GPS测量的设计与实施

GPS原理及应用,讲授:杨利兵,测绘本科生课程,石家庄经济学院Tel第十二讲GPS测量的设计与实施（一）,GPS定位测量的高精度、高效率和低成本是以观测前科学的技术设计和测后精确可靠的数据处理为基础的。,GPS测量,GPS测量（续）,测前立项：目的、范围、点位数量与分布、精度要求、成果内容、时限、经费、技术设计测绘资料的收集仪器检定踏勘、选点、埋石,GPS测量（续）,测中确定作业方案外业观测内业数据处理-数据传输、转储、备份-基线解算-质量评估,GPS测量（续）,测后测量结果分析-网平差-质量评估技术总结成果验收,GPS测量（续）,方案设计,当前GPS测量中普遍采用载波相位观测量为依据的相对定位法。本节主要讲授局域性城市与工程GPS控制网的相对定位测量的工作程序与方法。,GPS测量（续）,主要内容,1GPS测量的技术设计2GPS测量的外业准备及技术设计书编写3GPS测量的外业实施,GPS测量的技术设计是按照GPS测量规范要求，兼顾精度、可靠性、经济性等指标，在测量前制订严格、科学、切实可行的布网及观测方案,1.GPS测量的技术设计,1.GPS测量的技术设计,GPS网技术设计的依据GPS网的精度、密度设计GPS网的基准设计GPS网构成的几个基本概念及网特征条件GPS网的图形设计,GPS网技术设计的依据,GPS测量规范（规程）测量任务书,GPS测量规范,作用内容种类,GPS测量规范的作用,指导规范GPS测量工作,GPS测量规范的内容,精度分级网的设计要求选点与埋石的要求仪器设备外业观测及记录要求数据处理成果验收与上交资料,GPS测量规范的种类,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各部委制定的其它GPS测量规程或细则,测量任务书,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是指令性文件，规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，完成任务的经济指标等,GPS网技术设计的依据,在GPS方案设计时，一般先根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（规程）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、时段长短等观测方案。,GPS测量精度标准及分类,精度设计主要取决于网的用途,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,用于城市或工程的GPS控制网精度,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,各等级GPS相邻点间弦长精度公式：,实际工作中精度标准的确定要根据实际需要设定。,基线向量的弦长中误差a接收机标称精度中的固定误差b接收机标称精度中的比例误差系数d相邻点间的距离,GPS测量精度标准及分类（续）,GPS点的密度标准,GPS网中相邻点间距离,GPS网的基准设计,GPS基线向量WGS-84坐标系实际坐标国家坐标系或地方独立坐标系,GPS网的基准设计,GPS网的基准,位置方位尺度,给定的起算方位角；GPS基准向量的方位。,地面的电磁波测距边；两个以上的起算点间距离；GPS基线向量的距离。,给定的起算点坐标,GPS网的基准设计,应注意的问题：为求定GPS点在地面坐标系的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个。对网内重合的高等级控制点，适当的构成长边图形。联测高程点以求得GPS点的正常高。新建GPS网的坐标系应尽量与测区原有坐标系统一致。,GPS网构成的几个基本概念,1.观测时段测站上开始接收信号到观测停止，连续工作的时间段2.同步观测两台或以上的接收机同时对同一组卫星进行的观测3.同步观测环三台或以上的接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环4.独立观测环由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环,GPS网构成的几个基本概念（续）,5.异步观测环在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该环路叫异步观测环6.独立基线对于N台接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-17.非独立基线除独立基线外的其它基线,GPS网特征条件的计算,观测时段数计算公式（R.A.Sany）：C=nm/N,网点数,每点设站次数,接收机数,总基线数：J总=CN(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),依据以上公式，可确定GPS网图形结构的主要特征,GPS网同步图形构成及独立边的选择,对于由N台接收机构成的同步图形中一个时段包含的基线数为：J=N(N-1)/2其中仅有N-1条边是独立的,N台接收机同步观测所构成的同步图形,GPS独立边的不同选择,GPS网同步图形构成及独立边的选择（续）,当同步观测的接收机数N3时，同步观测环的最少个数为：T=J-(N-1)=(N-1)(N-2)/2,同步闭合环的闭合差,理论上，闭合差应为0由于各台接收机并不严格同步，所以闭合差并不等于0有的规范规定了同步闭合差的限差注意：闭合差较小，只说明基线向量的计算合格，不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现信号中存在的粗差,探测观测结果中的粗差,使GPS网中的独立边构成一定的几何图形，可以是由数条独立边构成的非同步多边形（三边形、四边形、五边形）当GPS网中有若干个起算点时，可由两个起算点之间的数条独立边构成附合路线,GPS网的图形设计,概念：根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出由独立GPS边构成的多边形网（或称为环形网）,设计原则,必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附合线路,设计原则（续）,作为控制网时，相邻点间基线向量精度应分布均匀；网点应尽量与原有地面控制点重合；网点应考虑与水准点重合，非重合点应联测；一般应设在视野开阔和交通便利的地方；为便于联测，可在附近布设一通视良好的方位点。