太原理工大学GNSS卫星定位原理及应用-第七章课件

1、第七章 GPS测量的设计与实施第一节 GPS测量的技术设计一、一、GPS网技术设计的依据：网技术设计的依据：1、国家质量技术监督局频布的中华人民共和国国家标准国家标准全球定位系统（GPS）测量规范Specification for global system(GPS) surveys 标准代码：GB/T 18314-2001实施时间：2001-01-052、中华人民共和国建设部频布的中华人民共和国行业标准行业标准全球定位系统城市测量技术规程Technical Specification for Urban Surveying Using Global Positioning System标准代

2、码：CJJ 73-97实施时间：1997-10-013、其它行业标准二、二、GPS网的精度分级网的精度分级1、分级与用途GPS网的精度等级要求主要取决于用途，规范规定为五级，分别是：A 、B、C、D、E级。A级由连续运行的GPS站构成，用于国家地心坐标系的建立与维持，以及地壳变化测量B级由定期连续运行的GPS站构成，用于地壳变化测量和国家高精度GPS网测量，也用于大城市首级控制测量C级-用于工程及大、中城市控制测量D、E用于控制网加密、工程控制网、 矿山控制网建立2、精度指标GPS网的精度指标以相邻点间弦长中误差或弦长相对中误差表示1）中误差22)(bda 2）相对中误差kd13）规范规定的各

3、等级中误差或相对中误差规定如下表级别固定误差（mm） 比例误差（ppm）AA3 0.01A 5 0.1B 8 1C 10 5D 10 10E 10 20规范规定的各等级中误差或相对中误差级别项目A/KMB/KMC/KMD/KME/KM相邻点最小距10015521相邻点最大距2000250401510相邻点最平均距3007010-1510-55-2三、GPS网的密度要求根据精度等级及用途的不同划分边长。四、基准问题四、基准问题基准是指基准是指GPS网的起算数据，包括起算点网的起算数据，包括起算点坐标（位置基准）、起算长度（长度基坐标（位置基准）、起算长度（长度基准）、起算方位角（方位基准）。准）

4、、起算方位角（方位基准）。设置基准的原因：设置基准的原因：GPS基线或基线或GPS网本身有长度、方位、坐网本身有长度、方位、坐标等信息，称之为内部基准，之所以还要标等信息，称之为内部基准，之所以还要设置基准（外部基准）有如下原因：设置基准（外部基准）有如下原因：1、GPS测量中的误差可能使测量产生误测量中的误差可能使测量产生误差，为限制误差加外部基准。但一般情况差，为限制误差加外部基准。但一般情况下下GPS的内部基准具有很高精度。的内部基准具有很高精度。2、GPS成果不是工程需要的最后成果，成果不是工程需要的最后成果，如工程需要的是如工程需要的是1954北京坐标系成果，此北京坐标系成果，此时需

5、设置时需设置1954坐标系（外部）基准，目的坐标系（外部）基准，目的是将是将GPS成果转换至成果转换至1954北京坐标系。北京坐标系。一组起算基准可由下列数据决定（或给出）：对三维坐标系统：一组基准数据最少可由3个点的坐标参数（9个）确定，即给定3点坐标相当于给定了三维坐标系的坐标起算数据、长度起算数据、方位起算数据和高程起算数据。对于二维坐标系：一组基准数据可由最少两个点的坐标确定，即给定两点的坐标，相当于给定了2维坐标系的坐标起算数据、长度起算数据和方位起算数据；二维起算数据中不包括高程起算数据。为了检核，实际给定的起算数据往往多于最少起算数据。规范对基准数据的规定：1、高等级GPS网测量

