常规GPS控制测量与GDCORS数据处理方案-洪伟

常规GPS控制测量与GDCORS数据处理方案 GDCORS管理中心2009年3月 目录 GPS在控制测量项目中的普及应用常规GPS控制网工作流程常规GPS控制测量的数据处理方法GDCORS在GPS控制测量中的应用GDCORS与省似大地水准面的结合应用CGCS2000国家大地坐标系介绍 GPS在控制测量中的应用及优势 建立各种等级的控制网 GPS技术已基本上取代了常规的控制测量方法 GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段 GPS测量不要求测站间相互通视 作业成本低 劳动强度低 全天候作业 观测和数据处理自动化程度高 GPS控制网外业工作流程 测前工作项目的提出及设计书的编写 项目来源 测区概况 工程概况 技术依据 现有成果 施测方案 作业要求 观测质量控制 数据处理方案 提交成果要求等 测绘资料的搜集与整理仪器的检验踏勘 选点埋石 测前工作 设计书的编写 项目来源 即项目由何单位 部门下达 发包 属于何种性质的项目 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 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 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 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 测前工作 设计书的编写 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 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 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 提交成果要求 规定提交成果的类型及形式 一般包括使用坐标系统和高程系统 以及观测原始文件和计算过程资料等 测绘资料的搜集与整理 收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料 点之记 坐标等 和测区的地形图等 仪器的检验 对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相关设备 气象仪器等进行检验 以确保它们能够正常工作 踏勘 选点埋石 需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘 并进行选点埋石工作 需要遵循以下原则 测站上空应尽可能的开阔 测站周围不能有强电磁波干扰源 测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形 地物 测站应选在交通便利且利于保存的地方 测前工作 测量实施 实地了解测区情况 点的位置 上点难度等卫星状况预报 根据测区的地理位置 以及最新的卫星星历 对卫星状况进行预报 作为选择合适的观测时间段的依据 确定作业方案 作业小组的分组情况 GPS观测的时间段以及测站等 布网原则及方法 起算点选取原则 观测时段 重复设站次数 最小异步环 外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估 布网原则 起算点分布均匀 数目达到控制要求 起算点兼容性检查 作业方式 点连式 边连式 网连式 混连式 通过增加观测时段 保证重复设站次数 每点上独立基线数 最小异步环环边数等保证基线可靠性 影响GPS控制网质量的因素 观测值的精度由观测方法和基线处理方法决定起算数据的数量 质量 分布与网的关系由网的设计和外业观测调度决定网的结构由网的设计和外业观测调度决定数学模型的完备性由数据处理软件决定外业观测中 如对中 量高 天线定向等由外业作业人员决定 保证GPS控制网质量的基本原则 观测值的精度和数量要保证 起算数据的数量要保证 数量要适当 分布要均匀 与网的关系要紧密 网的结构要强 数学模型要完备 GPS常规控制网布网实例 GPS E级控制网139个控制点648条基线23个GPS D级点作起算点外部要保证全部控制到 避免出现局部外推现象 内部尽可能做到均匀分布 测后工作 网平差处理与质量评估技术总结的编写及上交资料 完成情况 精度指标 问题分析与解决 提交成果 成果验收 技术总结的编写 技术总结的作用在完成了GPS网的布设后 应该认真完成技术总结 每项GPS工程的技术总结不仅是工程一系列必要文档的主要组成部分 而且它还能够使各方面对工程的各个细节有完整而充分的了解 从而便于今后对成果的充分而全面地加以利用 另一方面 通过对整个工程的总结 测量作业单位还能够总结经验 发现不足 为今后进行新的工程提供参考 技术总结的内容项目来源 介绍项目的来源 性质 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 工程概况 介绍工程目的 作用 要求 等级 精度 完成时间等 技术依据 介绍作业所依据的测量规范 工程规范 行业标准等 施测方案 介绍测量所采用的仪器 采取的布网方法等 作业要求 介绍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 作业情况 介绍外业观测时实际遵循的操作规程 技术要求 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 作业观测情况 工作量 观测成果等 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 数据处理情况 介绍数据处理方法 过程 