GPS控制网建网与数据处理实践ppt课件

1、LOGOGPS定位技术与方法定位技术与方法第九章第九章 控制网建网与控制网建网与数据处置实际数据处置实际土木工程学院土木工程学院丈量工程系丈量工程系西南交通大学GPSGPS丈量的实施丈量的实施前面引见了有关GPS定位的根本概念和原理，本章将引见目前GPS丈量实施的主要过程，作业的根本方法和原那么。由于GPS丈量任务的实施方法与用户的要求，和所用接纳系统硬件与软件的开展程度亲密相关，所以，关于GPS丈量任务的作业细节，用户还须按国家有关部门颁发的GPS丈量规范，以及所用GPS接纳系统的操作阐明书执行。 西南交通大学第第1节节 概概 述述v GPS丈量任务可分为外业作业和内业两大部分。其中，外业任

2、务主要包括，选点即观测站址的选择、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等任务；内业任务主要包括，GPS丈量的技术设计、测后数据处置以及技术总结等。v 假设按照GPS丈量实施的任务程序，那么大体可分为这样几个阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处置。西南交通大学 为了满足用户的要求，GPS丈量作业，应遵守一致的规范和细那么。但是，丈量任务的实施，与GPS定位技术的开展程度亲密相关，GPS接纳系统硬件与软件的不断改善，将直接影响丈量任务的实施方法、观测时间、作业的要求和成果处置方法。 这里我们将以这些规范为参考，主要引见一下有关GPS丈量作业的根本方法和原那么。 思索到，

3、以载波相位观丈量为根据的相对定位法，是当前GPS丈量中普遍采用的精细定位方法，所以，下面将主要引见实施这种高精度GPS丈量任务的根本程序与作业方式。概概 述述西南交通大学第2节 GPS网的优化设计v GPS网的优化设计，是实施GPS丈量任务的第一步，是一项根底性的任务，也是在网的准确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节。v 主要内容包括，精度目的的合理确定，网的图形设计和网的基准设计。 西南交通大学2.12.1精度规范确实定精度规范确实定v 对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度目的，通常均以网中相邻点之间的间隔误差来表示，其方式为 v v其中，网中相邻点间的间隔误差(mm)

4、；v a0与接纳设备有关的常量误差(mm);v b0比例误差(ppm或10-6)；v D相邻点间的间隔(km)。212020)(Dba西南交通大学丈量分级丈量分级常量误差常量误差a0(mm)比例误差比例误差b0(10-6)相邻点间隔相邻点间隔(km)ABCDE 5 8 10 10 10 0.1 1 5 10 20100200015250540215110GPS相对定位的精度目的相对定位的精度目的西南交通大学v 精度目的，是GPS网优化设计的一个重要量，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测方案、观测数据的处置方法以及作业的时间和经费。所以，在实践设计任务中，要根据用户的实践需求和能够，慎重

5、确定。GPS相对定位的精度目的相对定位的精度目的西南交通大学2.2 2.2 网的图形设计网的图形设计v 网的图形设计，虽然主要决议于用户的要求，但是有关经费、时间和人力的耗费以及所需接纳设备的类型、数量和后勤保证条件等，也都与网的图形设计有关。对此该当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下，尽量减少耗费。西南交通大学设计的普通原那么设计的普通原那么n GPS网普通应采用独立观测边构成闭合图形n 相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。n GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合n GPS网点应思索与水准点相重合n GPS网点普通设在视野开阔和交通便利的地方。n 为了便于用经典方法联测或扩展，可在

6、GPS网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测站的间隔，普通应大于300m。西南交通大学根本图形的选择根本图形的选择v 根据GPS丈量的不同用途，GPS网的独立观测边，应构成一定的几何图形。三角形网三角形网 环形网环形网西南交通大学 三角形网三角形网v GPS网中的三角形边由独立观测边组成。根据经典丈量的阅历知，这种图形的几何构造强，具有良好的自检才干，可以有效地发现观测成果的粗差，以保证网的可靠性。同时，经平差后网中的相邻点间基线向量的精度分布均匀。v 这种网形的主要缺陷是观测任务量较大，尤其当接纳机的数量较少时，将使观测任务的总时间大为延伸。因此通常只需当网的精度和可靠

