《GPS教学实习》PPT课件

2020/5/19,GPS教学实习,主讲:魏二虎副教授,-2-,主要内容,GPS定位技术基础测量的概念和任务传统测量技术GPS定位技术概述实习1：GPS静态测量及数据处理GPS静态测量基础GPS静态测量及数据处理实习2：GPSRTK地形测量GPSRTK定位技术基础GPSRTK测量流程及原理实习3：工程设计和放样工程设计GPSRTK工程放样,-3-,第一部分、GPS定位技术基础第一节、测量的概念和任务,一、测绘的任务为研究和描述全球或区域地形而获得数字信息和图形信息，并指导工程放样。一）、测绘工作可以分为两个方面1、获得数字信息和图形信息：测量地物点的有关信息，通过计算而求出其坐标或演变量（如速度、轨迹等）、并绘制成相关的图形。如：全球地形图、平面地形图、交通旅游图、立体地形图等。2、放样测量：将从图纸设计的工程理论坐标放样在地物点上，指导工程施工工作。如铁路、公路、桥梁、隧道、水库、大坝等工程设计和放样。,-4-,二）测绘工作的过程,1、测量地物点的有关信息：又称数据信息采集。2、数据处理：确定坐标系统，使用多于未知参数的观测值通过最小二乘平差数据处理求出未知参数（如三维坐标或平面坐标和高程）的最佳估值。3、绘图：按照测量目的和任务需要可以将计算的坐标和有关属性绘制成全球地形图、平面地形图、交通旅游图、立体地形图等。4、工程设计：工程设计人员可以在有关地形图上规划设计工程图：铁路、公路、桥梁、隧道、水库、大坝等，并计算放样点参数（一般为工程特征点坐标）。5、放样测量：将从图纸设计的工程特征点按理论坐标放样在地物点上，指导工程施工工作。,-5-,第二节、传统的导航和测量技术,一、传统技术和工具：一）测量工具：光电仪器测量技术1、测量原理：通过测边、测角、三角高差、水准高差来测量未知点坐标2、缺陷:1).因光学分辨率、地面障碍物等影响测站与前后尺的光线通视,同步测量距离短，搬站频繁、积累误差大。.2)观测条件高，效率低，人力耗用高。,-6-,二）导航工具,1、罗兰C导航仪：使用岸台上（2-3个）信标台作为基准，纯粹测边，前方交会船只、近海的陆地载体等的坐标位置：要求载体距离海岸线距离近；导航精度低（300米之内）。2、陀螺仪：由密度很高的物质做成，可以高速运转来保持姿态和按设定定向、导航；随着载体运行距离将长，误差积累性大，价格昂贵。很难普遍使用。,-7-,二、空间定位技术的发展：一）、空间定位技术的问世及背景：,1、全球和平的环境提供了基础：测绘科学的发展已经有了四千多年的历史，但发展最快的时期是从20世纪50年代末期开始；因为二战结束了，世界进入了没有大型战争的和平时期，各国将注意力从战争转移到了地区、国家的建设和科技的发展。2、军事防御的需要：科学技术在二战中发挥了很大的作用，尤其是航空航天等空间科学技术。航空战斗机的战斗力在二战中发挥得淋漓尽致；美国用火箭发送到日本广岛、长奇两地的原子弹为结束二战乎起到了决定性的作用。战争的最后就是尖端科学的较量；居安思危，人们开始意识到核武器和空间科学技术成为将来战争武器和技术的发展方向之一。到20世纪50年代末期，已经有了大量航天器围绕地球成功的运行着：如气象卫星等科学实验卫星。根据北美防空司令部（NAADC）的报告，截至1990年9月30日为止，围绕地球运行的航天器已达6681个。航空航天事业的发展成果对于使用卫星进行军事导航提供了基础。,-8-,二）第一代卫星导航系统：子午卫星系统（TRANSIT),1、测量原理：将测站用6颗子午卫星代替，运行在10100公里高的天空中，测量卫星到卫星接收机的距离，后方交会地面点坐标。扩大测站与测尺通视范围和距离。使用穿透能力更强的电子信号大大提高通视能力和作业条件。使用电子信号的多普勒频移来测量距离。卫星测量属于纯测边网。,-9-,2、缺陷1)6颗卫星,太少,不能全天候测量。2)地面监控站不能实时的提供卫星星历,所以不能实时定位。3)轨道高度10100公里,太低,因为地球引力、摄动影响，卫星难以精密定轨。4)频率低,难以补偿电离层折射的影响。5)定位精度低。3、应用导航、远程测量,-10-,第三节、GPS定位技术基础,一、技术特点：1、地面控制部分：美国提供的5个监控站、一个主控站、3个注入站，实时提供卫星广播星历、卫星钟改正等参数。为GPS实时定位提供必要条件。建立卫星定轨网、提供精密星历2、卫星部分：24颗卫星、高度在20200公里。可以精密定轨，可以全天候导航与测量。,-11-,3、不同精度的距离测量,载波L1：波长19.02厘米,测量精度可以达到2毫米.载波L2：波长24.42厘米,测量精度可以达到2.42毫米.D码提供卫星星历和时钟改正参数。P码、C/A码伪距测量使得卫星到GPS接收机天线相位中心的距离测量精度在1米和10米以内.这就使得GPS定位技术广泛用于导航和测量中。,CA码,P1,P2,GPS接收机,GPS卫星,-12-,二、单机伪距定位：,观测值：CA码伪距卫星坐标和卫星钟改正数由卫星导航电文求得。