6、时，网中必须有高一级的GPS点作起算数据。一般网测量时，GPS起算点可使用观测时间较长的单点定位点坐标做起算数据。2、GPS网需转换至地方坐标（如54北京坐标）时，需在网中至少连测23个地方坐标系统中的控制点，或有属于地方坐标基准的边长、方位、位置参数做起算基准。二维坐标系时的高程起算数据GPS网三维平差成果中提供的高程是隶属于WGS84椭球的大地高，如果要求得到属于我国高程系统的正常高，在GPS网中必须连测足够数量的、精度不低于四等水准精度的水准高程点，连测的水准高程点数平原地区不少于5个，其它地区不少于10个。另外，平差结果最终归于哪个坐标系，该坐标系的椭球参数、投影坐标常数等必须明确。五

7、、五、 GPS网中的基本术语网中的基本术语1、观测时段、观测时段 Observation session测站上开始接收卫星信号到观测停止，测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。连续工作的时间段，简称时段。2、同步观测、同步观测 simultaneous observation两台或两台以上接收机同时对同一组卫两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。星进行的观测。 3、同步观测环、同步观测环simultaneous observation loop三台或三台以上接收机同步观测获得三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同的基线向量所构成的闭合

8、环，简称同步环。步环。4、独立观测环、独立观测环Independent observation loop由非同步观测所获得的基线向量构成由非同步观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环的闭合环，简称独立环5、数据剔除率、数据剔除率Percentage of data rejection同一时段中，删除的观测值个数与获取的同一时段中，删除的观测值个数与获取的观测值总数之比。观测值总数之比。6、天线高、天线高 antenna height观测时，接收机的天线相位中心至测站中观测时，接收机的天线相位中心至测站中心标志面的高度。心标志面的高度。7、参考站（基站或基准站）、参考站（基站或基准站）Re

9、ference station在观测过程中，一台或几台接收机始终位在观测过程中，一台或几台接收机始终位于坐标已知点上的，在观测过程中保持于坐标已知点上的，在观测过程中保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定的一定范围内流动设站作业，这些固定测站称参考站或基站测站称参考站或基站8、流动站、流动站 roving station在参考站的一定范围内流动作业的接收在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。机所设立的测站。9、世界大地坐标系、世界大地坐标系1984 （WGS84） World geodetic system1984

10、10、GPS静态测量静态测量 static GPS positioning通过在多个测站上进行若干时段同步通过在多个测站上进行若干时段同步观测，确定测站之间相对位置（坐标观测，确定测站之间相对位置（坐标差）的差）的GPS定位测量。定位测量。11、独立基线、独立基线Independent baseline对于对于N台台GPS接收机构成的同步观测环，接收机构成的同步观测环，有有J条同步观测基线，其中独立基线数条同步观测基线，其中独立基线数为为N-1。12、非独立基线、非独立基线除独立基线外的其它基线叫非独立基线，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总基线数与独立基

11、线数之差即为非独立基线数。基线数。13、永久跟踪站、永久跟踪站Permanent tracking station长期连续跟踪接收卫星信号的永久地面长期连续跟踪接收卫星信号的永久地面观测站。观测站。NmnC/其中：其中：C-观测时段；观测时段；n-网点数；网点数；m-每点的设站次数；每点的设站次数；N-接收机数；接收机数；1、观测时段数：、观测时段数：2、总基线数：、总基线数：) 1(21NCNJ总3、必要基线数：、必要基线数：1 nJ必六、六、 GPS网中的基本数量特征网中的基本数量特征4、独立基线数：、独立基线数：) 1(NCJ独5、多余基线数：、多余基线数：) 1() 1(nNCJJJ必

12、独多七、同步环（基线）的基本说明七、同步环（基线）的基本说明同步图形是同步图形是GPS观测形成的基本图形，观测形成的基本图形，它可能是单边、三边形、多边形及其组合它可能是单边、三边形、多边形及其组合图形。两机同步观测形成一条基线，一个图形。两机同步观测形成一条基线，一个同步边；三机同步观测形成三条基线，一同步边；三机同步观测形成三条基线，一个同步环。个同步环。当同步观测的接收机数当同步观测的接收机数N3时时（1）基线数）基线数J=N（N-1）/2（2）同步闭合环的最少个数应为）同步闭合环的最少个数应为2/ )2)(1() 1(NNNJT一般当接收机一般当接收机N3时，同步环数量远大时，同步环数