7、性要求较高时，才单独采用这种图形。西南交通大学闭合环中基线边数的限值闭合环中基线边数的限值 表表3级级 别别一一二二三三闭合环中的边数闭合环中的边数 4 5 6 由假设干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。这种网形与经典丈量中的导线网类似，其图形的构造强度比三角网为差。不难了解，由于这时网的自检才干和可靠性，与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，根据网的不同精度要求，普通都规定闭合环中包含的基线边，不超越一定的数量。 三角形网三角形网西南交通大学 环形网的优点是观测任务量较小，且具有较好的自检性和可靠性，其缺陷主要是，非直接观测的基线边或间接边精度比直接观测边低，相邻点间的根本精

8、度分布不均匀。 作为环形网的特例，在实践任务中还可按照网的用途和实践情况，采用所谓附合线路。这种附合线与经典丈量中的附合导线相类似。采用这种图形的条件是，附合线路两端点间的知基线向量，必需具有较高的精度，另外，附合线路所包含的基线边数，也不能超越一定的限制。 三角形网和环形网，是大地丈量和精细工程丈量中普遍采用的两种根本图形。通常，根据情况往往采用上述两种图形的混合网形。 三角形网三角形网西南交通大学星形网星形网v星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，普通不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的才干差。v主要优点，是观测中通常只需求两台GPS接纳机，作业简单。v因此在快速静态定位和准动态定位

9、等快速作业方式中，大都采用这种网形，它被广泛地运用于工程放样、边境丈量、地籍丈量和碎部丈量等。 星形网星形网 西南交通大学独立基线向量的选择独立基线向量的选择v GPS控制网普通应由独立观测的基线向量构成。v 假设，在GPS丈量中，参与同步观测的仪器数为k1，那么每一观测时段可得基线向量(或称基线)数为v 其中包括的独立基线向量数为(k1-1)。其他均为非独立基线向量，可由独立基线向量导出，其数量为 。)1(21iikk)2)(1(21iikk西南交通大学v 然而，在ki-1ki/2同步观测的基线中，如何选择(ki-1)条独立基线，却具有一定的恣意性。例如，在上例中，3条独立基线的选择方式，可

10、有图-4所示多种方式。v 参与同步观测的仪器越多，选取独立基线向量的能够方式便迅速添加。这就为选用独立基线向量，以构成最正确的GPS网形，提供了充分的选择性。在实践任务中，可根据对GPS网的要求和阅历来确定。独立基线向量的选择独立基线向量的选择西南交通大学v 当具有多时段的观测成果时，独立基线向量的选取，普通应以构成闭合图形为优。例如，用4台仪器进展了2个时段的同步观测，这时可得6条独立基线向量，其选取的根本方式，可取以下五种。 独立基线向量的能够选取方式独立基线向量的能够选取方式西南交通大学独立基线向量的选取方式例如(两时段) 双时段观测的基线向量 单时段观测的基线向量 ( a ) ( b

11、) ( c ) ( d ) ( e ) v 图中选取方式e，在准确性与可靠性方面，均优于其他选取方式独立基线向量的能够选取方式独立基线向量的能够选取方式西南交通大学2.3 2.3 网的基准设计网的基准设计v网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是经过网的整体平差来实现的。在GPS网的优化设计中，该当根据网的用途，提出确定网的基准的方法和原那么。v在GPS网整体平差中，能够含有两类观丈量，即相对观丈量如基线向量和绝对观丈量如点在WGS-84中的坐标值。在仅含有相对观丈量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中作为相关观丈量的基线向量独一地确定；而网的位置基准，

12、那么决议于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在GPS网包含点的坐标观丈量的情况下，网的位置基准，将取决于这些网点的坐标值及其精度。vGPS网的基准设计是指确定网的位置基准问题。西南交通大学位置基准选取方法位置基准选取方法n选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；n网中的点均不固定，经过自在网伪逆平差或拟稳平差，确定网的位置基准；n在网中选假设干点的坐标值并加以固定；n选网中假设干点直至全部点的坐标值并给以适当的权。n前两种方法，对GPS网定位的约束条件最少，所以，通常称为最小约束法；而后两种方法，对平差计算那么存在假设干约束条件，其约束条件的多少，取决于在网中所选点的数量，这种方法，

13、通常称为约束法。西南交通大学v 约束平差法，在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，其影响程度，与约束条件的多少，及所取观测值的精度有关。当网中知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响。虽然从实际上说，在网的平差计算中，给一切的知位置以适当的权的比例关系，那么是一个需求慎重思索的问题。v 所以，普通只需对于一个大范围的GPS网，而且要求准确位置于WGS-84协议地球坐标系时，或者具有一组分布适宜的，高精度的知点时，为改善GPS网的定向和尺度，约束平差法才具有重要意义。在普通情况下，对于一些区域性的GPS网，如城市、矿山和工程GP