系统误差的消除：电离层和对流层折射改正由模型求得。未知数为接收机天线相位中心坐标和接收机钟改正数（X，Y，Z，Cv）非随机量。,-13-,计算方法：,观测方程=C*(T-T1)=+-cV卫星+cV接收机_=(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2误差方程：至少观测4颗卫星,设:X=X0+X，Y=Y0+Y，Z=Z0+Z将在近似坐标(X0，Y0，Z0)上用泰勒级数展开:v=aX+bY+cZ+cV接收机+0;V=AX-f用最小二乘原理VTPV=Min：列出法方程：NX=Apf,X=N-1Apf；X=（X，Y，Z，cV）X=X0+X，Y=Y0+Y，Z=Z0+Z求出用户：导航坐标(X,Y,Z)或(B,L,H)接收机钟差：Cv,-14-,应用1、由于C/A码伪距测量精度、系统误差的模型改正残差等影响定位精度20米左右。2、主要应用于各种载体的米级导航。1）渔民导航，船舶导航2）飞机起飞或着陆导航3）找测量点或其它特征点概略位置4）装入通讯手机、手表等提供位置信息5）用于急救火灾或病人6）城市交通监测、车辆管理和调度。,-15-,三、载波相位相对定位技术,(XYZ),基线矢量,D1(X1,Y1,Z1),D2(X2,Y2,Z2),+,=,-16-,1、载波相位相对定位技术提出,L1载波波长：19.02cmL2载波波长：24.42cm测量精度为2mm左右。残余系统误差对同一时刻两台GPS接收机到两颗卫星距离观测值的相关性强。采用载波相位相对差分定位。,-17-,2、双频两个载波（L1，L2）观测值间的线性组合,常用的线性组合,合成新的单频载波宽巷（Widelane）观测值：1和2之差：=n1+m2=1-2；（n=1，m=-1）频率f=f1-f2=347.82MHZ;波长=c/f=86.19cm;模糊度N=N1-N2*利于求解模糊度,测量噪声大.,-18-,2、双频两个载波（L1，L2）观测值间的线性组合,窄巷（Narrowlane）观测值：1和2之和：=n1+m2=1+2；（n=1，m=1）频率f=f1+f2=2803.02MHZ;波长=c/f=10.70cm;模糊度N=N1+N2*不利于求解模糊度,测量噪声小无电离层折射的观测量:c=1.f12/(f12-f22)-2.f1.f2/(f12-f22)=2.545731-1.98368.2c2=(+)/2*消除电离层折射,但无整数解.,-19-,3、用接收机间或卫星间差分法消除误差,(1)在接收机间求一次差分消除卫星钟差的影响；消弱卫星星历误差的影响；大大消弱对流层折射和电离层折射的影响,-20-,3、用接收机间或卫星间差分法消除误差,(2)在接收机间和卫星间求二次差分消除一次差中误差外；还消除接收机钟差的影响(3)在接收机间、卫星和历元间求三次差分：消除二次差分中误差外，消除整周未知数；用于求基线矢量初次解。,-21-,第二部分、实习1：GPS静态测量及数据处理,-22-,概述,一、GPS静态测量概念在进行GPS定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等；接收机测得卫星发送的伪距、载波相位等信号观测值；再将观测值下载到计算机中处理；一般要通过基线处理、网平差、坐标转换和高程转换求出高精度的网点坐标。在测量中，静态定位测量方式一般用于高精度的测量定位：如主要用于各种等级的大地测量跟踪网、基准网、工程控制网、变形监测网等的测量。二、GPS静态测量主要由三个过程来完成1）测前工作；2）实施测量；3）数据处理,-23-,第一节、测前工作,一、项目的提出：一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：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,-24-,二、一个完整的技术设计，主要应包含如下内容,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,-25-,二、技术设计,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、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。,-26-,三、测绘资料的搜集与整理：需要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。四、仪器的检验各种仪器包括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。五、踏勘、选点埋石：综合应用地形图、遥感图、摄影图和有关点之记进行选点、埋石工作。,-27-,第二节、测量实施,一、实地了解测区情况点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。