13、量远大于最少个数。于最少个数。ABDC如：4台接收机构成的同步环，如图示基线数J=6同步环最少个数T3，实际则有7个。具体有：AB-BC-CAAC-CD-DAAB-BD-DABC-CD-DBAB-BC-CD-DAAB-BD-DC-CAAD-DB-BC-CA特别注意：同步闭合环中各边坐标差之和理论上应为零，前提是同步观测的各GPS接收机严格同步。但一般情况下，各GPS接收机不能严格同步，同步闭合环的闭合差并不为零，但正常情况下闭合差很小，有关规程规定其闭合差不能超过一定限值，否则应认定观测量中含粗差。八、八、GPS网中的独立边（基线）网中的独立边（基线）1、独立边（基线）的作用、独立边（基线）的

14、作用GPS测量中可获得大量的观测基线，但测量中可获得大量的观测基线，但为了发现观测量中的粗差，必须使网中为了发现观测量中的粗差，必须使网中的独立基线构成闭合（或符合于高级点）的独立基线构成闭合（或符合于高级点）的几何图形。的几何图形。图形的形态：图形的形态：（1）闭合的三边形、四边形、五边）闭合的三边形、四边形、五边形形多边形。多边形。（2）符合于高级点的符合路线）符合于高级点的符合路线 2、网中独立基线是否构成上述基本图、网中独立基线是否构成上述基本图形形态是衡量形形态是衡量GPS构网是否成功的标志构网是否成功的标志3、异步环是独立边构成的图形。、异步环是独立边构成的图形。九、九、GPS网的

15、图形设计网的图形设计1、基本网型有：、基本网型有：点连式、边连式、网连式、连点混连式、点连式、边连式、网连式、连点混连式、三角锁连式、导线网形、星形等，但其三角锁连式、导线网形、星形等，但其中有些网形，因无法形成由独立基线构中有些网形，因无法形成由独立基线构成的几何图形，使粗差不易被发现，在成的几何图形，使粗差不易被发现，在实际中已不使用。实际中已不使用。1点连式 相邻同步图形间仅用一个公共点的连接。图形几何强度弱，无多余观测(无异步检核条件)，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。 2边连式同步图形之间由一条公共基线连接。网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。3、网连

16、式相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，要求观测时至少需有4台以接收机同步观测，形成的同步图形间以两个以上公共点连接。图形的几何强度和可靠性指标非常高，适于较高精度的控制测量。4边点混合连接式把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。 5三角锁(网)、多边形连接 用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形，这种接形式适用于线状工程，如铁路、公路及管线工程勘测是布网。 6导线网形连接(环形图) 将一条条同步边布设为直伸状，形成和导线结构相同的GPS网，各独立边应组成闭合或符合形成可供检核的非

17、同步图形几何条件，用以检核GPS点的可靠性。适用于精度较低的GPS布网。 7星形布设 以一点为中心，以单边向周边支伸，形成的几何图形简单，其直接观测边间不构成任何闭合图形，无法进行粗差的几何检测，一般大地网中不能使用。但因方法简便，作业速度快，可广泛地应用于精度较低的工程测量、地质、地球物理测点、边界测量、地籍测量和碎部测量等。 十、布网注意问题十、布网注意问题1、通视问题。、通视问题。2、坐标系统、旧点利用问题。、坐标系统、旧点利用问题。3、特别注意：、特别注意：GPS网必须由非同步独网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附合路线，立观测边构成若干个闭合环或附合路线，并以此构成网的骨干框