,图形选择,点连式边连式网连式边点混合连接式,三角锁连接导线网形连接星形,点连式,相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件。,边连式,相邻同步图形之间由一条公共基线连接几何强度较高，有较多的复测边和非同步图形闭合条件。相同的仪器台数时，观测时段数比点连式大大增加,相邻同步图形间有两个以上的公共点相连，需要4台以上的接收机。几何强度和可靠性指标相当高，但耗费多。,网连式,点连式和边连式有机结合既能保证网的几何强度，又能减少外业工作量。,边点混合连接,边点混合连接,点连式,三角锁,用点连式或边连式组成连续发展的三角锁适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工作勘测。,导线网形连接,将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核点的可靠性适用于精度较低的GPS布网,星形布设,几何图形简单，但直接观测边之间不构成闭合图形，检查与发现粗差能力差。只需两台仪器即可作业，适用于快速静态定位和准动态定位等快速作业模式。,2.GPS测量的外业准备及技术设计书编写,测区踏勘资料收集设备、器材筹备及人员组织拟订外业观测计划设计GPS网与地面网的联测方案GPS接收机选型及检验技术设计书编写,2.1测区踏勘,主要内容：交通水系分布植被控制点分布居民点分布当地风俗民情,2.2资料收集,主要内容：各类图件：地形图、交通图等各类控制点成果测区有关的地质、气象、通信等资料城市及乡村行政区划表,2.3设备、器材筹备及人员组织,仪器、计算机及配套设备机动设备及通信设备施工器材，计划油料，材料的消耗组建施工队伍详细的投资预算,2.4拟订外业观测计划,拟订依据：GPS网的规模大小点位精度要求卫星星座几何图形强度接收机数量交通、通信及后勤保障,观测计划主要内容,编制GPS卫星的可见性预报图在高度角大于15的限制下，输入测区中心某一测站的概略坐标、日期、时间，使用不超过20天的卫星星历，即可编制卫星的可见性预报图选择卫星的几何图形强度空间位置因子（PDOP）不应大于6选择最佳观测时段卫星多于4颗且分布均匀，PDOP值小于6的时段,观测计划主要内容（续）,观测区域的设计与划分当GPS点较多、网规模较大，而接收机数目有限时，可实行分区观测。相邻分区应设置不少于3个的公共点编排作业调度表包括：观测时段、测站号、测站名及接收机号等编排外业观测通知单每次出测前填写,2.5设计GPS网与地面网的联测方案,一般在GPS网中至少要重合观测三个以上的地面控制点（尽量选择水准点）作为约束点。,2.6GPS接收机选型及检验,GPS接收机检验,一般检验各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部分是否松动，使用手册及资料是否齐全。校正水准器和光学对中器。气象测量仪表送气象部门检测通电检验通电后信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，自检情况实测检验用标准基线检验；已知坐标、边长检验；零基线检验；相位中心偏移量检验。至少每年测试一次,原理：采用“功率分配器”，将同一天线输出信号分成功率、相位相同的两路或多路信号送到接收机，将观测数据进行双差处理求得坐标增量，检验固有误差,用零基线检验接收机内部噪声水平,用零基线检验接收机内部噪声水平（续）,可以消除的误差：卫星几何图形的影响、天线相位中心偏移、大气传播时间误差、多路径效应误差、仪器对中误差可检验出的误差：接收机钟差、信号通道时延、机内噪声,用零基线检验接收机内部噪声水平（续）,检测方法：选择高度角10以上无障碍物的地方安放天线，连接天线、功分器和接收机连接电源，两台接收机同步接收4颗以上卫星11.5h交换功分器与接收机接口，再观测一个时段用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。基线误差应小于1mm,天线相位中心稳定性检验,可在标准基线、比较基线场或GPS检测场上进行将接收机带天线两两配对，置于基线两端。天线精确对中，定向指向正北，观测一个时段。交换接收机与天线再观测一个时段按上述方法在与该基线垂直的基线上，进行同样观测观测结束，用随机软件解算各时段三维坐标。计算得到的各时段坐标差和基线长，误差不应超过仪器标称精度的两倍固定误差,仪器的高低温实验,将天线架设在室外，接收机主机放在高低温箱中进行测试或在野外实地高低温下测试,光学对中器的检验,参照控制测量中光学对点器检校方法,2.7技术设计书编写,任务来源及工作量测区概况布网方案选点与埋标,观测数据处理完成任务的措施,3.GPS测量的外业实施,选点标志埋设观测工作,3.1选点,点位应设在易于安装接受设备、视野开阔的较高处点位目标要显著，视场周围15以上不应有障碍物点位应远离大功率无线电发射源等；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道点位附近不应有大面积水域或其它强烈干扰信号接收的物体,3.1选点（续）,点位应选在交通方便，有利于其他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。当利用旧点时，应对旧点进行检查，符合要求方可利用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，提出建议,3.2标志埋设,一般应埋设具有中心标志的标石填写点之记提交的资料-点之记-选点网图-土地占用批准文件与测量标志委托保管书-选点与埋石工作技术总结,3.3观测工作,依据的主要技术指标,依据的主要技术指标（续）,天线安置,正常点位：-天线架设在三脚架上，安置在标志中心的上方直接对中，基座上的圆水准气泡整平特殊点位：-拆除觇标或偏心观测定向标志线指向正北特殊天气-刮风、雷雨天气不宜过低测量气象参数复查点名并记录,开机观测,天线安置完成后，在适当位置安放接收机，接通电源，经过预热和静置，即可进行观测,观测时应注意的事项,当确认电源电缆等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机开机后有关指示正常并通过自检后，方能输入有关信息接收机开始记录数据后，注意查看观测数据的情况在一个观测时段中应禁止的操作每一观测时段中，气象元素的观测,特别注意供电情况仪