14、S网，其能否准确位于地心坐标系统，并不特别重要，因此，这时多采用最小约束平差法。而且，为了与经典地面网相结合，通常以采用固定一点的经典自在网平差法为宜。 位置基准选取方法位置基准选取方法西南交通大学第第3节节 选点与建立标志选点与建立标志 v3.1 3.1 选点任务选点任务v 选点，即观测站址的选择。选点，即观测站址的选择。v由于由于GPSGPS丈量观测站之间不要相互通视，而丈量观测站之间不要相互通视，而且网的图形选择也比较灵敏，所以选点任且网的图形选择也比较灵敏，所以选点任务，远较经典控制丈量的选点任务简便。务，远较经典控制丈量的选点任务简便。但由于点位的选择，对于保证观测任务的但由于点位的

15、选择，对于保证观测任务的顺利进展和可靠地坚持丈量结果，具有重顺利进展和可靠地坚持丈量结果，具有重要意义，所以，在选点任务开场之前，应要意义，所以，在选点任务开场之前，应充分搜集和了解有关测区的地理情况，以充分搜集和了解有关测区的地理情况，以及原有丈量标志点的分布及保管情况，以及原有丈量标志点的分布及保管情况，以便确定适宜的观测站位置。便确定适宜的观测站位置。 西南交通大学选点任务原那么选点任务原那么n 观测站即接纳天线安顿点应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以防止其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接纳机天线与其间隔，普通不得小于200m；n 观测站附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射或

16、吸收剧烈的物体，以减弱多途径效应的影响；n 观测站应设在易于安顿接纳设备的地方，且视场开阔。在视场内周围妨碍物的高度角，根据情况普通应小于1015；西南交通大学选点任务原那么选点任务原那么n观测站应选在交通方便的地方，并且便于用其它丈量手段联测和扩展；n对于基线较长的GPS网，还应思索观测站附近，应具有良好的通讯设备与电报、邮电和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电；n点位选定后包括方位点，均应按规定绘制点之记，其主要内容包括，点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。n选点任务终了后，应提交的技术资料主要包括：点之记及点的环顾图；GPS网选点图；选点任务技术总结。西南交通大学3.2

17、3.2 建立点位标志建立点位标志v 为了坚持点位，以便长期利用GPS丈量进展反复观测，GPS网点，普通应设置具有中心标志的标石，以准确标志点位。点的标石和标志必需稳定、巩固，以利长久保管和利用。尤其对于研讨地球动力学景象和工程变形。而建立的各种监测网，以及大范围的高精度GPS网，其网点的位置，必需可靠地加以标志。对于城市、矿山和工程丈量的区域性GPS网，其点位普通也须妥善地加以标志。西南交通大学类类 别别形形 式式适适 用用 级级 别别基岩标石基岩标石基岩天线墩基岩天线墩基岩标石基岩标石A根本标石根本标石普通根本标石普通根本标石土层天线墩土层天线墩岩层天线墩岩层天线墩冻土根本标石冻土根本标石沙

18、丘根本标石沙丘根本标石A或或B普通标石普通标石普通标石普通标石岩层标石岩层标石建筑物上标石建筑物上标石BE标石类型标石类型西南交通大学第第4节节 GPS丈量的观测任务丈量的观测任务v观测任务的内容主要包括：v观测方案的拟定v仪器的选择与检验v观测任务的实施等v其中， 有关仪器的检验，将在5节另行引见。西南交通大学4.1 观测方案的拟定观测方案的拟定观测任务，或数据采集，是GPS丈量的主要外业任务，所以，当观测任务开场之前，仔细地拟定观测方案，对于顺利地完成观测义务，保证丈量成果的精度，提高效益是极为重要的。拟定观测方案的根据是：GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参与作业的

19、GPS接纳机数量以及后勤保证条件运输、通讯等。观测方案的主要内容应包括：GPS卫星的可见性图及最正确观测时间的选择，采用的接纳机类型和数量，观测区的划分和观测任务的进程以及接纳机的高度方案等。西南交通大学1. 观测任务量的设计与计算观测任务量的设计与计算v外业观测的任务量，与用户的要求精度和采用的接纳机类型和数量，以及作业方式等要素有关。GPS网观测任务量的设计，除要思索观测任务的效率外，还必需保证网的精度和可靠性。v当参与作业的接纳机数为ki，那么每一时段可得观测基线向量数为v ki (ki-1)/2v其中包括独立观测向量数(ki-1)和多余观测向量数ki-1(ki-2)/2。v由于添加多余