18、架。并以此构成网的骨干框架。 十一、十一、GPS网的精度设计网的精度设计GPS网的精度是指排除系统误差影响后，网的精度是指排除系统误差影响后，仅受偶然误差影响下的精度。仅受偶然误差影响下的精度。网精度一般用基线相对中误差、方位中网精度一般用基线相对中误差、方位中误差、高程中误差来表示。误差、高程中误差来表示。网的精度设计的数值模拟计算非常复杂，网的精度设计的数值模拟计算非常复杂，小型网时一般不进行精度设计，大型网小型网时一般不进行精度设计，大型网可由专业软件模拟计算。可由专业软件模拟计算。第二节第二节 GPS的外业准备与设计书的编写的外业准备与设计书的编写一、测区踏勘一、测区踏勘交通、水系、植

19、被、控制点分布、居民交通、水系、植被、控制点分布、居民点分布、风俗民情等调查点分布、风俗民情等调查 二、资料收集二、资料收集各类图件、控制点成果、地质、气象、各类图件、控制点成果、地质、气象、交通、通讯资料、行政区划资料交通、通讯资料、行政区划资料三、设备器材三、设备器材GPS接收机、通讯设备、交通工具、记接收机、通讯设备、交通工具、记录纸笔、电脑设备录纸笔、电脑设备四、人员四、人员施工队伍、后勤人员等施工队伍、后勤人员等五、外业作业计划拟定五、外业作业计划拟定GPS网型、精度要求、作业的具体细则、网型、精度要求、作业的具体细则、接收机的调配计划、拟定的接收时间段内接收机的调配计划、拟定的接收

20、时间段内的卫星分布情况、统一的记录表格、作业的卫星分布情况、统一的记录表格、作业纪律规定纪律规定作业细则的内容：作业细则的内容：观测高度角、记录高度角、观测时段长、观测高度角、记录高度角、观测时段长、时段数、与地方坐标点的连测、与水准时段数、与地方坐标点的连测、与水准高程点的连测、观测进要求的最少卫星数、高程点的连测、观测进要求的最少卫星数、观测的最佳时间、测站记录的具体规定等观测的最佳时间、测站记录的具体规定等六、六、GPS网的技术设计网的技术设计七、七、GPS接收机的选定接收机的选定主要注意：型号、精度指标、数量、电池主要注意：型号、精度指标、数量、电池情况情况对接收机要进行如下检验对接收

21、机要进行如下检验一般检视、通电检测、实测检验、专业检一般检视、通电检测、实测检验、专业检定（大型网要由专业检定机构使用专门的定（大型网要由专业检定机构使用专门的检定设施进行检定，并提供检定报告）检定设施进行检定，并提供检定报告）八、技术设计说明书的编写八、技术设计说明书的编写主要内容有：主要内容有：1任务来源及工作量任务来源及工作量 2测区概况测区概况 3布网方案布网方案 4选点与埋标选点与埋标 5观测观测 6数据处理数据处理 7完成任务的措施完成任务的措施第三节第三节 GPS外业实施外业实施 一、一、 选点选点1点位应设在易于安装接收设备、视野点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上。

22、开阔的较高点上。2点位目标要显著，视场周围点位目标要显著，视场周围150以上不以上不应有障碍物，以减小应有障碍物，以减小GPS信号信号 被遮挡或障碍物吸收。被遮挡或障碍物吸收。3点位应远离大功率无线电发射源点位应远离大功率无线电发射源(如电如电视台、微波站等视台、微波站等)其距离不小于其距离不小于200m远离远离高压输电线，其距离不得小于高压输电线，其距离不得小于50m。以避。以避免电磁场对免电磁场对GPS信号的干扰。信号的干扰。 4点位附近不应有大面积水域或不应有点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。多路径效应的

