GPS测量的技术设计与外业观测.ppt

28.05.2020,1,GPS测量的技术设计与外业观测,要点：介绍目前GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。,2,28.05.2020,学习目标,1.理解GPS网的联测设计中应注意的问题，野外选点埋石的选择与外业成果的记录，野外数据的检核、技术总结与上交资料2.掌握建立GPS网的技术依据和规范要求，GPS测量的精度分级，作业基本技术规定，GPS网的布网原则，卫星空间分布的几何图形强度设计。掌握GPS定位网的测设方案，最佳观测时段的选择,3,28.05.2020,主要内容,一.GPS测量的步骤及质量要求二.GPS测量的外业准备及技术设计三.GPS定位网的测设方案四.GPS接收机的选择五.外业观测,4,28.05.2020,GPS测量工作可分为：外业工作1.选点（即观测站址的选择）2.建立测站标志3.野外观测作业4.成果质量检核内业工作1.GPS测量的技术设计2.测后数据处理3.技术总结,5,28.05.2020,一GPS测量步骤及质量要求,1.GPS测量的工作步骤,测前工作,工程项目的提出测区位置及其范围提交成果的内容用途和精度等级点位分布及点的数量,6,28.05.2020,测量实施,实地了解测区情况卫星状况预报确定作业方案外业观测数据传输与转储基线处理与质量评估重复“确定作业方案”、“外业观测”、“数据传输转储”及“基线处理与质量评估”四步，直至完成所有GPS观测工作,一GPS测量步骤及质量要求,7,28.05.2020,测后工作,结果分析（网平差处理与质量评估）技术总结成果验收,一GPS测量步骤及质量要求,8,28.05.2020,2.GPS测量质量的评定,精度指标,：网中相邻点间的距离中误差(mm)；a：固定误差(mm)；b：比例误差(ppm)；D：相邻点间的距离(km)。,各等级GPS相邻点间弦长精度用下式表示,一GPS测量步骤及质量要求,9,28.05.2020,GPS网的等级,GBT18314-2009全球定位系统（GPS）测量规范,A、B、C、D、E五个等级,10,28.05.2020,二GPS测量的外业准备及技术设计,设计意义是进行GPS定位的最基本性工作设计依据国家有关规范（规程）GPS网的用途用户的要求设计内容对测量工作的网形、精度及基准等的具体设计。,11,28.05.2020,1.GPS定位网设计依据国家规范1、全球定位系统GPS测量规范（GBT18314-2009）（2009年国家质量技术监督局）2、全球定位系统GPS测量规范（1992年国家测绘局）行业规程1、全球定位系统城市测量技术规程（1997年国家建设部）2、公路全球定位系统GPS测量技术规范（1998年国家交通部）3、各部委制定的GPS测量规程和细则。测量任务书和测量合同目的、范围、精度、密度、时间、经费等。,二GPS测量的外业准备及技术设计,12,28.05.2020,2.GPS网的精度、密度设计,GPS网的精度设计主要取决于：网的用途,二GPS测量的外业准备及技术设计,13,28.05.2020,在国标中将GPS测量划分为5个等级，它们分别是A级、B级、C级、D级和E级。采用英文字母来表示GPS测量的等级可避免与国家大地测量中的、等相混淆。,精度标准,14,28.05.2020,各等级GPS测量的主要用途：A级主要用于建立国家一等大地控制网，用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨B级主要用于建立国家二等大地控制网，用于建立地方或城市坐标基准框架，区域性地球动力学研究，地壳形变测量，局部变形监测和精密工程测量等C级主要用于建立国家三等大地控制网，用于大中城市及工程测量的基本控制网D级主要用于建立国家四等大地控制网D、E级主要用于中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量,精度标准,15,28.05.2020,用于城市或工程的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照规程中的二、三、四等和一、二级,精度标准,16,28.05.2020,在实际工作中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设，或布设同级全面网。,精度标准,17,28.05.2020,各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。,密度标准,18,28.05.2020,对象对于国家特级(A级)基准点及大陆地球动力学研究监测所布设的GPS点用途主要用于提供国家级基准、精密定轨、星历计划及高精度形变信息点密度标准所以布设时平均距离可达数百公里,密度标准,GBT18314-2009全球定位系统（GPS）测量规范,19,28.05.2020,对象一般城市和工程测量所布设的GPS点用途主要满足测图加密和工程测量的需要点密度标准平均边长往往在几公里以内,密度标准,20,28.05.2020,密度标准,21,28.05.2020,什么是GPS网的基准设计？