体式密封结构全机只需一个按钮操作 三个LED灯分别指示电源 数据存储 卫星跟踪状况水平精度5mm 1ppm垂直精度10mm 2ppm 四 天宝5800 双频动态24通道蓝牙无线通信一体式密封结构 9 2NGS 9600静态相对定位 GPS定位方法主要有静态绝对定位 是将GPS接收机安置于固定不动的待定点上 观测数分钟乃至更长的时间 以确定该点的三维坐标 静态相对定位 两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上 通过一定时间的观测 可以确定两个待定点之间的相对位置 动态定位 至少有一台接收机处于运动状态 测定的是各观测时刻接收机的点位 绝对点位或相对点位 一 静态相对定位的操作步骤 1 仪器的安置与启动 将仪器安置在测站点上对中整平量取天线高使天线的定向标志线指向正北打开主机电源 进入初始界面 初始界面 卫星灯和信息灯指示可见卫星的数量和数据记录情况 电源指示灯指示电池使用情况 若正在使用A电池 则电源灯为绿灯 若正在使用B电池 则电源灯为黄灯 若A B电池均不足 则电源灯变为红色 此时应更换电池 三种数据采集模式 智能模式状态下 采集条件满足后自动进入数据采集状态 观测人员可通过液晶显示屏查看卫星星历和分布情况 相当于带液晶显示屏的 傻瓜机 手动模式状态下 人工判断采集条件是否满足 PDOP 6 3D 满足条件后输入点号以及时段号 让接收机进入采集状态 节电模式相当于完全傻瓜机采集模式 采集条件满足后自动进入采集状态并关闭液晶显示屏 仅靠指示灯来指示采集状态 选手动或智能模式后进入主界面 开机后若不进行选择 则延时10秒自动进入智能模式 主界面 2 野外数据采集 1 人工模式采集该模式下采集过程不会自动进行 需要人为判断目前接收机状态是否满足采集条件 PDOP 6 定位状态为3D 当满足条件时 按下F3键 测量 进入测量界面 测量界面 当满足条件时 选择 采集 进入输入界面 测站输入 输入完文件名 时段号 天线高后 按F4键 确定 接收机开始记录数据 2 智能模式采集 打开主机电源在初始界面下选F1键 或不进行任何操作 10秒钟后仪器自动进入智能模式该模式下软件自动判断卫星定位状态和PDOP值 并在PDOP值满足后进入采集数据状态这时在右侧提示框中能看到采集时间在递増 表明主机正在记录GPS数据你可以给记录的数据取一个文件名 若不取文件名 软件会默认文件名为 智能模式和人工模式的区别 人工模式是先取文件名再记录采集数据智能模式是先自动记录采集数据再取文件名 在任何界面下同时按下F1 F4快捷键关机 即可退出采集 且不会丢失数据 3 节电模式采集 节电模式适合在严寒地区使用 以克服液晶显示屏低温情况下可能无法正常显示的问题 主机电源打开后 在初始界面下选F3键进入 节电模式 进入之后程序自动关闭液晶显示屏 仅靠指示灯来显示卫星状态和采集状态 进入该方式后 可被任意键激活显示屏而进入智能模式 二 静态相对定位注意事项 当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后 方可接通电源 启动接收机 开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后 方能输人有关测站和时段控制信息 接收机在开始记录数据后 应注意查看有关观测卫星数量 卫星号 存储介质记录等情况 一个时段观测过程中 不允许进行以下操作 关闭又重新启动 进行自测试 发现故障除外 改变卫星高度角 改变天线位置 改变数据采样间隔 按动关闭文件和删除文件等功能键 每一观测时段中 气象元素一般应在始 中 末各观测记录一次 当时段较长时可适当增加观测次数 仪器高要始 末各量测一次 并及时输入仪器及记入测量手薄之中 观测过程中要特别注意供电情况 除在出测前认真检查电池容量是否充足外 作业中观测人员不要远离接收机 听到仪器的低电压报警要及时予以处理 否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失 对观测时段较长的观测工作 建议尽量采用太阳能电池板或汽车电瓶进行供电 观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量 观测过程中使用对讲机时 不要靠近接收机 雷雨季节架设天线要防止雷击 雷雨过境时应关机停测 并卸下天线 一个测站的全部预定作业项目 经检查均已按规定完成 且记录与资料完整无误后方可迁站 每日观测结束后 应及时将数据转存至计算机硬 软盘上 确保观测数据不丢失 存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份 分别保存在专人保管的防水 防静电的资料箱内 存储介质的外面 适当处应贴制标签 注明文件名 网名 点名 时段名 采集日期 测量手薄编号等 接收机内存数据文件在转录到外存介质上时 不得进行任何剔除或删改 不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令 