23、影响。5点位应选在交通方便，有利于其它观点位应选在交通方便，有利于其它观测手段扩展与联测的地方。测手段扩展与联测的地方。6地面基础稳定，易于点的保存。地面基础稳定，易于点的保存。7选点人员应按技术设计进行踏勘，在选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。实地按要求选定点位。 8网形应有利于同步观测边、点联结。网形应有利于同步观测边、点联结。 9当所选点位需要进行水淮联测时，选当所选点位需要进行水淮联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。建议。10当利用旧点时，应对旧点的稳定性、当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及现标是否安全可用性作

24、一完好性，以及现标是否安全可用性作一检查，符合要求方可利用。检查，符合要求方可利用。二、标志埋设二、标志埋设1、标志按、标志按规范规范事先完成制作，按事先完成制作，按规范规范要求埋设要求埋设 2、各点位必须有点之记、各点位必须有点之记3、网点埋设完成后应绘制网图、网点埋设完成后应绘制网图4、提供选、埋点技术总结并存档、提供选、埋点技术总结并存档三、观测工作三、观测工作1、制定观测技术指标、制定观测技术指标依据为设计说明书、依据为设计说明书、规范规范2、天线安置、天线安置对中、整平、指北、测前测后量天线高对中、整平、指北、测前测后量天线高 、记录气象参数、开机、关机、测站记录记录气象参数、开机、

25、关机、测站记录等等3、开机观测、开机观测观测的有效期为接收机捕获得卫星数大观测的有效期为接收机捕获得卫星数大于于4颗时至关机，观测期间要十分注意卫颗时至关机，观测期间要十分注意卫星数量的变化，严禁碰动天线、严禁随星数量的变化，严禁碰动天线、严禁随意开关机，意外情况要详细记录。意开关机，意外情况要详细记录。要经常监测或考虑存贮器容量，监测接要经常监测或考虑存贮器容量，监测接收机工作状况收机工作状况 。4、观测记录、观测记录1）数据记录由接收机自动进行，内容）数据记录由接收机自动进行，内容有：有：历元、载波相位观测值、卫星星历、卫历元、载波相位观测值、卫星星历、卫星钟差改正参数、绝对定位结果、测站

26、星钟差改正参数、绝对定位结果、测站信息（也可事后输入，如仪器高、点名信息（也可事后输入，如仪器高、点名等）等）2）观测员应记录的内容）观测员应记录的内容测站点名、编号；开关机时间、天线测站点名、编号；开关机时间、天线 高、高、最多与最少卫星数、观测时期、时段数、最多与最少卫星数、观测时期、时段数、观测者姓名、观测略图（指本测站与其它观测者姓名、观测略图（指本测站与其它测站的连接收图）。测站的连接收图）。测量过程中的各种异常情况。测量过程中的各种异常情况。记录手簿要专门制作，订装，长期保存，记录手簿要专门制作，订装，长期保存，提交成果时，外业手工记录是必交件之一提交成果时，外业手工记录是必交件之

27、一四、四、 GPS的作业模式的作业模式1、静态定位模式（主要模式）、静态定位模式（主要模式）2、快速静态、快速静态3、准动态、准动态4、往返式重复定位、往返式重复定位5、RTK GPS定位（主要模式）定位（主要模式）第四节第四节 数据的预处理及观测成果的质数据的预处理及观测成果的质量检核量检核一、数据预处理一、数据预处理1、软件选择、软件选择2、基线解算：、基线解算：内容包括：内容包括：1）数据传输、分流（软件自动进行）数据传输、分流（软件自动进行）2）数据格式的统一化）数据格式的统一化用于不同型号接收机一起作业时的成果用于不同型号接收机一起作业时的成果3）卫星轨道标准化）卫星轨道标准化4）探

