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卫星定位与导航系统设计说明书一、测区概况与任务的提出1、 任务来源 为了维护土地的社会主义公有制，保护土地使用者的合法权益，加强土地管理，建立健全地籍管理制度，使土地管理向规范化、科学化迈进，满足飞速发展的社会主义市场经济的需要，受灌云县国土管理局委托，由淮海工学院空间信息科学系实测伊山镇城区和全县25个乡镇约1000平方公里、100个点的GPS基础控制网，以满足城区和全县各乡镇地籍调查工作的需要。2、 测区概况灌云县地处苏北平原，属连云港市管辖，处于连云港市南部，灌南县北部。测区内有宁连高速公路、204国道贯通，交通十分便利，测区内地势平坦，大伊山最高海拔227米，东南部最低2.6米，平均海拔高程约3.7米。测区属季风特点的海洋性气候，四季分明，寒暑适宜，光照充足，雨量适中。气候温和湿润，常年平均气温14度左右，年平均降水量约910-980毫米之间，降雨期集中在7-9三个月。测区包括灌云县全乡镇政府所在地，测区为从西至东直线距离约60公里的带形区域。其地理坐标： 东经 11908 11929 北纬 34 34 34 46测区现有的平面控制网系国家测绘局于1954年完成国家一、二等三角网。坐标系统采用新54系坐标系。一、二等三角点多个，根据实际情况和本设计书的要求采用了三个一等三角点和一个二等点。测区现有高程控制网系统由国家测绘局完成的二、三等水准网（56黄海高程系和85基准面高程）。利用原三等水准点4个。该控制网工程实施计划从2004年6月开始收集资料、踏勘找点，2004年7月开始选定点位、埋设标石，进入全面施工，2004年8月开始外业观测。2004年3季度进行内业平差计算，整理资料， 2004年12月底检查完毕提请验收。若利用常规测量技术进行这项工作，一方面是施工周期太长，少则3年，多则好几年；另一方面，平面控制点间要求通视，这就需要建造高标，无疑需要耗费大量的经费。水准观测虽然具有较高的精度，但野外观测劳动强度大，观测周期长，费用高。而卫星全球定位系统（GPS）具有定位精度高、全天候、高效率、经费省等优点，用于建立平面和高程控制网，是当代最先进的技术手段。采用双频和单频GPS接收机观测距离可以从数米-数百公里，精度可达5+110-6D毫米，完全可以用于建立灌云县控制网。用常规测量技术花费时间较长，而用GPS定位技术在短时间内即可完成。经费则为常规测量的1/5。为此，需用GPS定位技术建立平面控制和高程控制的灌云县GPS基点。建立GPS基点及似大地水准面的目的就是为了用GPS直接测出全县内各平面点坐标，精度达到三、四等三角点的要求；直接测求出全县内各高程点的85系高程，精度达到四等水准的要求。试根据上述任务需求与全球定位系统城市测量技术规程(CJJ 73-97)完成四等GPS控制网设计。二、已有大地成果资料测区内有各等级的三角点和水准点。1、可利用的三角点 点 名 等 级 图 幅 号 位 置 备 注 大伊山-50-71 灌云县城 完好 广兴村-50-71 界圩乡合兴村 完好 永丰（基东）-50-71东王集乡光春村 完好 基西-50-71 王集乡前河 完好 大有晋六圩闸口-50-60 燕尾港 完好 2、水准成果：A、以上三角点均有高程B、以下水准点均有高程 有点乡镇点名 备注南岗沭灌11 完好陡沟苏-65 完好龙苴苏-46-6 完好杨集临无43 完好侍庄灌淮段第3号 完好伊芦苏板圩3 完好伊芦苏板圩4 完好穆圩苏-46-3 完好板浦临无33 完好同兴苏-62-1（2） 完好同兴苏-62-2 完好四队苏-62-2（1） 完好圩丰苏-62-5（1） 完好以下成果均可根据布网需要进行选取。三、采用基准1、坐标系GPS测量采用WGS-84世界大地坐标系，最后成果转化为1954北京坐标系。2、高程基准 采用1956年黄海高程基准。图示：连云港市地图灌云县四、 设计及作业技术依据 GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。1、 GPS测量规范A、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；B、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；C、其他GPS规程或细节要求。1998年版全球定位系统城市测量技术规程：等级相邻点平均距离(km)a（mm)b(ppm*D)空间位置精度因子PDOP最弱边相对中误差D级10-51010-2081/20000D、接收机选用的技术要求等级接收机标称精度观测量同步观测接收机D级双/单频10mm +3ppmD载波相位2 E、闭合环或附合线路边数的规定级别ABCDE闭合环或附合线路边数566810F、同步坐标分量及环线全长相对闭合差限差(1ppm)等级二三四一级二级坐标分量相对闭合差2.03.06.09.09.0环线全长相对闭合差3.05.010.015.015.02、GPS测量任务书 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，再结合规范规定并现场踏勘具体确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。五、 布网原则及方案1、GPS布网设计，应该遵循以下原则：A、GPS应根据测区需要和交通进行设计。GPS网中点与点之间不要求通视，但考虑加密时的应用，每点应有一个以上的通视方向。B、在布网设计中应考虑到原有测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，宜采用原有城市坐标系统。对凡是符合GPS网布点要求的旧有控制点，应充分利用其标石。C、GPS网应由一个或若干个独立观测环构成，也可采用符合线路形式构成。D、为求得GPS点在地面坐标系的坐标，应在地面坐标系选定起算数据和联测原有地方控制点若干个。E、为了求得GPS网点的正常高，应进行水准测量的高程联测。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。