结果及精度统计与分析情况 结论 对整个工程的质量及成果作出结论 上交成果资料 GPS工程项目应整理上交以下技术成果资料 测量任务书和专业设计书 点之记 环视图 测量标志委托保管书 接收设备 气象及其它仪器的检验资料 外业观测记录 测量手簿及其它记录数据处理中生成的文件 资料和成果表 GPS网展点图 技术总结和成果验收报告 常规GPS控制测量的数据处理方法 数据传输及转换GPS基线解算GPS基线网平差成果整理提交 GPS数据处理流程图 GPS基线解算 GPS基线解算的概念基线解算质量控制指标 单位权方差因子 数据删除率 RATIO RDOP RMS 同步环闭合差 异步环闭合差 重复基线较差 GPS基线解算的过程影响GPS基线解算结果的几个因素 起点坐标不正确 观测时间太短 周跳过多 多路径效应明显 电离层和对流层折射影响大 GPS基线解算的概念 GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系 即测站与测站间的坐标增量 GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的 常规测量中的基线只有长度属性 而GPS基线向量则具有长度 水平方位和垂直方位等三项属性 GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果 也是进行GPS网平差 获取最终点位的观测值 基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程 平差所采用的观测值主要是双差观测值 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 GPS基线解算的过程 原始观测数据的读入 RINEX格式 外业输入数据的检查与修改 要求手簿各项内容记录完整正确 设定基线解算的控制参数基线解算 自动处理 一般无需干预 基线质量的检验 GPS基线解算流程图 软件内部 GPS基线解算流程图 软件操作 GPS基线解算实例 上图以Trimble公司TGO软件为例描述解算过程 基线解算质量控制指标 以上为TGO的基线处理参数的缺省设定值 基线解算质量控制指标 单位权方差因子数据删除率被删除观测值的数量与观测值的总数的比值 就是所谓的数据删除率 数据删除率反映出了GPS原始观测值的质量 数据删除率越高 说明观测值的质量越差 RATIO RDOP RMSRATIO反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性 RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响 RMS表明了观测值的质量 观测值质量越好则越小 同步环闭合差同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差 异步环闭合差不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环 异步环的闭合差称为异步环闭合差 重复基线较差不同观测时段同一条基线的观测结果较差 即重复基线较差后三种为控制指标 即必须满足的精度指标 规范中关于基线的相关要求 规范中关于基线的相关要求 影响GPS基线解算结果因素的判别及应对措施 基线起点坐标不准确的判别及应对卫星观测时间短的判别及应对周跳太多的判别及应对多路径效应严重的判别及应对对流层或电离层折射影响过大的判别及应对 GPS基线向量网平差 GPS基线向量控制网平差的概念GPS网平差的分类 三维平差和二维平差 无约束平差和约束平差 联合平差 GPS网平差的过程 提取基线向量构建GPS基线向量网 三维无约束平差 约束平差 联合平差 提取基线向量原则 选取相互独立的基线 所选取的基线应构成闭合的几何图形 选取质量好的基线向量 基线质量的好坏 可以依据RMS RDOP RATIO 同步环闭合差 异步环闭合差和重复基线较差来判定 选取能构成边数较少的异步环的基线向量 选取边长较短的基线向量 GPS基线网平差原理 GPS控制网是由相对定位所求得的基线向量而构成的空间基线向量网 在GPS网的数据处理过程中 基线解算所得到的基线向量仅能确定GPS网的几何形状 但却无法提供最终确定网中点的绝对坐标所必需的绝对位置基准 在GPS网平差中 通过起算点坐标可以达到引入绝对基准的目的 在GPS控制网的平差中 是以基线向量及协方差为基本观测量的 通常采用三维无约束平差 三维约束平差及三维联合平差三种平差模型 各类型的平差具有各自不同的功能 必须分阶段采用不同类型的网平差方法 GPS基线网平差流程图 三维无约束平差 在构成了GPS基线向量网后 需要进行GPS网的三维无约束平差 通过无约束平差主要达到以下几个目的 根据无约束平差的结果 判别在所构成的GPS网中是否有粗差基线 如发现含有粗差的基线 需要进行相应的处理 必须使得最后用于构网的所有基线向量均满足质量要求 调整各基线向量观测值的权 使得它们相互匹配 约束平差 联合平差 在进行完三维无约束平差后 需要进行约束平差或联合平差 平差可根据需要在三维空间进行或二维空间中进行 约束平差的具体步骤是 指定进行平差的基准和坐标系统 指定起算数据 检验约束条件的质量 进行平差解算 质量分析与控制 进行GPS网质量的评定 在评定时可以采用下面的指标 基线向量的残差 根据基线向量的改正数的大小 可以判断出基线向量中是否含有粗差 根据规范要求 三维无约束平差的基线向量残差值不大于3倍标准差 否则认为存在粗差 三维约束平差和三维无约束平差的同名基线向量残差较差不大于2倍标准差 否则认为约束值存在较大误差 相邻点的中误差和相对中误差 根据设计书和相关规范的精度要求指标对平差结果进行评定 若在进行质量评定时 发现有质量问题 需要根据具体情况进行处理 