28、测、修复周跳）探测、修复周跳5）加入各种改正数）加入各种改正数6）解算基线（双差或三差解；整数或）解算基线（双差或三差解；整数或浮点解）浮点解）7）获得在）获得在WGS84坐标下的基线成果坐标下的基线成果二、对基线成果进行精度检核二、对基线成果进行精度检核1、单时段同步观测数据检核、单时段同步观测数据检核1）数据剔除率问题）数据剔除率问题解算基线时，某些不合格被剔除数据解算基线时，某些不合格被剔除数据与数据总量比率，其值不应大于与数据总量比率，其值不应大于10%，过大时说明全部数据质量均不高，该过大时说明全部数据质量均不高，该同步观测值应重测。同步观测值应重测。2）仅以两台接收机进行的单基线观

29、测）仅以两台接收机进行的单基线观测形成的任一三边环坐标分量相对闭合差和形成的任一三边环坐标分量相对闭合差和环全长相对闭合差不应大于表中数值：环全长相对闭合差不应大于表中数值： 等级限差类型二（ppm）三（ppm）四（ppm）一级（ppm）二级坐标分量相对闭合差23699环全长相对闭合差351015152、重复基线的检核、重复基线的检核同一基线如观测时段数在同一基线如观测时段数在2（含）以上的（含）以上的基线为重复基线，任意两个时段的互差基线为重复基线，任意两个时段的互差应不大于相应等级规定的应不大于相应等级规定的2 倍。倍。3、同步观测环检核、同步观测环检核三边式同步环检核：三边式同步环检核：

30、三边同步环的坐标分量闭合差不应大于：三边同步环的坐标分量闭合差不应大于： 2535353zxx同步环闭合差应不大于：同步环闭合差应不大于：53)(21222zyx22)(bdaGPS的基线中误差网规定的相应等的规范多边式同步环检核多边式同步环检核四机同步作业，会产生大量同步环，检四机同步作业，会产生大量同步环，检核时应尽检查一切可能的闭合环。核时应尽检查一切可能的闭合环。同步闭合环的坐标分量闭合差不应大于：同步闭合环的坐标分量闭合差不应大于： 5nWWWzyx环的闭合差不应大于：环的闭合差不应大于：53)(21222nWWWWzyx4、异步环闭合差检核、异步环闭合差检核异步环一般也可称独立环异

31、步环一般也可称独立环网中的每一条基线至少应参加一个独立网中的每一条基线至少应参加一个独立环环各独立环的坐标分量闭合差应不大于：各独立环的坐标分量闭合差应不大于：nWWWzyx2环闭合差应不大于环闭合差应不大于nW32三、外业返工三、外业返工 1无论何种原因造成一个控制点不能无论何种原因造成一个控制点不能与两条合格独立基线相连结，则在该点与两条合格独立基线相连结，则在该点上应补测或重测不少于一条独立基线。上应补测或重测不少于一条独立基线。 2可以舍弃在复测基线边长较差、可以舍弃在复测基线边长较差、同步环闭合差、独立环闭合差检验中越同步环闭合差、独立环闭合差检验中越限的基线，但必须保证舍弃基线后的

32、独限的基线，但必须保证舍弃基线后的独立环所含基线数，不得超过规定，否则，立环所含基线数，不得超过规定，否则，应重测该基线或者有关的同步图形。应重测该基线或者有关的同步图形。3由于点位不符合由于点位不符合GPS测量要求而造成测量要求而造成一个测站多次重测仍不能满足各项限差一个测站多次重测仍不能满足各项限差技术规定时，可按技术设计要求另增选技术规定时，可按技术设计要求另增选新点进行重测。新点进行重测。四、四、GPS网平差网平差1、在、在WGS84坐标下的三维无约束平差坐标下的三维无约束平差在上述检核合格条件下，对基线向量网在上述检核合格条件下，对基线向量网在在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，坐标系下进行三维无约束平差，解出平差后的基线向量，也可以解出平差后的基线向量，也可以WGS-84下的三维坐标。无约束平差的下的三维坐标。无约束平差的基线向量改正数的绝对值应满足：基线向量改正数的绝对值应满足：3xv3yv3zv超限时，认为该基线或其附近存在粗差