GPS测量获得的是GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标差，而实际我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。,3.GPS网的基准设计,在GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。我们将这项工作称之为GPS网的基准设计.,22,28.05.2020,方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定，同时也可由GPS基线向量的距离确定。GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。,GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。,3.GPS网的基准设计,23,28.05.2020,GPS网的基准设计，一般主要是指确定网的位置基准问题。一般在GPS网中至少要重合观测三个以上的地面控制点作为约束点。,3.GPS网的基准设计,24,28.05.2020,在基准设计时，应充分考虑以下几个问题：,1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，用以坐标转换。2为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。,25,28.05.2020,3GPS网经平差计算后，可以得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高，为求得GPS点的正常高，可据具体情况联测高程点，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。GPS点高程在经过精度分析后可供测图或其它方面使用。,26,28.05.2020,4新建GPS网坐标系应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般还应该了解以下参数：所采用的参考椭球；坐标系的中央子午线经度；纵横坐标加常数；坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；起算点的坐标值。,27,28.05.2020,GPS测量的仪器和方法与常规测量的仪器和方法显著不同，所以反映其技术规格的主要指标亦不相同。为此先介绍一下有关技术指标的概念。,测量作业基本技术规定,二GPS测量的外业准备及技术设计,28,28.05.2020,各级GPS测量作业的基本技术规定,29,28.05.2020,GPS控制网的布设，包括技术设计、踏勘选点、埋设标石三个工作环节。其中技术设计是GPS测量中外业准备阶段的重要内容，它是优质低耗完成GPS作业的依据和条件。,二GPS测量的外业准备及技术设计,30,28.05.2020,GPS外业准备工作测区踏勘资料收集器材筹备观测计划拟定GPS仪器检校设计书编写,二GPS测量的外业准备及技术设计,31,28.05.2020,拟定外业观测计划,主要内容：编制GPS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PDOP6）选择最佳的观测时段观测区域的设计与划分编排作业调度表,32,28.05.2020,技术设计书编写,内容如下：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,33,28.05.2020,（1）观测时段从测站上开始接收卫星信号起至停止观测间的连续工作时间段，简称时段。其持续的时间称为时段长度。时段是GPS测量中的基本单位。不同等级的GPS测量对时段数及时段长度均有不同的要求,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,34,28.05.2020,（2）同步观测两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测。,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,35,28.05.2020,（3）同步观测环三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称同步环。,A,B,C,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,36,28.05.2020,（4）独立观测环由非同步观测（独立观测）获得的基线所构成的闭合环。,A,C,B,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,37,28.05.2020,（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，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。