二、卫星状况预报：需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。三、确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的布网和作业方案。,-28-,一）选点,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1015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。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,-29-,二）布网,（一）GPS基线向量网的等级：依据国家测量规范、各行业测量规范、任务要求来定等级。以下用国家GPS测量规范为例说明GPS网等级的分类情况。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。下图是我国全球定位系统测量规范中有关GPS网等级的有关内容。,-30-,二）布网,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。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。,-31-,（二）GPS基线向量网的布网形式,GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式（枢纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式1、跟踪站式：1）、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，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。2）、特点：由于在采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时，接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。,-32-,2、会战式,1）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，所有接收机在若干天的时间里分别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进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。2）特点采用会战式布网形式所布设的GPS网，因为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SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。,-33-,3、多基准站式,1）布网形式：所谓多基准站式的布网形式就是有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。2）特点：采用多基准站式的布网形式所布设的GPS网，由于在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。,-34-,4、同步图形扩展式,1）布网形式：同步图形扩展式就是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，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。2）特点：同步图形扩展式的布网形式具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式，在本书中将着重介绍此种布网形式。3）采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种式：点连式、边连式、网连式、混连式。,-35-,（1）点连式,观测作业方式所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测观测了个时段后，就可以测得个点。特点优点：作业效率高，图形扩展迅速；缺点：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。,-36-,（2）边连式,观测作业方式：所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测观测了个时段后，就可以测得个点。特点：边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。