如果发现构成GPS网的基线中含有粗差 则需要采用删除含有粗差的基线 重新对含有粗差的基线进行解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决 如果发现个别起算数据有质量问题 则应该放弃有质量问题的起算数据 GPS高程归算 高程系统测量中常用的高程系统有大地高系统 正高系统和正常高系统 大地高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统 某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离 大地高也称为椭球高 大地高一般用符号表示 大地高是一个纯几何量 不具有物理意义 同一个点 在不同的基准下 具有不同的大地高 正高系统正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统 某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离 正高用符号表示 正常高系统正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统 某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离 正常高用表示 GPS高程系统关系图 GPS高程归算方法 等值线图法从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距 然后分别采用公式可计算出正常高和正高 采用等值线图法确定正常高或正高 其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度 地球模型法地球模型法本质上是一种数字化的等值线图 目前国际上较常采用的地球模型有OSU91 EGM96等 我国有CQG2000 各个省有省级的厘米级似大地水准面模型 GPS高程归算方法 高程拟合法高程拟合法就是利用在范围不大的区域中 高程异常具有一定的几何相关性这一原理 采用数学方法 求解正高 正常高或高程异常 高程拟合法是一种纯几何的方法 一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区 如平原地区 其拟合的准确度可达到一个分米以内 对于高程异常变化剧烈的地区 如山区 这种方法的准确度有限 这主要是因为在这些地区 高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来 为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点 它们应均匀分布 并且最好能够将整个GPS网包围起来 若拟合区域较大 可采用分区拟合的方法 即将整个GPS网划分为若干区域 利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值 从而确定出它们的正常高 GDCORS在GPS控制测量中的应用 GDCORS介绍作业模式介绍 实时定位模式 后处理模式 外业施测过程 布网方式 观测数据存储与交接 质量控制 数据处理方式 观测数据的格式要求 GPS基线解算 GPS基线网平差及坐标转换 GDCORS现状 GDCORS是将现代卫星定位 计算机网络 数字通讯等技术进行多方位 高深度集成的结晶 它作为 数字广东 地理空间基础框架的子项目 也是广东省 空间数据基础设施 的最为重要的组成部分 已在在全省范围内建设起78个永久性连续运行的GPS卫星定位基准站和一个控制中心 陆地覆盖面积达到95 以上 形成一个省级的符合现代经济社会发展需要的现代化 智能化的动态大地控制系统 GDCORS运行效果图 外业观测布网原则 根据控制点点位选取周边能将该点较好控制的最相邻的3 4个基准站 在选取时利用GDCORS开发的软件将控制点展点到全省CORS基站分布图上 再通过观察人工选取 同时应综合考虑精度要求 点位分布 作业条件等要素控制观测时间 保证足够数据量 一般要达到厘米级精度 需要观测至少2个小时以上以保证精度可靠 基线精度指标主要为基线残差值和平差点位精度 需要时根据精度要求 基站分布 基线长度等修改解算软件参数设置 进行最优化的基线解算 GDCORS参与的控制网布网实例 同样以该网为例 以清远 怀集 肇庆 三水等四个基站做起算 解算基线如图所示 GDCORS控制网的分级布网 建立框架网 长时间观测与GDCORS同步 以框架网为基础进行观测作业 与常规静态控制网相同 以GDCORS作为起算进行数据处理 计算出框架网的坐标成果 以框架网为起算进行数据处理 计算出子网的坐标成果 后处理模式基线解算 GAMIT软件GDCORS采用Linux平台下的GAMIT作为基线解算软件进行基线解算处理 该软件是由美国麻省理工学院 MIT 和斯克里普斯海洋研究所 SIO 联合开发的全球最具权威性的GPS数据处理软件包 它主要由以下几个模块组成 ARC 轨道积分 MODEL 组成观测方程 SINCLN 单差自动修复周跳 DBLCLN 双差自动修复周跳 CVIEW 人工交互式修复周跳 CFMRG 用于创建SOLVE所需的M文件 SOLVE 利用双差观测按最小二乘法求解参数 等 观测数据格式要求 观测数据采用统一格式提交 外业组应严格仔细遵照要求格式整理数据 以提高数据处理效率 具体格式要求如下 控制点号统一采用四位 观测数据导出为RINEX格式 命名方式为 XXXXDDDN 形式 其中XXXX为四位点号 DDD为年积日 N为时段号 控制点号命名时应采用数字 字母和下划线 的组合 不能擅改RINEX文件的名称 RINEX格式o文件中点号应与RINEX文件名前四位一致 基线解算注意事项 