2、方案设计： 控制网的图形设计是非常重要的工作，根据GPS布网设计的原则，图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入的接收机的类型、数量和后勤保障条件等。根据这次的任务要求和条件，灌云县地处苏北平原，测区内地势平坦，测区包括灌云县全乡镇政府所在地，测区为从西至东直线距离约60公里的带形区域，所以，这次控制网采用的是边联式的布网形式。以下是草图预案：简单草图：实习中布网如下： 根据R. A sany 提出的公式计算GPS网的主要特征值:C= nm/N式中C为观测时段数,n为网的总点数, m为每点设站数,N为接受机数。在网中:总基线数: J总=C*N*(N-1)/2必要基线数:J必= n-1独立基线数:J独=C*(N-1)多余基线数:J多=C*(N-1)-(n-1)2总体可靠性指标=J多/J独实习时有六台接收机，每点设站数为4次，网的总点数为19，观测时段为13！计算的方案的主要特征值见表1-1:表1-1 两个方案的主要特征值方案一总点数19总基线数195独立基线数65必要观测基线数18多余观测基线数47观测时段数13平均每点设站46、 选点与埋石 图 -埋石 GPS网点应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位。点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用（如图）。在基岩露头地区，也可直接在基岩嵌入金属标志。每个点位标石埋设结束后，应按表1-2填写点的记录, 并提交以下资料：(1) 点的记录。(2)GPS网的选点网图。(3)土地占用批准文件与测量标志委托保管书。(4)选点与埋石工作技术总结。 点名应向当地政府部门或群众进行调查后确定，一般取村名、山岗名、地名、单位名。利用原有旧点时，点名不宜更改，点号编排(码)应便于计算机计算。表1-2 GPS点 点 之 记日期： 年 月 日 记录者： 绘图者： 校对者：点名及种类GPS点点土质号相邻点（名号里程通视否）标石说明（单双层类型）旧点旧点名所在地交通路线所在图幅号概略位置X YL B（略图）备注1、GPS选点时应遵守如下原则：A、观测站应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机与其距离一般不得小于200m；B、观测站附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应影响；C、测站应设在易于安置接受设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于10-15度；D、观测站应选在交通便利的地方，并且便于其他观测手段联测和扩展；E、对于基线较长的GPS网，还应考虑测站附近应具有良好的通讯设备和电力供应，以供观测站之间的联系和设备用电；F、点位选定后，均应规定绘制点之记，其主要内容应包括，点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况。G、在建立点位标志时点的标石和标志必须稳定、坚固，易于长期保存和利用，并有利于安全作业。7、 G P S观测纲要设计1、观测计划的主要内容：（1）编制GPS卫星的可见性预报图； 利用Missions Planning软件，在测量的前一天做好可见卫星的预报。 如图所示：灌云县其地理坐标： 东经 11908 11929，北纬 34 34 34 46。预案如下： 假设我组是在2012年的12月23号开始进行灌云县的测量，将软件的时间定格在12:23:2012，如下图所示：可见卫星的预报信息查询： 由上图可以看出，DOP显示的结果，通过分析知道，在7:30到14:00之间是测量精度最高的时段，15:00也是观测时间内的，图中显示精度有所减小，查看卫星数得知： 图-查看15:00的卫星数 图-在2012年12月23日预报在15:00卫星数显示通过查看，在15:00时刻，可以观测到6颗卫星，而同样在DOP值起伏最大处即17:00时，经过同样的方法预报，也只能观测到6颗卫星。而在09:00时刻可以观测到11颗以上卫星，如下图所示： 图-在2012年12月23日预报在09:00观测到的卫星数总结： 通过预报，可以确定观测时间段与选择最佳观测时间，减少观测误差。（2） 选择最佳观测时断； 通过卫星预报分析，大致的观测时段可以确定。若如举例所示的2012年12月23号，最佳观测时段在08：00到13:00。（3）编排作业调度表；作业调整度表见表1-3。时段编号观测时间观测者观测者观测者机号机号机号点名备注点名备注点名备注点号点号点号108:00-09:00ABC123210:00-11:00DBC123313:00-14:00DEC12415:00-16:00EFD123(4)采用规定格式GPS测量外业观测通知（见表1-4）单进行调度。 表1-4 GPS测量外业观测通知单观测日期 年 月 日组别： 操作员：点位所在图幅：测站编号/名：观测时断：1： 2： 3： 4： 5： 6：安排人： 年 月 日2、外业观测要求A、 观测组应严格按作业调度表规定的时间进行作业，保证同步观测同一卫星组，当情况有变化时应经作业队负责人同意，观测组不得擅自更改计划。B、每一时段开机前后应各自量取一次天线高，两次量得的天线高不大于1mm，取平均值作为最后天线高，取平均值作为最后结果，并及时输入测站名，观测时段号等信息，接收机方向还应当一致，仪器正常工作后，作业人员及时逐项填写测量手簿中的各项内容。C、观测员在作业期间不得擅自离开测站，并应防止仪器受到震动和被移动，防止人为和其它物体靠近天线遮挡卫星信号。D、接收机在观测的过程中不应在接收机近旁使用对讲机；雷雨过境时应关机停测，并取下天线，以防雷电。E、每日观测结束后，应及时将数据转存到计算机上，确保观测数据不丢失，同时应进行当天的基线计算，记录雨，晴，阴，云等天气情况。F、 观测人员应严格按手薄内容进行详细记载，不得错记，不得漏记，严禁伪造。