,-37-,（3）网连式,观测作业方式所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测了个时段后，就可以测得个点。特点采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。,-38-,（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。,-39-,5、单基准站式,1）布网形式：又称作星形网方式，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。2）特点效率很高故图形强度很弱需要每个测站至少观测两次。,-40-,四）GPS网的设计准则,出发点：保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地最求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。（一）提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独立基线数):在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有宜的。,-41-,（一）提高GPS网可靠性的方法,保证一定的重复设站次数:保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条：在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。,-42-,（二）提高GPS网精度的方法,为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对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。为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；精心制定一个子区和子环路的实测方案。在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应竟可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。,-43-,（三）布设GPS网时起算点的选取与分布,若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选35个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围。要避免所有的起算点分布在网中一侧的情况。,-44-,四、外业观测,一）制定测量安排表：内容包括：同步环测量起止时间、搬站时间、每一个同步环里各接收机所在观测点。车辆、司机的安排和调度等。举例如下：,-45-,二）接收机操作,1、一体化Locus单频接收机仪器GPS设备（GPS天线、主机、电池盒电池）天线基座连接器、天线基座、角架。2、在测站上测量操作开机到测站后，先连接基座和角架，对中整平。再将一体化GPS与连接器和基座相连。确认对中整平，各线连接好后，量天线斜高上到天线高测量板槽口处，下到测站中心，天线半径为0.10米。,-46-,二）接收机操作,按兰色开关，开机，指示灯（卫星数、电源、磁盘记录、等待警报）一起显示红色，再统一变为绿色，并发出“嘀嘀”声音表示已经正常开机，放开开关。卫星数指示灯闪烁次数表示观测卫星个数，卫星个数4，正常记录开始。在笔记本上记录：点名、天线高、观测时段、卫星个数。,-47-,(二）关机,如果到了关机时间1）检查对中整平，再量天线高，记录检查卫量个数。2）按住开关大于3秒，直到无指示灯闪烁。3）再拆下一体化GPS，搬站。,-48-,3、分体仪器Step-1单频接收机介绍,1）组成GPS主机；条形电池；充电器；GPS天线；天线基座连接器；天线基座；角架；多功能线；电源线；天线电缆等。2）开机到测站后，先连接基座和角架，对中整平。再将GPS天线、天线连接器和基座相连。,-49-,3、分体仪器Step-1单频接收机介绍,将GPS天线和GPS接收机用天线电缆相连。将多功能线和电源线、GPS主机相连。确认对中整平，各线连接好后，量天线斜高上到天线槽口上沿，下到测站中心，天线半径为0.08米。按黑色开关，开机，指示灯间隔显示，红色表示电源正常，两次红灯闪烁之间绿灯闪烁次数表示观测卫星个数，卫星个数4，正常记录开始。在笔记本上记录：点名、天线高、观测时段、卫星个数。3）关机（如果到了关机时间）检查对中整平，再量天线高，记录检查卫量个数。按住开关大于3秒，直到无指示灯闪烁。再拆天线、基座、电源，搬站。,-50-,第三节、数据处理,静态相对测量数据处理基本步骤：粗加工、预处理、基线解算、GPS网与地面网的联合网平差处理、坐标转换和高程转换。