起算坐标不准确的影响星历的选择电离层传播延迟对基线解算的影响对流层折射对基线解算的影响卫星截止高度角的影响观测量采样率的影响观测时间长短与基线解算精度的关系基线精度衡量指标 与常规GPS控制网数据处理方式的比较 为基线解算提供高精度的起算坐标 确保了基线解算的质量 为各类控制网提供全天候不间断的起算基准 使得控制网的布设不需要联测已知点 随时可与GDCORS基准站同步 提供全省一致的坐标框架 通过同步GDCORS基准站使得大范围跨区域的协同作业高效和可靠 质量和可靠性的提高 与常规GPS控制网数据处理方式比较效率的提高 目前GDCORS数据后处理方式 已普遍用于各种等级控制网 像片控制测量 勘界等项目 根据统计相对于常规静态测量方式 大约能提高30 的工作效率 效率来源是减轻了查找及观测起算点 过渡点设置 内业数据的处理 由GDCORS工作统一完成 等工作量 GDCORS与广东省似大地水准面的结合应用 广东省似大地水准面的介绍似大地水准面相对于传统高程求取方法的优势不需要联测已知水准点 避免水准观测误差累计对精度的影响 可直接利用GPS观测数据求取高程 GDCORS与广东省似大地水准面结合应用实例介绍 广东省似大地水准面现状 广东省于2005年已完成广东省似大地水准面的建立工作 该项目由广东省国土资源厅组织实施 由广东省国土资源厅测绘院 武汉大学测绘学院联合完成 计算是直接在省级A B级GPS控制网基础上进行省级似大地水准面确定的 采用球冠谐分析方法进行局部重力场逼近 考虑到广东临海 采用陆海统一算法进行地形均衡归算 最终确定了广东省分辩率为2 30 精度为4 1厘米的大地水准模型及软件 经检测 其外符合精度达到4 8厘米 在珠江三角洲地区达到了 3厘米 为全省范围实施高精度GPS高程测量奠定了基础 似大地水准面相对于传统高程求取方法的优势 相比而言 利用似大地水准面求取正常高比传统的GPS高程拟合方法具有以下明显的效率优势 不需要联测已知水准点 避免水准观测误差累计对精度的影响 可直接利用GPS观测数据求取高程 相对于高程拟合方式求取高程 只需要将控制点的GPS观测数据内插到似大地水准面模型中即可获取厘米级精度的正常高 这极大提高了作业效率 解决了测区范围内没有合适足够的水准起算点 以及要进行水准联测等工作的问题 实例 在2007 2008年度测绘院大量的航测 卫控以及勘界等项目中 省似大地水准面发挥了重要的作用 通过省似大地水准面内插拟合方式得到的高程结果完全可以满足这些项目的高程精度要求 相对于传统的水准 三角高程 联测已知高程点高程拟合等方法极大提升了作业效率 既极大节省了人力物力时间 也保证了高程成果的一致和可靠性 这些项目有 粤东测区1 1万地形图像控测量 粤西 粤北卫星像控点测量 潮州市 汕头市1 1万像片控制测量 江门市土地调查底图卫片控制测量 佛山市勘界测量 深汕高速公路地形测量等 累计计算点数超过6000个 CGCS2000国家大地坐标系介绍 采用CGCS2000国家大地坐标系的背景和意义以地球质量中心作为坐标系原点 采用以地球质心为大地坐标系的原点 可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象 特别是空间物体的运动 现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果 都是以地心坐标系为参照系 采用地心坐标系可以充分利用现代最新科技成果 为国家信息现代化服务 现行坐标系的局限性 二维坐标系统精度的损失 参考椭球参数的缺陷 维持非地心坐标系下实际点位坐标不变的难度加大 椭球短半轴指向 单纯采用目前参心 二维 低精度 静态的大地坐标系统和相应的基础设施作为我国现行应用的测绘基准 必然会带来愈来愈多不协调问题 产生众多矛盾 制约高新技术的应用 采用CGCS2000国家大地坐标系的积极意义 采用CGCS2000国家大地坐标系具有科学意义 建立一个以全球参考基准为背景的 全国统一的 协调一致的坐标系统 采用CGCS2000国家大地坐标系 有利于应用于防灾减灾 公共应急与预警系统的建设和维护 采用CGCS2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在我国的广泛应用 采用CGCS2000国家大地坐标系也是保障交通运输 航海等安全的需要 卫星导航技术与通信 遥感和电子消费产品不断融合 将会创造出更多新产品和新服务 CGCS2000国家坐标系的定义 国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点 三个坐标轴的指向 尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义 2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000 0的地球参考极的方向 该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984 0的初始指向推算 定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转 X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面 历元2000 0 的交点 Y轴与Z轴 X轴构成右手正交坐标系 采用广义相对论意义下的尺度 CGCS2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为 长半轴a 6378137m扁率f 1 298 257222101地心引力常数GM 3 986004418 1014m3s 2自转角速度 7 292l15 10 5rads 1 现有成果与CGCS2000国家坐标系的转换 技术依据 启用2