9 3GPS控制网设计 任务 依据GPS测量规范 规程和测量任务书 对GPS控制网的网形 观测路线进行设计 保证观测成果的精度和可靠性 一 GPS控制网设计的依据 1 目前GPS网设计依据的规范 规程 测绘行业标准 全球定位系统测量规范 建设部 全球定位系统城市测量技术规程 铁道部 全球定位系统铁路测量规程 其他各部委根据本部门实际情况制定的其它GPS测量规程或细则 2 测量任务书 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 二 GPS网的图形构成 根据GPS测量的不同用途 GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形 基本形式有 三角形网 优点 图形几何结构强 具有良好的自检能力 经平差后网中相邻点间基线向量的精度均匀 缺点 观测工作量大 只有在网的精度和可靠性要求比较高时 才单独采用这种图形 环形网 优点 观测工作量较小 且具有较好的自检性和可靠性 缺点 非直接观测基线边 或间接边 精度较直接观测边低 相邻点间的基线精度分布不均匀 是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形 通常采用上述两种图形的混合图形 星形网 优点 观测中只需要两台GPS接收机 作业简单 缺点 几何图形简单 检验和发现粗差能力差 广泛用于工程测量 边界测量 地籍测量和碎部测量等 三 同步观测与同步环 测站上开始接收卫星信号到观测停止 连续工作的时间段称为观测时段 简称时段 在同一时段内 两台或两台以上接收机对同一组卫星进行的观测称为同步观测 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称为同步观测环 简称同步环 N台接收机的同步图形 四 GPS控制网的图形 1 点连式相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接 没有或极少有非同步图形闭合条件 几何强度很差 一般不单独使用 2 边连式 同步图形之间由一条公共基线连接 3 边点混合连接式 将点连式与边连式有机地结合起来 组成边点混合连接网 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 4 三角锁连接 边点混合连接式组成连续发展的三角锁同步图形 适用于狭长地区的GPS布网 如铁路 公路及管线工程勘测 应通过独立观测边构成闭合图形 以增加检核条件 提高网的可靠性 应尽量与原有地面控制网相重合 重合点一般不少于3个 且分布均匀 应考虑与水准点相重合 或在网中布设一定密度的水准联测点 点应设在视野开阔和容易到达的地方联测方向 可在网点附近布设一通视良好的方位点 以建立联测方向 五 GPS控制网设计的一般原则 1 两台仪器作业的基本图形 六 GPS快速定位图形布设 1 多边形环状网 两接收机同步作业 交替迁站n 1次 得到首尾相接的n边形闭合环 每个新点均与两条独立基线相连 两接收机同步作业 1台固定不动 1台快速流动迁站n 1次 得到n条独立基线 每个新点只与1条独立基线相连 因此每个点上必须进行第二次设站 2 单基准星状网 1台固定不动 2台各快速流动迁站n 1次 得到2n条独立基线 每个新点只与1条独立基线相连 因此每个点上必须进行第二次设站 2 三台接收机作业的基本图形 1 单基准星状网 2台固定不动 1台快速流动迁站n 1次 得到2n条独立快速定位基线 如果两基准站采用静态定位方式 可得到2n 1条独立基线向量 如果采用在流动站迁站期间两基准站多次快速定位得到多组快速定位基线向量的方法 最多可得到3n 1条独立基线向量 2 双基准菱状网 七 GPS构网注意事项 GPS网的点与点间尽管不要求通视 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 为了顾及原有测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用 应采用原有坐标系统 并充分利用符合GPS网点要求的旧点 GPS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 9 4GPS测量的实施 包括准备工作 测区踏勘 资料收集 器材筹备 观测计划拟定 仪器检校及设计书编写 选点埋标野外观测 利用GPS接收机获取观测数据 一 GPS测量的外业准备 1 测区踏勘主要调查了解下列情况交通情况 公路 铁路 乡村便道的分布及通行情况 水系分布情况 江河 湖泊 池塘 水渠的分布 桥梁 码头及水路交通情况 植被情况 森林 草原 农作物的分布及面积 控制点分布情况 三角点 水准点 GPS点 多普勒点 导线点的等级 坐标 高程系统 点位的数量及分布 点位标志的保存状况等 居民点分布情况 测区内城镇 乡村居民点的分布 食宿及供电情况 当地风俗民情 民族的分布 