一、粗加工（人工）1、原始观测数据的下装：在进行基线解算之前，首先需要从接收机上下装原始的GPS观测值数据：至少应当有：1）观测值文件；2）星历参数文件；有些接收机还另外列出了：测站信息文件、电离层参数和UTC参数文件。2、外业输入数据的检查与修改：在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。,-51-,三、基线向量的解算,1、设定基线解算的控制参数（人工）基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。（1）卫星高度角的选择：一般取15度（2）处理数据类型选择处理L1单频数据：15公里之内的短边或单频接收机采用。处理L1-L2：宽相数据：双频接收机采用处理L1+L2：窄相数据：双频接收机采用处理L1/L2消去电离层影响的载波相位：双频接收机采用,-52-,1、设定基线解算的控制参数（续）,（3）观测值粗差排除限制参数:v3RMS（4）收敛标准：三差分为0.01米,双差分为0.0001米。（5）最多迭代次数：缺省值是10（6）模糊度固定原则：3：次最小/最小3，不能小于1.5（7）参考精度：计算误差/估计误差10，不能大于20（8）RMS：单频0.03米,不能大于0.04米,双频0.02米，不能大于0.03米,-53-,2、基线质量分析和检验,基线的质量检验需要通过如下分析检验,才能进行网平差1)每一条基线的检验模糊度的可靠指标Ratio：短边绝对值3，或相对值为95%；长边应降低要求。基线实际误差与估计误差的比值：越小越好4后，电台发射指示灯闪烁，基准站设置完成。,-70-,二、流动站GPS的设置及定位过程,建立项目和坐标系统管理、流动站电台频率选择、有关坐标的输入、GPSRTK工作方式的选择、流动站RTK工作启动、使用RTK流动站测量地形点等。一）建立项目和坐标系统管理：1、建立工作项目的名称、单位的选择等。2、坐标系统管理：参考椭球的选择、椭球参数的输入。投影方式合度带选择或建立。大地水准面资料的选择。平面转换参数的输入高程转换参数的输入等3、从带有绘图软件的PC计算机中将存有各种图形要素代码的属性库文件传入电子手簿。,-71-,二、流动站GPS的设置及定位过程（续）,二）流动站电台频率的选择三）有关坐标输入也可以在电子手簿中输入工区中其它控制点的坐标，以供求解坐标转换参数或作为地形测量过程中的检察点使用。四）GPSRTK工作方式的选择用电子手簿选择GPS工作方式为GPSRTK作业方式。,-72-,二、流动站GPS的设置及定位过程（续）,五）流动站GPSRTK工作启动及定位原理以上设置完成后，可以启动GPSRTK流动站进行实时载波相位差分定位。具体计算定位原理如下：1、观测量：基准站和流动站之间的差分载波相位等随机观测量2、未知参数：随机的动态点坐标、非随机的载波相位整周未知数。3、使用最小二乘的平差计算方法将双差分观测方程按台劳基数分元展开：V=A1X1+A2X2f其中X1=（dX，dY，dZ）为基线矢量,X2=（Nij）为载波相位的整周模糊度按最小二乘原则：VTPV=Min用消元法先消去X1,求出X2模糊度,-73-,五）流动站GPSRTK工作启动及定位原理,3、使用最小二乘的平差计算方法（续）(1)如果不将模糊度整数化，带入法方程求出X1X1=（dX，dY，dZ），此解称为浮点解。精度：分米的水平(2)如果将模糊度整数化，带入法方程求出X1X1=（dX，dY，dZ），此解称为固定解。精度：为厘米级。设（X0，Y0，Z0）为基准站的一致坐标:流动站坐标：Xi=X0+dX，Yi=Y0+dY，Zi=Z0+dZ通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。,-74-,五）流动站GPSRTK工作启动及定位原理,、精度评定GPSRTK定位的数据处理过程属于计算基准站和流动站之间基线向量，无网平差处理。精度评定跟静态测量基线处理的精度评定相似；指标：载波相位的整周模糊度是否固定：GPSRTK测量规范规定流动站距离基准站的距离不能超过15公里；是因为在15公里之内RTK数据处理的载波相位的整周模糊度能够得到固定解；这样定位精度才能达到厘米级。均方根RMS（RootMeanSquare）：RMS在这里表示RTK定位点的观测值精度，它是包括大约70%的定位数据的误差圆的半径。RTK测量中一般用距离单位(米)表示RMS。一般使用平面和高程两种均方根：（1）平面均方根HRMS：表示平面坐标的定位精度。（2）高程均方根VRMS：表示高程坐标的定位精度。,-75-,六）使用RTK流动站测量地形点,地形点的测量一般有两种方式1、连续测量地形点一般用于测量等高线点、或测量连续的曲线点的点坐标；这些测点图形属性一样。测量时设置测点的精度要求限差；设置测点按时间间隔或距离间隔测量时的间隔时间或距离间隔。输入起点点号、图形属性开始测量；等到观测精度满足精度限差时，电子手簿按时间间隔或距离间隔记录坐标数据和测点图形属性。