第七章GPS测量技术与外业观测

第七章

GPS测量技术设计与外业观测主要内容7.1GPS测量的步骤及质量要求7.2GPS技术设计的编写7.3GPS接收机的检定7.4GPS网的设计7.5GPS测量的作业组织7.1GPS测量步骤及质量要求7.1.1GPS测量的工作步骤（以基线向量网为例）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技术设计测绘资料的搜集与整理仪器的检验踏勘、选点埋石时限要求投资经费

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

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7.1.2GPS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)。

GPS网的等级各类GPS网的用途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，其要求固定误差≤3mm，比例误差≤0.01ppm，此等级的网一般为全球性的坐标框架和地球动力学测量。7.1.3GPS测量规范主要内容：精度分级网的设计要求选点与埋石的要求仪器设备类型要求检定内容外业观测及记录要求数据处理成果验收与上交资料

目的：指导规范GPS测量工作规范的种类：全球定位系统GPS测量规范，1992，国家测绘局全球定位系统城市测量规程，1997，建设部...7.2GPS技术设计的编写7.2.1技术设计的作用作业、数据处理的技术依据技术设计的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作业要求观测质量控制数据处理方案提交成果要求7.3GPS接收机的检定7.3.1接收机的检定利用基线场进行仪器检定零基线的检定检验仪器的内部噪声基座的检定7.3.2其它设备的检定尺的检定7.4GPS网的基准设计与网形设计1、GPS网的基准设计GPS控制网的建设，要依托现有城市控制网。如果起算点与拟建的GPS网不兼容，将会引起GPS控制网的扭曲和变形，损害GPS网精度。因此，如何选取合适的城市高等级控制点作为GPS扩展网的起算数据会直接影响扩展网的精度，或导致GPS控制网的失控和相对超控。根据城市控制网布设原则，选取地面起算点必须充分分析已有地面控制网的资料，综合考虑控制网网形结构，进行优化选取。7.4.1GPS基线向量网的布网形式跟踪站式会战式多基准站式同步图形扩展式单基准站式

跟踪站式的布网形式：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（实际上就是跟踪站）。数据处理通常采用精密星历。优点：精度极高，具有框架基准特性。缺点：需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。适用范围：一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。

会战式的布网形式：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，观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自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采用相同方式，进行另一阶段的观测，直至所有点观测完毕。优点：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。适用范围：用于布设A、B级网。

多基准站式的布网形式：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。优点：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。适用范围：C，D。

同步图形扩展式的布网形式：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，又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。优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。适用范围：C，D。

单基准站（星形网）式的布网形式：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的星形。优点：效率高。缺点：图形强度弱适用范围：D，E。7.4.2同步图形的连接方式点连式边连式网连式混连式

点连式形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。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。边连式形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。优点：作业效率较高，图形强度较强。

网连式形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。优点：图形强度最强。缺点：作业效率低。

混连式形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。优点：图形强度最强。缺点：作业效率低。7.4.3GPS基线向量网的设计指标效率指标可靠性指标精度指标费用指标效率指标Smin：最少观测时段数R：最少重复观测期数n：点数m：仪器数Sd：设计观测时段数可靠性指标lr：多余独立观测基线数；lt：总独立观测基线数。精度指标相邻点距离中误差。采用协因数矩阵Q或与其有关的一些指标来衡量。7.4.4GPS基线向量网的设计原则选点的原则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10°~15°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。

提高可靠性的原则增加观测期数（增加独立基线数）。保证一定的重复设站次数。保证每点与三条以上的独立基线相连。最小异步环边数不大于6。提高精度的原则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。建立框架网。最小异步环边数不大于6。适当引入高精度测距边。若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。适当延长观测时间，增加观测时段。选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。7.5GPS测量的作业组织7.5.1GPS测量队伍的组织结构内业处理人员外业观测小组1外业观测小组2...外业观测小组n队长7.5.2队长的职责根据作业进度，参考技术人员的意见，下达作业指令作业现场指挥安排测量人员的在测区工作生活的相关事宜7.5.3内业处理人员的职责数据传输、数据处理质量控制为队长决策提供参考意见7.5.4外业观测小组的职责根据调度指令及现场命令进行外业观测7-6GPS测量的外业工作一、GPS相对定位作业模式1、静态相对定位2、快速静态相对定位3、准动态相对定位4、动态相对定位二、GPS测量基本技术规定项目等级

观测方法二等三等四等一级二级卫星高度角(°)静态快速静态≥15≥15≥15≥15≥15有效观测卫星数静态快速静态≥4—≥4≥5≥4≥5≥4≥5≥4≥5平均重复设站数静态快速静态≥2—≥2≥2≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6时段长度(min)静态快速静态≥90—≥60≥20≥45≥15≥45≥15≥45≥15数据采样间隔(S)静态快速静态10～6010～6010～6010～6010～60三、GPS卫星预报和观测调度计划7-7GPS基线向量计算一、GPS数据处理流程：数据传输数据采集成果输出GPS网平差起算点兼容性分析数据预处理二、数据下载：“download”