习俗及地方方言 习惯及社会治安情况 2 资料收集 根据踏勘掌握的情况 收集下列资料 各类图件 1 1万 1 10万比例尺地形图 大地水准面起伏图 交通图 各类控制点成果 三角点 水准点 GPS点 多普勒点 导线点及各控制点坐标系统 技术总结等有关资料 有关的地质 气象 交通 通讯等资料 城市及乡 村行政区划表 3 设备 器材筹备及人员组织 筹备仪器 计算机及配套设备 进行仪器的检验 筹备机动设备及通讯设备 筹备器材 计划油料 材料的消耗 组建队伍 拟定人员名单及岗位 进行详细的预算 准备资金 4 编写技术设计书 主要编写内容有 1 任务来源及工作量包括GPS项目的来源 下达任务的项目 用途及意义 GPS测量点的数量 包括新定点数 约束点数 水准点数 检查点数 GPS点的精度指标及坐标 高程系统 2 测区概况 测区隶属的行政管辖 测区范围的地理坐标 控制面积 测区的交通状况和人文地理 测区的地形及气候状况 测区控制点的分布及对控制点的分析 利用和评价 3 布网方案 GPS网点的图形及基本连接方法 GPS网结构特征的测算 点位布设图的绘制 4 选点与埋标 GPS点位的基本要求 点位标志的选用及埋设方法 点位的编号等 5 观测 对观测工作的基本要求 观测纲要的制定 对数据采集提出注意的问题 6 数据处理 数据处理的基本方法及使用的软件 起算点坐标的决定方法 闭合差检验及点位精度的评定指标 7 完成任务的措施 二 选埋GPS控制点 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 在选点工作开始前 需要 收集和了解有关测区的地理情况原有测量控制点分布标架 标型 标石完好状况此外 选点工作还应遵守以下原则 GPS选点原则 点位应设在易于安装接收设备 视野开阔的较高点上 点位目标要显著 视场周围15 以上不应有障碍物 以防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 GPS选点原则 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 地面基础稳定 易于点的保存 选点人员应按技术设计进行踏勘 在实地按要求选定点位 GPS选点原则 网形应有利于同步观测边 点联结 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作一检查 符合要求方可利用 三 观测 1 架设天线 天线的定向标志线应指向正北 并顾及当地磁偏角的影响 以减弱相位中心偏差的影响 天线定向误差依定位精度不同而异 一般不应超过3 5 刮风天气安置天线时 应将天线进行三方向固定 以防倒地碰坏 雷雨天气安置天线时 应注意将其底盘接地 以防雷击天线 架设天线不宜过低 一般应距地面lm以上 天线架设好后 在圆盘天线间隔120 的三个方向分别量取天线高 三次测量结果之差不应超过3mm 取三次结果的平均值记人测量手薄中 天线高记录取值0 001m 测量气象参数 在高精度GPS测量中 要求测定气象元素 每时段气象观测应不少于3次 时段开始 中间 结束 气压读至0 1mbar 气温读至0 1 对一般城市及工程测量只记录天气状况 2 观测 复查点名并记人测量手薄中 将天线电缆与仪器进行联接 经检查无误后 方能通电启动仪器 接收机锁定卫星并开始记录数据后 观测员可按照仪器随机提供的操作手册进行输人和查询操作 在未掌握有关操作系统之前 不要随意按键和输入 一般在正常接收过程中禁止更改任何设置参数 测量手簿格式 3 仪器操作注意事项 当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后 方可接通电源 启动接收机 开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后 方能输人有关测站和时段控制信息 接收机在开始记录数据后 应注意查看有关卫星数量 卫星号 相位测量残差 实时定位结果及其变化 存储介质记录等情况 一个时段观测过程中 不允许进行以下操作 关闭又重新启动 进行自测试 发现故障除外 改变卫星高度角 改变天线位置 改变数据采样间隔 按动关闭文件和删除文件等功能键 在观测过程中要特别注意供电情况 除在出测前认真检查电池容量是否充足外 作业中观测人员不要远离接收机 听到仪器的低电压报警要及时予以处理 否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失 对观测时段较长的观测工作 建议尽量采用太阳能电池板或汽车电瓶进行供电 仪器高一定要按规定始 末各量测一次 并及时输人仪器及记人测量手薄之中 接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机 雷雨季节架设天线要防止雷击 雷雨过境时应关机停测 并卸下天线 观测站的全部预定作业项目 经检查均已按规定完成 且记录与资料完整无误后方可迁站 