,-76-,六）使用RTK流动站测量地形点,2、非连续地形点测量一般用于图行属性不同、精度要求不同、无法连续测量的测点；测量时，一般设置测点的精度要求限差、观测时间、记录测量坐标的次数（用于平均计算最终坐标）；开始测量，等到测量次数满足时，将平均计算的最终坐标和精度及图形属性记录在电子手簿中。采用以上两种方式可以完成所有地形点的测量工作。,-77-,第二章、GPSRTK地形测量操作,-78-,第一节、GPSRTK测量系统组成,为了能够快速、准确的求解整周模糊度，选择双频GPS接收机比较理想。GPSRTK系统的基本组成包括至少一套基准站和至少一套流动站。下面介绍一套基准站和一套流动站的组成：一、一套GPSRTK基准站组成GPSRTK基准站接收机及GPS天线基准站电台及电台天线：基准站一般使用功率较大的外接电台,-79-,一、一套GPSRTK基准站组成（续）,电子手簿基准站的设置一般使用电子手簿（手持计算机）来操作。基准站设置次数少，一般一个基准站在一个基准点上设置一次，连续工作一整天；所以没有必要为基准站配置专用电子手簿，而是使用流动站电子手簿首先设置基准站，再用于操作流动站。,-80-,二、一套GPSRTK流动站组成,GPSRTK流动站接收机及GPS天线流动站电台及电台天线：流动站一般使用功率较小的电台，当只用于接收信号时功耗小于一瓦，所以一般称为0瓦接收电台。可以内置。电子手簿（手持计算机）：流动站的工作几乎全部使用电子手簿（手持计算机）来操作。,-81-,第二节、GPSRTK电子手簿TSC1简介,GPSRTK测量工作操作主要集中在电子手簿上一、概述TCS1手持控制器操作界面和软件内容：打开TSC1电源后，进入TCS1软件系统：TSC1屏幕显示主屏幕菜单：主屏分为四个栏目显示状态和功能：,-82-,图标栏：显示软件功能模块，主要操作选择区。具体介绍如下列两个表：,-83-,二、RTK地形测量操作过程简介（TSC1操作过程）,主要操作内容有：建立新工作项目对工作项目进行配置设置RTK基准站设置RTK流动站地形点测量结束测量在TSC1电子手簿中阅读测量数据,-84-,第三节、建立、配置一个新工作项目,使用TSC1电子手簿建立工作项目可以在测量之前，用TSC1独立建立，也可以随时随地的在测量过程中建立。一、建立工作项目过程如下1.打开TSC1数据采集器电源开关.2.在主菜单屏幕上选择文件.3.选择工作项目管理并按是键.4.输入工作项目名称，按回车键认可；,-85-,一、建立工作项目过程（续）,5.这时屏幕显示选择坐标系统1）选择以下操作中的一项从列表中选择一套坐标系统：选择从库中选择，并从列表中选择坐标系统，在大地水准面模型处选择否。列表中一般给出的坐标系统没有中国坐标系统资料；所以只用中国用户使用WGS84坐标系统时，才从列表中选择坐标系统。键入坐标系统基准参数、转换参数和投影参数：选择键入参数，然后选择转换参数，a输入详细参数，按回车键。然后选择投影输入详细参数，按回车键认可。,-86-,一、建立工作项目过程（续）,从资料库中的其它工作项目中拷贝一套坐标系统：选择从其它工作项目中拷贝并选择从中拷贝的工作项目名称。选择无投影和无转换：.选择无投影/无转换。这个方式一般用于用户不知道坐标基准参数、转换参数，或在工地上现用点校正的方法求转换参数。2）设置坐标为地面大地坐标，在参考高程（输入数值；在点校正之后使用地面坐标。也可以在坐标选择格网坐标；,-87-,一、建立工作项目过程（续）,3）设置使用大地水准面模型Usegeoidmodel）为是，并选择一种大地水准面模型在测量中使用，或在点校正中用倾斜大地水准平面来求出校正大地水准面模型的参数。6.选择了或键入了一个坐标系统之后，按是（OK）键确认建立工作项目。工作项目建立或选择完成。,-88-,二、配置工作项目,在主菜单上选择配置/工作项目一）设置系统单位：选择单位（Units）加亮设置区：例如：选择角度,并按，一系列角度格式显示出来要选择一种，用上下键加亮此处，按回车键选择。也可以用循环阅读其它各时。也可以改变其它区内容。选于坐标阅读的设置决定显示什么坐标；按回车键返回工作项目菜单。按回车键返回配置菜单。,-89-,二、配置工作项目,二）设置系统时间/日期1.在配置菜单选择控制器，再选择时间/日期（.2.加亮地方时间偏差，按键，输入地方时间与UTC/GMT的差值，并按回车。更新了地方时间和日期。3.再按回车键，接受设置，返回控制器菜单。注意：每当TSC1连接到GPS接收机开始测量时，GPS系统将会更新UTC时间。,-90-,第四节、GPSRTK基准站设置,GPSRTK系统的工作，首先要架立基准站系统并进行设置。Trimble5700GPS接收机使用TSC1数据采集器（电子手簿）来操作，操作过程一致。以下介绍使用Trimble5700接收机作为基准站的安装，统一使用TSC1设置。一、架立基准站系统基准站应该选在一个上空开阔、无遮挡的点上，如山头或楼顶上，能够看到周围沿地平线高度角13度以上的全部天空。