GPS接收机采集的数据是记录在接收机的PC卡上。数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。具体为：（1）A*.day---卫星可见性预报文件：卫星状态、DOP值（2）B*.day---接收机位置数据文件：卫星个数、高度角、位置、信噪比等（3）E*.day---卫星星历数据文件：卫星轨道参数等（4）S*.day---测站信息数据文件：测站号、天线高、天线半径、气象元素等三、空间基线解算采用Ashtech接收机随机提供的商用软件Winprism进行及时处理。对解算结果不好的基线进行单独解算，通过增删卫星、重选基星、改变时段和高度角等方法改善基线解算结果，对于单独解算不满意的基线作重测或删除处理。基线解算成果中有五种文件，具体为：1）I*.*---输入信号文件2）L*.*---基线向量文件3）O*.*---基线向量数据文件4）P*.*---卫星残差分布文件5）Summary.out---基线解算向量文件四、基线解分析：1）观测值残差分析2）基线长度的精度3）基线向量环闭合差检核4）双差固定解和双差实数解五、空间基线向量的质量检核为提高GPS测量的精度与可靠度，需要对基线解算质量进行检核。同步环闭合差是检验一个时段观测质量好坏的标志。同步环闭合差超限，可能是因为同步环上各测站没有完全同步，或是各测站周跳修复不同，也可能是软件本身的缺陷所至。异步环闭合差超限，可能因各种观测条件较差（如多路径误差影响、强辐射、电离层、对流层的影响）。基线解算后，必须进行数据预处理，计算同步环闭合差、非同步环闭合差以及重复基线的检查，各环闭合差符合规范要求。（2）非同步环坐标分量及全长相对闭合差（3）重复基线的长度较差：坐标分量闭合差限差：坐标分量闭合差限差：（1）同步环坐标分量及全长相对闭合差全长相对闭合差限差：全长相对闭合差差：7-7高精度GPS测控网的施测技术一、工程概况南京地铁1#线工程南起小行，北至迈皋桥，西延至奥体中心，线路总长度21.72公里，其中地下线14.43km，地上线7.02km，过渡段0.27km，线路贯穿主城区的中心腹地，把城市中心区商业、金融、文化、综合服务等繁华区及对外交通口等客流集散点连接起来，形成主城区中轴线的快速轨道交通走廊。GPS控制网是地铁工程施工的全线总控制网，其网点的稳定、准确直接关系到工程施工的质量和隧道的贯通。因此，必须对全线控制网统一规划，并进行定期复测，以满足工程建设的需要。南京市快速轨道线网规划图二、网形优化分析1、GPS控制网测区：位于东经118°42′~118°50′，北纬31°57″~32°07′，东起紫金山、土山，西至棉花堤、水佐岗，南起韩府山，北至劳山。2、测区中心线自南向北贯穿繁华市区，居民密集，高楼林立，大气能见度差，各种电磁波干扰严重，对控制测量工作极为不利。3、GPS控制网的覆盖范围广，精度要求特殊，网形设计时必须做到网点位布设合理、精度高且有很高的可靠性。4、GPS控制网既要考虑与原城市二等网的联系，又要考虑地铁网的独立性，充分体现GPS控制网的高精度。4、GPS控制网选取在测区范围内可供选择的高级联测点城市二等三角点有6个：DT22DT27DT28DT29DT30DT31DT30紫金山DT04DT03DT02DT01小行邮校DT28韩府山DT29土山DT27棉花堤DT21DT05中华门DT06DT07

DT08DT25中山门DT09DT10DT22河海大学DT11玄武饭店DT17DT12DT16DT13DT23八字山DT18DT15塑料厂DT31劳山地铁GPS控制网共有26个控制点，全网包括起算点2个，检查点4个（根据平差结果分析可以任选起算点），选取待定点20个，以同步三角形连接、用边连式扩展成空间GPS锁网。在地铁GPS网形确定后，对观测纲要进行优化设计，在已知城市二等三角点DT28、DT31上各有5条独立基线，DT30上有3条独立基线，DT27、DT29上各有4条独立基线，而DT22上有7条独立基线，这样充分保证与已知点的坚强连结，同时为加强地铁南北线一期工程控制点的图形强度，通过直接与已知点连接或构成小三角形以提高精度和可靠性。全网布设最长边长8.3km，最短边长0.8km，平均边长3.5km，并保证每地铁车站附近有一对GPS控制点。5、观测纲要设计三、GPS控制网精度分析对GPS控制网优化设计后，为保证地铁GPS控制网的精度和可靠性，便于地铁的施工，确保隧道施工贯通和工程建设质量，对优化设计的地铁GPS网进行了必要的精度估算，做到网点位布设合理、精度高且有很好的可靠性，实践表明网点精度比较均匀，估算精度点位误差均小于±1.0cm，满足《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》要求，能很好地为南京地铁建设服务。经过优化设计后，地铁GPS控制网结构较强，并有多个由非同步独立边构成的多边形闭合环，具有良好的粗差检测能力。四、GPS控制网外业测量1、外业测量采用GPS静态相对定位模式，整网由三台AshtechZ12型GPS接收机（5mm+1ppm）以同步三角形连接，扩展成空间GPS网。为了保证地铁施工质量，考虑到该GPS控制网的要求与用途，提高GPS观测的精度与可靠性，GPS点间必须构成一定数量独立边组成的非同步闭合环，使GPS网有足够的多余观测。为增加多余观测边数，保证平均每点设站2次以上，这样可以构成尽量多的多边形非同步闭合环，提高网的可靠度。2、观测数据预处理1）空间基线向量解算对每天的观测数据及时进行处理，对解算结果不好的基线进行单独解算，通过增删卫星、重选基星、改变时段和高度角等方法改善基线解算结果，对于单独解算不满意的基线作重测或删除处理。外业基线解算采用广播星历、相位观测值双差分技术，解算数据采用率达99%以上。基线结果采用双差固定解，表示精度的残差（Rms）均小于1.0cm，满足规范规定要求，表示固定解可靠程度因子（Ratio）达98%以上。2）基线解算质量检核为提高GPS测量的精度与可靠度，基线解算结束后，利用商用软件进行数据预处理，计算检查同步环闭合差、非同步环闭合差以及重复基线，各环闭合差必须符合GPS测量规范要求。通过检核，舍去不合格的基线，保证非同步环的边数不大于6。这样，GPS控制网共构成独立观测基线83条，组成同步闭合环27个，