20、观丈量，会提高网的可靠性，所以，作业中适当添加接纳机的数量，不仅会提高任务效率，同时也将明显地添加多余观丈量。西南交通大学GPS丈量的根本技术规定丈量的根本技术规定 级别级别工程工程ABCDE卫 星 高 度 角卫 星 高 度 角1 10 15 15 15 15观测时段数观测时段数 8 6 2 2 2时段长度时段长度(min) 180 120 90 60 60数据采样间隔数据采样间隔(s)15161560156015601560卫星观测值象卫星观测值象限分布限分布(255)%(2510)%(2520)%(2520)%25%(2520)%25%根本技术规定根本技术规定西南交通大学 假设，np为GP

21、S网的点数nT为相对定位的观测时段数，那么在采用边衔接方式推进时，所需观测时段的总数NT，可按下式估算： TiiptnkknN)21 (西南交通大学 2. 关于分区观测关于分区观测v 当GPS网的点数较多，而参与同步观测的接纳机数量有限时，网的观测任务需分区进展。当实行分区观测时，为了添加网的整体性，提高网的精度，相邻分区应设置公共点数，又会延缓丈量任务的进程，这在实践任务中，应根据网的用途慎重思索。普通公共点的数量不得少于3个。v 公共点数过少，将使网的整体性变差，影响网的精度。而添加公共点，又会延缓丈量任务的进程。西南交通大学关于卫星的可见性预告及观测时段的选择关于卫星的可见性预告及观测时

22、段的选择v 由于观测卫星的几何分布，对GPS定位的精度具有重要影响，所以，为了选择最正确的观测时段，拟定观测方案，应首先编制如GPS卫星数和PDOP变化图。编制可见性图所用 的 测 站 概 略 坐 标 ， 可 取 该 图 适 用 范 围300km内，各点概略坐标的平均值，而编制可见性图所用的概略星历，其龄期也不能过长，普通不应超越30天，超越时应重新观测一组新的概略星历。西南交通大学GPS 丈量方案丈量方案西南交通大学 在GPS丈量中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度可取空间位置精度度因子PDOP来表示。无论是绝对定位或相对定位。基值均不应超越一定的要求。相应表1所列的精度级别，PDO

23、P值应不超越限制。PDOP的限制级级 别别ABCDEPDOP 4 6 8 10 10西南交通大学 4. 观测进程及调度方案观测进程及调度方案v 最正确观测时间确定后，在观测任务开场之前，须拟定观测任务的进程表及接纳机的高度方案。尤其当GPS网规模较大，参与作业的仪器较多时，仔细地拟定和选择这些方案的优化方案，对于顺利地实现预定的观测义务极为重要。v 观测任务的进程方案，涉及到网的规模、精度要求、作业的接纳机数量和后勤保证条件等，在实践任务中，应根据最优化的原那么合理拟定。西南交通大学4.2 GPS丈量仪器设备的配置丈量仪器设备的配置 GPS接纳机是实施丈量任务的关键设备，其性能要求所需的接纳机

24、数量与GPS网的布设方案和要求的精度有关GPS接纳机的配置级级 别别ABCD、E单频单频/双频双频双频双频双频双频双频或单双频或单频频单频或双单频或双频频标称标称精度精度优于优于5mm+0.5ppm优于优于5mm+1ppm优于优于5mm+2ppm优于优于5mm+3ppm西南交通大学级级 别别ABCD、E观丈量观丈量载波相载波相位位载波相载波相位位载波相载波相位位载波载波相位相位同步观测接纳同步观测接纳机数机数 4 3 2 2 GPS接纳机的配置接纳机的配置 续表续表GPS丈量仪器设备的配置丈量仪器设备的配置西南交通大学 4.3 观测任务观测任务n天线安顿n观测作业n观测记录n观测数据的质量断定

25、等。西南交通大学第第5 节节 GPS接纳设备的检验接纳设备的检验v 5.1检验的主要内容检验的主要内容v普通检视普通检视v通电检验通电检验v试测检验试测检验v随机数据后处置软件的检测随机数据后处置软件的检测西南交通大学5.2 GPS接纳机的检验内容与方法接纳机的检验内容与方法n 接纳机内部噪声程度的检验接纳机内部噪声程度的检验n 零基线检验法零基线检验法n 超短基线检验法超短基线检验法n 天线相位中心稳定性的检验天线相位中心稳定性的检验n 旋转天线法旋转天线法n 相对定位法相对定位法西南交通大学关于关于GPS丈量系统的野外检定场丈量系统的野外检定场v 检定场的建立主要原那么：v 为了满足用户对