基准站的坐标应精确，如果已知点的WGS-84坐标有10米误差，RTK基线将会产生1ppm的误差。,-91-,一、安装基准站系统,使用5700作为基准站时，安装：使用三角架、带有光学对中器和整平水泡的基座在点位上对中整平，安装GPS天线，连接5700GPS，量测天线高度并记录。将TSC1电子控制器连接到GPS接收机；不要打开电源开关。将外接电台的天线和延长杆安装在比较高的固定位置（如三角架上），连接电台天线和电台，连接电台和GPS接收机，连接电台电源。检查各项连接无误时，打开电台电源开关；如果有面板设置时，可以选择通讯频道和频率。,-92-,二、启动基准站接收机,打开TCS1手持控制器电源，TCS1软件启动的同时也打开了接收机电源。接收机信息和卫星信息显示在TSC1屏幕的状态栏（如前面TSC1主屏显示）。进一步了解接收卫星状况，可进入主屏中仪器设备.,-93-,四、设置基准站,一）建立/打开、配置工作项目：如果工作之前没有建立工作项目，可以在现场建立。二）启动基准站测量在TSC1主菜单选择测量，出现选择测量类型菜单：选择TrimbleRTK：选择启动基准站（Startbasereceiver），然后按以下操作：因为首次使用新测量形式，有可能要求选使用天线类型选择电台类型，从列表中选择一种。按键测量/启动基准站屏幕出现：,-94-,四、设置基准站（续）,4.选择点名（Pointname）按键，输入基准站所在的已知点点名：作如下工作之一：当数据文件中没有已知点资料时，而用户有基准站已知坐标时，选择键入：输入已知点坐标。回车储存。当基准站置于未知点上时，本地（HERE）GPS单点定位的坐标显示出来，按回车储存。5.选择天线高（Antennaheight）输入基准站GPS天线高，确认测量到（Meas.To）一栏的数据正确性。6确认电台天线连接在电台上，然后按开始(START)，显示如下信息：基准站开始工作，将TSC1从接收机上分离。7.将TSC1从接收机上分离，但是分离过程中不能关掉TSC1电源。基准站设置、启动完成。,-95-,第五节、GPSRTK流动站设置,流动站Trimble5700GPS接收机完全使用TSC1数据采集器（电子手簿）来操作。一、安装RTK流动站系统：,-96-,二、启动RTK流动站,1、从TSC1主菜单选择测量（Survey）,出现选择测量类型菜单（SelectSurveyStyle）.2、建立或选择RTK测量形式：选择RTK测量类型名，按键选择。测量（Survey）菜单。3、选择开始测量（Startsurvey）1）因为首次使用新测量形式，屏幕有可能提示您选择使用的天线类型；2）屏幕有可能提示您选择电台类型，从列表中选择一种。,-97-,二、启动RTK流动站,4、初始化所有的RTK测量必须经过初始化获得厘米级精度，在已知点上初始化的时间较短，用OTF（运动中初始化）时间较长。用(OTF)初始化时，初始化工作自动完成的。在运动中等待初始化完成：RTK=固定，可进行测量工作。在已知点上初始化(不使用OTF)将流动站天线测杆放在一个已知点上从测量菜单选择初始化.在方式（Method）中选择已知点初始化，按回车。在点名中输入数据库中存入坐标的点名；或者，在点明处按“不”,在已知点列中选择已知点。,-98-,二、启动RTK流动站,4、初始化（续）输入天线高.当天线对中点位，安放垂直后，按“测量（Measure）”；按回车键。数据采集器纪录数据，数据纪录过程中，保持测杆垂直。当初始化完成时，屏幕出现“完成（OK）”，回车接受初始化如果.初始化不成功，结果显示在屏幕上，提问是否继续初始化；可以选择“是（Yes）”或“否（No）”。RTK流动站启动完成；可以进行RTK测量或放样。,-99-,第六节、GPSRTK测量地形,GPSRTK流动站初始化完成后，进入测量，就可以进行测量。测量一般有两种形式：1、独立特征点测量2、连续采集地形点一、特征点测量：1、将流动站天线测杆放在一个待测点上；如果点上空有障碍物时，测量精度受影响。（如：山、树）。2、从TSC1主菜单选择测量菜单.3、在测量类型中选择RTK测量形式。4、在测量菜单选择测量点。,-100-,一、特征点测量（续）,5、在点属性类型（Type）中输入地形点，在点名一栏输入数字点名，要素代码,和天线高，注意天线高类型正确。6、按”选项（Options）”：将自动结束测量点（Autoendpoint）设置为“否(No)”。这样可以手工存储点。按测量任务的精度要求改变精度设置、记录次数设置等。7、当天线对中点位，安放垂直后，等待初始化完成显示RTK=固定。按“测量（Measure）”；按回车键。数据采集器纪录数据，静态图标显示，数据纪录过程中，保持测杆垂直。,-101-,一、特征点测量（续）,8、TSC1控制软件为每一种类型的测点预设了测量次数，测量次数与跟踪的卫星个数、几何精度、和精度要求有关；当预设次数测完，”记录(Store)”命令显示时，检查以下精度：如果精度满意，按”记录(Store)”键纪录。