观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量 每日观测结束后 应及时将数据转存至计算机硬 软盘上 确保观测数据不丢失 9 5GPS测量数据处理 GPS网数据处理分基线解算和网平差两个阶段 各阶段数据处理软件可采用随机软件或经正式鉴定的软件 利用GPS软件进行计算并形成观测成果 一 数据传输 连接前的准备保证9600主机电源充足 打开电源 用通讯电缆连接好电脑的串口1 COM1 或串口2 COM2 要等待 约10秒钟 9600主机进入主界面后再进行连接和传输 初始界面不能传输 设置要存放野外观测数据的文件夹 可以在数据通讯软件中设置 北极星9600内业数据传输软件 菜单栏 计算机设置 主要是对文件的操作设置 主要是对GPS接收机的操作 GPS机设置 对高度角和采集间隔进行设置 数据传输的方法 参数正确显示数据 否则重新设置 1 连接计算机和GPS接收机 打开应用软件 2 设置通讯参数 打开通讯菜单 进行计算机和GPS接收机通讯的设置 3 传输数据 选择对应的文件后 单击 开始 9600上的数据就会传输到计算机对应的目录下 二 数据预处理 为了获得GPS观测基线向量并对观测成果进行质量检核 首先要进行数据的预处理 根据预处理结果对观测数据的质量进行分析并做出评价 以确保观测成果和定位结果的预期精度 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 2 基线解算 对于两台及以上接收机同步观测值进行独立基线向量 坐标差 的平差计算叫基线解算 也叫观测数据预处理 基线向量的解算一般采用多站 多时段自动处理的方法进行 基线解算基本内容 数据分流 从原始记录中 通过解码将各种数据分类整理 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 观测文件和测站信息文件等 统一数据文件格式 将不同类型接收机的数据记录格式 项目和采样间隔 统一为标准化的文件格式 以便统一处理 卫星轨道标准化 采用多项式拟合法 平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数 使观测时段的卫星轨道标准化 探测周跳 修复载波相位观测值 对观测值进行必要改正 在GPS观测值中加入对流层改正 单频接收的观测值中加入电离层改正 应注意以下几个问题 基线解算一般采用双差相位观测值 对于边长超过30km的基线 解算时也可采用三差相位观测值 卫星广播星历坐标值 可作基线解的起算数据 对于特大城市的首级控制网 也可采用其他精密星历作为基线解算的起算值 基线解算中所需的起算点坐标 应按以下优先顺序采用 1 国家GPSA级网控制点或其他高等级GPS网控制点的已有WGS 84系坐标 2 国家或城市较高等级控制点转换到WGS 84系后的坐标值 3 不少于观测30分钟的单点定位结果的平差值提供的WGS 84系坐标 在采用多台接收机同步观测的一个同步时段中 可采用单基线模式解算 也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算 同一级别的GPS网 根据基线长度不同 可采用不同的数据处理模型 但是 0 8km内的基线 须采用双差固定解 30km以内的基线 可在双差固定解和双差浮点解中选拔最优结果 30km以上的基线 可采用三差解作为基线解算的最终结果 对于所有同步观测时间短于30分钟的快速定位基线 必须采用合格的双差固定解作为基线解算的最终结果 2 观测成果的检核 对野外观测资料首先要进行复查 内容包括 成果是否符合调度命令和规范的要求 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 每个时段同步边观测数据的检核 数据剔除率 剔除的观测值个数与应获取的观测值个数的比值 同一时段观测值的数据剔除率 其值应小于10 采用单基线处理模式时 对于采用同一种数学模型的基线解 其同步时段中任一的三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不得超过限差 同步坐标分量及环线全长相对闭合差限差 ppm D 2 重复观测边的检核 同一条基线边若观测了多个时段 则可得到多个边长结果 这种具有多个独立观测结果的边就是重复观测边 对于重复观测边的任意两个时段的成果互差 均应小于相应等级规定精度 按平均边长计算 的倍 3 同步观测环检核 当环中各边为多台接收机同步观测时 由于各边是不独立的 所以其闭合差应恒为零 例如三边同步环中只有两条同步边可以视为独立的成果 第三边成果应为其余两边的代数和 但是由于模型误差和处理软件的内在缺陷 使得这种同步环的闭合差实际上仍可能不为零 这种闭合差一般数值很小 不至于对定位结果产生明显影响 所以也可把它作为成果质量的一种检核标准 三边同步环 第三边处理结果与前两边的代数和之差值应小于下列数值 式中 为相应级别的规定中误差 按平均边长计算 多边同步环 多于三边的多边同步环可以产生大量