26、不同测程和不同检验内容的要求，检定场通常应由超短边5m10m，短边500km)构成。v 检定场不同长度的基线，应分别构成闭合图形如三角形或大地四边形，以便进展图形条件检验，提高检定的可靠性；v 检定场应位于地质构造巩固、稳定的地域，以利长期保管；v 检定场的点位选择，除应满足GPS丈量选点的普通要求外，尤应留意设在交通方便，通讯与电力供应条件良好，视野对空开阔的地域，以方便运用；西南交通大学第第6节节 GPS丈量的作业方式丈量的作业方式v所谓GPS丈量的作业方式，亦即利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。它与GPS接纳设备的软件和硬件亲密相关。同时，不同的作业方式，因作业

27、方法和观测时间的不同，而具有不同的运用范围。v较为普遍采用的作业方式，主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位等。西南交通大学1 经典静态相对定位方式经典静态相对定位方式西南交通大学2 快速静态相对定位方式快速静态相对定位方式基准站 观测基线 迁站道路 流动站 西南交通大学 3 准动态相对定位方式准动态相对定位方式v 定位精度：v 基准丈量的中误差可达(1020)mm+ 1ppm*D。v 特点：v 该作业方式效率甚高。在作业过程中，即使偶尔发生失锁，只需在失锁的流动点上，延伸观测数分钟，仍可继续按该方式作业。基准站 1 234567891012131 1西南交通大学

28、6.4 动态相对定位方式动态相对定位方式v 定位精度：v运动点相对基准之基线丈量精度，可达(1-2)cm+1ppmD.v特点:v速度快，精度高，可实现载体的延续实时定位。基准站 912341178651012 西南交通大学实时动态丈量系统及其运用实时动态丈量系统及其运用v实时动态(Real Time KinematicRTK)丈量系统，是GPS丈量技术与数据传输技术相结合，而构成的组合系统。它是GPS丈量技术开展中的一个新的突破。西南交通大学 1 实时动态丈量的根本思想实时动态丈量的根本思想v在基准站上安顿一台GPS接纳机，对一切可见GPS卫星进展延续地观测，并将其观测数据，经过无线电传输设备

29、，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接纳机在接纳GPS卫星信号的同时，经过无线电接纳设备，接纳基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。西南交通大学实时动态实时动态RTK丈量系统的设备配置丈量系统的设备配置vRTK丈量系统的构成,主要包括三部分：vGPS接纳设备v数据传输系统v支持实时动态丈量的软件系统西南交通大学实时动态实时动态RTK丈量系统丈量系统西南交通大学实时相对定位(RTK或RTDGPS)表示 T2T1实时动态实时动态RTK丈量丈量西南交通大学3 实时动态实时动态RTK丈量的作业方式与运用丈量的作业方式与运用快速静态丈量准动态丈量

30、动态丈量西南交通大学第第8节节 观测成果的外业检核观测成果的外业检核v 观测成果的外业检核，是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节，所以，当观测义务终了后，必需在测区，及时对外业的观测数据质量进展检核和评价，以便及时发现不合格的成果，并根据情况采取淘汰或重测、补测措施。西南交通大学外业成果检核的主要内容外业成果检核的主要内容1. n 同步边观测数据的检核同步边观测数据的检核n 观测数据的剔除率观测数据的剔除率n 观测值的残差分析观测值的残差分析n 计算同步边平差值的中误差和相对中误差计算同步边平差值的中误差和相对中误差n 反复观测边的检核反复观测边的检核n 独立边构成的环闭合差检核独立

31、边构成的环闭合差检核n 同步环闭合差的检验同步环闭合差的检验西南交通大学观测数据的测后处置过程v GPS丈量数据的测后处置，普通均可借助相应的后处置软件自动地完成。随着定位技术的迅速开展，GPS丈量数据后处置软件的功能和自动化程度，将不断加强和提高，所采用的模型也将不断改良。v对观测数据进展后处置的根本过程，大体分为：v预处置v平差计算v坐标系统的转换，或与已有地面网的结合平差西南交通大学观测数据的测后处置西南交通大学1 观测数据的预处置观测数据的预处置数据传输数据分流观测数据的平滑、滤波一致数据文件格式卫星轨道的规范化探测周跳、修复载波相位观测值对观测值进展各项必要的矫正。西南交通大学2 平差计算平差计算同步观测的基线向量平差。即同一基线边，多历元同步观测值的平差计算。在同一测区中，同类精度的数据处置，应采用一样的方法和一样的模型。由此所得到的平差结果，为基线