,A,C,B,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,38,28.05.2020,（6）独立基线对于N台GPS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N1。,若一组基线向量中的任何一条基线向量皆无法用该组中其他基线向量的线性组合来表示，则该组基线向量就是一组独立的基线向量。,独立基线向量,A,C,B,A,C,B,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,39,28.05.2020,（7）非独立基线除独立基线外的其它基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。,几个基本概念,二GPS测量的外业准备及技术设计,40,28.05.2020,应用GPS定位技术建立测量控制网，几乎毫无例外地均采用相对定位方法。相对定位的两点间构成独立观测边，也称基线。显然，独立观测边配置和布设的结果就形成了GPS网的几何图形，它是由投入作业的接收机台数、观测路线和基线连接形式所决定的，我们将它们称为GPS测量控制网的测设方案。,三GPS定位网测设方案,41,28.05.2020,静态相对定位快速静态相对定位准动态相对定位动态相对定位,RTK模式,三GPS定位网测设方案,42,28.05.2020,1.静态相对定位(1)作业方法(2)精度(3)适用范围(4)注意事项,一、两台接收机相对定位的测设方案,三GPS定位网测设方案,43,28.05.2020,三GPS定位网测设方案,44,28.05.2020,作业方法：采用两台(或两台以上)接收设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2小时或更多。精度：基线的相对定位精度可达5mm+1ppmD，D为基线长度(km)。,静态相对定位,45,28.05.2020,适用范围：建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。注意事项：所有已观测基线应组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠度。并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。,静态相对定位,46,28.05.2020,2.快速静态定位(1)作业方法(2)精度(3)适用范围(4)注意事项,一、两台接收机相对定位的测设方案,三GPS定位网测设方案,47,28.05.2020,快速静态定位,三GPS定位网测设方案,48,28.05.2020,作业方法：在测区中部选择一个基准站，并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星;另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测数分钟。精度：流动站相对于基准站的基线中误差为5mm+1ppmD，D为基线长度(km)。,快速静态定位,三GPS定位网测设方案,49,28.05.2020,适用范围：控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量、大批相距百米左右的点位定位。注意事项：在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km;流动站上的接收机在转移时，不必保持对所测卫星连续跟踪，可关闭电源以降低能耗。,快速静态定位,三GPS定位网测设方案,50,28.05.2020,优点：作业速度快、精度高、能耗低;缺点：二台接收机工作时，构不成闭合图形，可靠性较差。,快速静态定位,三GPS定位网测设方案,51,28.05.2020,3.准动态定位(1)作业方法(2)精度(3)适用范围(4)注意事项,一、两台接收机相对定位的测设方案,三GPS定位网测设方案,52,28.05.2020,作业方法：在测区选择一个基准点，安置接收机连续跟踪所有可见卫星;将另一台流动接收机先置于1号站观测;在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机分别在2,3,4各点观测数秒钟。,准动态定位,三GPS定位网测设方案,53,28.05.2020,精度：基线的中误差约为12cm应用范围开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等。,准动态定位,三GPS定位网测设方案,54,28.05.2020,注意事项：应确保在观测时段上有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点距离不超过20km;观测过程中流动接收机不能失锁，否则应在失锁的流动点上延长观测时间12min。,准动态定位,三GPS定位网测设方案,55,28.05.2020,4.往返式重复设站(1)作业方法(2)精度(3)适用范围(4)注意事项,一、两台接收机相对定位的测设方案,三GPS定位网测设方案,56,28.05.2020,作业方式：建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星;流动接收机依次到每点观测12min;1h后逆序返测各流动点12min。