如果精度不满意，等待精度提高，或选择“退出（Esc）”,出现“是否放弃？”提问，选择“是（Yes）”。9、将测杆一到另一个点上，继续测量，直到按需要测完待测点；结束测量。,-102-,二、连续采集地形点,将流动站天线测杆放在一个待测点上；如果点上空有障碍物时，测量精度受影响。从TSC1主菜单选择测量菜单.在测量类型中选择RTK测量形式。在测量菜单选择连续地形测量（ContinuousTopo.）在点属性类型中输入地形点，在点名一栏输入数字点名，要素代码,和天线高，注意天线高类型正确。,-103-,二、连续采集地形点（续）,按”选项（Options）”：将自动结束测量点（Autoendpoint）设置为“是(Yes)”。这样可以自动存储点。按测量任务的精度要求改变精度设置、记录次数设置等。设置按时间纪录的时间间隔，或按距离间隔纪录的距离间隔。当天线对中点位，安放垂直后，等待初始化完成时显示：RTK=固定。按“测量”；按回车键。数据采集器自动纪录存储数据，测量一个点后，TSC1发出清脆的声音，点名自动累加。测量员可以按连续地形方向不断运动，TSC1自动测量和记录。连续动态图标显示，测量过程中，保持GPS天线杆垂直。,-104-,二、连续采集地形点（续）,如果TSC1发出低沉的声音，提示精度低时，检查：一般情况是卫星个数少，周围环境有障碍物。则等待精度提高，自动纪录。或，移到环境较好的位置，初始化完成后，再回来测量。或放弃此处测量。按“选项”适当调整自动纪录精度要求等。连续沿测量地形边走边测，直到按需要测完待测点；结束测量。,-105-,二、连续采集地形点（续）,结束测量当完成了所有测量或放样任务后，可以结束测量。操作如下：在测量菜单,选择结束测量.按是（Yes）确认结束命令。TSC1软件问是否要求关电源？再按是（Yes）一次。注意：拆卸电缆以前，应关掉TSC1电源。.回到基准站，将TSC1电子手簿连接到接收机，在测量（Survey）菜单,选择结束测量（Endsurvey）.按是（Yes）确认结束命令。TSC1软件问是否要求关电源？再按是（Yes）一次。,-106-,第四部分、实习3：GPSRTK工程设计和放样,-107-,第一章、工程设计,-108-,第一节、GPS工程设计概述,工程建设的基本过程为：工程设计、工程放样和工程施工三个过程。一、工程设计概念设计的工程一般由：点、线、面、体组成。但在放样过程中一般具体放样到点上，以点代线、以点代面、以点代体。这些能够代表工程的点称作工程特征点或要素点。根据要素点的用途不同又分为计算要素点和放样要素点。所以工程设计的主要内容就是设计这些要素点的坐标或递推要素点坐标的具体过程（具体模型）。例如GPSRTK道路放样要素点为：中线上每隔一定导距中线点坐标或推算算法、边线上每隔一定导距边线点坐标或推算算法。纵断面的上中线点、边线点的高称或设计高程推算算法等。,-109-,二、GPSRTK工程设计的方式,随着GPS技术和应用的发展，配套的工程设计软件也越来越完善；用于设计和指导放样的电子手簿的计算速度和内存都已经有了很大的发展。所以工程设计的方式很全面：定义点：一般用于定义点的绝对坐标，适用情况如下：点数比较少而无法用规则的模型推算坐标的工程设计。用其它软件设计的要素点。设计线的起点或终点坐标等。定义直线：适用于设计直线工程。定义圆弧线：适用于设计圆弧线工程。定义分界限、边界线。定义一条道路。定义一个模板输入注解,-110-,三、工程放样,工程放样就是GPSRTK系统实时的定位并计算所在位置与设计点的距离、设计点的方位，指导放样人员到达设计点的地面位置，测量该点的三维坐标，计算与设计坐标的差异。,-111-,第二节、TSC1按点设计工程,按点设计的基本步骤为：一、在TSC1主菜单下选择键入（Keyin）/点（Points）二、输入点名和代码三、选择点位坐标输入方法（Method）：1、键入坐标：用选项（Option）选择坐标类型，输入坐标，确认。2、用方位和距离交会从两个已知点中其中一个到设计点的距离，另一个到设计点的方位来交会出设计点坐标。,-112-,3、用方位和方位交会：从两个已知点中每一个到设计点的方位交会出设计点坐标。选择方位和方位交会时,输入第一个点名Point1(1)，输入方位角(2),第二个点名Point2(3),和方位角（4）。,-113-,4、用距离和距离交会：从两个已知点中每一个到设计点的距离交会出设计点坐标。选择方位和方位交会时,输入第一个点名Point1(1)，输入距离(2),第二个点名Point2(3),和距离（4）。,-114-,第三节、TSC1按直线设计工程,按点设计的基本步骤为：一、在TSC1主菜单下选择键入直线二、输入直线名和代码三、选择直线输入方法1、两个点：如果选择两个点的直线设计方法：分别输入起始点和结束点的数据（点名等）。2、从一个点的距离和方位设计直线：如果选择了从一个点的距离和方位设计直线，输入起点点名,方位角,直线长度.,-115-,四、.输入直线的纵断面倾斜度（Grade）：表示