3、外业观测的方法GPS控制网应按照全球定位系统城市测量技术规程的要求进行:级别项目 AAABCDE卫星截止高度角（度）101015151515同时观测有效卫星数444444有效观测卫星总数20209644观测时段数106421.61.6时段长度（min）静态720540240604540快速静态双频+P码-1052双频全波-151010单/双频半波-302015采样间隔（s）静态303030103010301030快速静态-5-155-155-15时段中任一卫星有效观测时间（min）静态151515151515快速静态双频+P码-111双频全波-333单/双频半波-5554、GPS接收机选型及检验 接收机的选用 表1-5 接收机的选用 等级项目 二三四一级二级单频/双频双频或单频双频或单频双频或单频双频或单频双频或单频标称精度（10mm+2ppm.D）（10mm+3ppm.D）（10mm+3ppm.D）（10mm+3ppm.D）（10mm+3ppm.D）观测量载波相位载波相位载波相位载波相位载波相位同步观测接收机数22222接收机优选指标 表1-6接收机的优选指标功能指标精度类指标性能类指标环境类指标多功能，包括静态、动态、导航、信标功能高精度5000小时大容量存储;强大的数据处理软件高自动化、自智化抗恶劣环境封装;支持动态软升级抗多路径效应低功耗高集成度开放的组件结构抗干扰性好接收机的检验接收机全面检验的内容，包括一般性检视、通电检验和实测检验。（1）一般检验：主要检查接收机设备各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部分是否松动与脱落，使用手册及资料是否齐全等。（2）通电检验：接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，以及自测试系统的工作情况，当自测正常后，按键作步骤检验仪器的工作情况。（3）实测检验：测试检验是GPS接收机检验的主要内容。其检验方法有：用标准基线检验；已知坐标、边长检验；零基线检验；相位中心偏移量检验等。5、天线安置在正常点位，天线应架设在三脚架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡必须整平。殊点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时应先将觇顶拆除，防止对GPS信号的遮挡。天线的定向标志应指向正北，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35。刮风天气安置天线时，应将天线进行三向固定，以防倒地碰坏。雷雨天气安置时，应该注意将其底盘接地，以防雷击天线。架设天线不宜过低，一般应距地1m以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔120度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，取其三次结果的平均值记入测量手薄中，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0.1C，对一般城市及工程测量只记录天气状况。复查点名并记入测量手薄中，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。6、开机观测观测作业的主要目的是捕获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。天线安置完成后，在离开天线适当位置的地面上安放GPS接收机，接通接收机与电源、天线、控制器的联接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。通常来说，在外业观测工作中，仪器操作人员应注意以下事项：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测后，方能输入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、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。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。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或汽车瓶进行供电。仪器高一定要按规定始、末各测一次，并及时输入及记入测量手薄之中。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。8、 高程联测1、高程控制网应布设成附合路线，环线或结点网。2、高程控制网的等级要求满足国家四级水准测量精度。等级仪器型号视线长度（m）前后视较差（m）前后视累积差（m）黑红面读数差（mm）黑红面所测高差之差（mm）三DS365(80)3.06.02.03.0四DS380（100）5.010.03.05.0九、数据处理GPS数据预处理1、 数据处理软件及选择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者经正式鉴定的软件，对于高精度的GPS网成果处理也可选用国际著名的GAMIT/GLOBK、BERNESE、GIPSY、GFZ等软件。2、基线解算（数据预处理）基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。 基线数据解算采用TGoffice软件求解，基线解算采用消电离层的双差浮点解或加点离层改正的双差整数解（固定解），其主要技术参数如下：卫星截止高度角15度；电离层模型为：Standard模型；对流层模型为Hopfiled或Computed模型；星历为广播星历或精密星历；采用L1频率或L1L2两个频率。3、解算时一定要注意影响GPS基线解算结果的几个因素：A、基线解算时所设定的起点坐标不准确B、起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。C、少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定当卫星的观测时间太短时，会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对与基线解算来讲，对于参与计算的卫星，