设站布置如图8-13所示。,往返式重复设站,三GPS定位网测设方案,57,28.05.2020,精度：相对于基准点的基线中误差为5mm+1ppmD。应用范围控制测量及控制网加密、取代导线测量及三角测量、工程测量及地籍测量等。,往返式重复设站,三GPS定位网测设方案,58,28.05.2020,注意事项流动点与基准点相距不超过20km;基准点上空开阔，能正常跟踪3颗及以上的卫星。,往返式重复设站,三GPS定位网测设方案,59,28.05.2020,5.动态定位(1)作业方法(2)精度(3)适用范围(4)注意事项,一、两台接收机相对定位的测设方案,三GPS定位网测设方案,60,28.05.2020,作业方法建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星(如图8-14所示);流动接收机先在出发点上静态观测数分钟;然后流动接收机从出发点开始连续运动;按指定的时间间隔自动测定运动载体的实时位置。,动态定位,三GPS定位网测设方案,61,28.05.2020,精度相对于基准点的瞬时点位精度12cm。应用范围精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。注意事项需同步观测5颗卫星，其中至少4颗卫星要连续跟踪;流动点与基准点相距不超过20km。,动态定位,三GPS定位网测设方案,62,28.05.2020,当投入作业的接收机数目多于二台时，就可以在同一时段内，几个测站上的接收机同步观测共视卫星。此时，由同步观测边所构成的几何图形，称为同步网，或称作同步环路。,二、多台接收机的同步网测设方案,三GPS定位网测设方案,63,28.05.2020,不过在S条基线中，只有m1条独立基线，其余基线均可由独立多台接收机的同步网测设方线推算而得，属于非独立基线。同一条基线，其直接解算结果与独立基线推算所得结果之差，就产生了所谓坐标闭合差条件，用它可评判同步网的观测质量。,二、多台接收机的同步网测设方案,三GPS定位网测设方案,64,28.05.2020,5台,m同步网的点数s网中同步基线总数独立基线数：m-1,3台,4台,二、多台接收机的同步网测设方案,三GPS定位网测设方案,65,28.05.2020,由多个同步网相互连接的GPS网，称作异步网。同步网之间的连接方式有以下三种。1点连式；2边连式；3混连式。在上述三种连接方案中：第1种工作量最小，但无重复基线检核；第2种工作量最大，检核条件亦最多；第3种比较灵活，工作量与检核条件比较适中。,三、多台接收机的异步网测设方案,三GPS定位网测设方案,66,28.05.2020,点连式异步网:同步网之间仅有一点相连接的异步网称为点连式异步网。,三、多台接收机的异步网测设方案,三GPS定位网测设方案,67,28.05.2020,边连式异步网:同步网之间由一条基线边相连接的异步网称为边连式异步网。,三、多台接收机的异步网测设方案,三GPS定位网测设方案,68,28.05.2020,混连式异步网:点连式与边连式的一种混合连接方式。,三、多台接收机的异步网测设方案,三GPS定位网测设方案,69,28.05.2020,在选择测设方案时，应从所具备的接收机数量和精度工作量大小卫星运行状态测区条件等方面进行权衡。,三GPS定位网测设方案,70,28.05.2020,1.单频接收机,Trimble4600,ASHTECH-Locus,一、接收机的类型选择,四GPS接收机的选择,71,28.05.2020,1.单频接收机只能接收经调制的L1信号主要用于基线较短（例如10km）的定位工作优点：价格便宜,一、接收机的类型选择,四GPS接收机的选择,72,28.05.2020,2.双频接收机,ASHTECHZ-X,Trimble5700,一、接收机的类型选择,四GPS接收机的选择,73,28.05.2020,2.双频接收机双频接收机可以同时接收L1和L2信号利用双频技术可以消除或减弱电离层折射对观测量的影响定位精度较高，基线长度不受限制作业效率较高,一、接收机的类型选择,四GPS接收机的选择,74,28.05.2020,（1）可靠性高，接收机本身产生的周跳、半周跳和1/4周跳极少；（2）耐用性强，平均无故障工作时间5000h；（3）精度高、单频机达到1cm+210-6D，双频机达到5mm+110-6D；（4）卫星跟踪性能良好不易失真；（5）多功能，既能用于静态、快速静态和动态测量，又能担任DGPS和GIS任务；（6）具有12通道，在海、陆、空应用时，都能跟踪全部可见卫星；,二、最佳GPS接收机具备的条件,四GPS接收机的选择,75,28.05.2020,（7）较低的C/A码测距噪声(10cm)和载波相位噪声(1mm)；（8）具有削弱多路径误差的功能；（9）较高的原始数据率（最好是20次/s），以便在高动态条件下应用；（10）较大的存储器（10Mb），以便用于动态测量；（11）体积小(2000cm3)，重量轻(2kg)，攻耗低(10W)；（12）工作温度在3070C之间，以便在炎热和酷寒地区均能,二、最佳GP