GPS测量与数据处理第三讲

GPS测量与数据处理

第三讲河南工程学院土木工程系测绘教研室本讲主要内容GPS网的精度和密度设计GPS网的基准设计GPS网的图形设计1.4GPS网的精度和密度设计主要内容GPS网的等级划分不同等级GPS网的用途精度和密度设计基本原则一、GPS测量的等级及其用途GPS基线向量网被分为：AA、A、B、C、D、E六个级别级别用途实例AA

全球参考框架、全球性地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨IGS永久跟踪站网A国家参考框架、区域性地球动力学研究和地壳形变测量国家A级网B

国家大地控制、地方参考框架、局部形变监测和各种精密工程测量国家B级网C

大中城市及工程的基本控制网D

中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制网E二、各级GPS测量的精度指标相邻点间基线长度的中误差相邻点间基线长度的中误差相邻点间基线长度的中误差中误差，单位mm固定误差，单位mm

比例误差，单位ppm

相邻点间的距离，单位mm

二、各级GPS测量的精度指标算例根据2001年发布的全球定位系统（GPS）测量规范，C级网相邻点间弦长精度（距离中误差）之固定误差要求优于10mm，比例误差要求优于5ppm，则在C级网中，一条边长为10km的基线，其距离中误差至少应小于A15mm

B10mm

C51mm

D60mm二、各级GPS测量的精度指标相邻点间基线长度的精度要求大地高差的限差可放宽1倍执行级别固定误差(mm)比例误差(ppm)AA≤3≤0.01A≤5≤0.1B≤8≤1C≤10≤5D≤10≤10E≤10≤20二、各级GPS测量的精度指标点位精度及基线长度年变化率的精度要求级别点位的地心坐标精度基线长度年变化率精度AA≤0.05m≤2mm/年A≤0.1m≤3mm/年二、各级GPS测量的精度指标厂商给出的仪器标称精度指标仪器标称精度指标，一般是指在某些标准条件下的精度。而GPS规范中的规定考虑了一些实际工作中外界因素的影响。一般单频GPS接收机的精度指标双频GPS接收机的精度指标三、各级GPS测量的密度指标相邻点间基线长度的密度要求相邻点间的最小距离可为平均距离的1/3～1/2；最大距离可为平均距离的2～3倍。级别平均距离(km)AA1000A300B70C10~15D5~10E0.2~5四、GPS网精度和密度设计基本原则设计内容网的精度，密度，观测时段数，观测时段长度，高度角，采样率等设计基本原则一般依据GPS测量规范进行设计当用户的要求介于两个等级之间时，在无需显著增加工作量的情况下，一般直接上靠导较高的等级；特殊情况，按照测量任务书或测量合同书提出的技术要求单独进行网的密度和精度设计（高精度GPS形变监测）1.5GPS网的基准设计主要内容位置基准尺度基准方位基准GPS基线向量

WGS-84坐标系实际坐标

国家坐标系或地方独立坐标系明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据基准设计二、GPS网的位置基准GPS网的位置基准，通常是由给定的起算点坐标确定位置基准的确定自由网平差或拟稳平差对网的尺度无影响固定一点（最小约束平差）对网的尺度无影响固定多点（约束平差）对网的尺度有影响三、GPS网的尺度基准GPS网的尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。尺度基准的确定GPS基线向量测距边已知点间的固定边其他空间技术手段（VLBI、SLR等）四、GPS网的方位基准GPS网的方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。方位基准的确定GPS基线向量起始方位其他空间技术（如VLBI）提供的方位五、GPS网的基准选取原则布设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3~5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。五、GPS网的基准选取原则布设GPS网时起算边长的选取与分布采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3~5条左右。可设置在GPS网中的任意位置。布设GPS网时起算方位的选取与分布起算方位不宜太多，可布设在网中的任意位置1.6GPS控制网的图形设计主要内容：GPS网形设计的内容GPS网的基本图形图形设计中的注意事项一、GPS网图形设计的内容一般控制网图形设计的内容与精度和可靠性有关的点位设计观测设计（观测点、测回数等）GPS网图形设计的内容观测设计（同步观测图形、重复观测次数、重复观测边的设置、观测参数设置、观测时长要求）一、GPS网图形设计的内容注意：GPS网没有与精度和可靠性直接相关的图形设计问题（点位观测环境方面的问题除外）如果假定对应基线向量的质量一样，则在下面两个图形中，对应各点的可靠性和精度是完全一样的

一、GPS网图形设计的内容两点重要提示GPS网的图形强度与基线向量的数量和分布有关GPS点的精度和可靠性与与其相连的基线向量数密切相关，相连的基线向量数越多，精度和可靠性越高①提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独立基线数）。保证一定的重复设站次数。可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误。重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。保证每点与三条以上的独立基线相连。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，点的可靠性则越高最小异步环边数不大于6。②提高GPS网精度的方法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。在全面网上建立框架网。最小异步环边数不大于6。适当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。二、GPS网的基本图形三角形网多边形网附和导线网星形网二、GPS网的基本图形三角形网定义：以三角形作为基本图形所构成的GPS网特点优点：几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高缺点：工作量大提高图形强度的方法加测对角线二、GPS网的基本图形多边形网定义：以多边形（边数≥4）作为基本图形所构成的GPS网特点：效率高，工作量较小，图形强度不如三角形网保证及提高图形强度的方法对多边形边数加以限制二、GPS网的基本图形附和导线网定义：附和导线（或称附和路线）作为基本图形所构成的GPS网特点效率高，工作量较小，图形强度不如三角形网和多边形网保证及提高图形强度的方法对多边形边数加以限制，仍能保证一定的强度二、GPS网的基本图形星形网（单基准站）定义：从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位（待定点间一般无任何联系）所构成的GPS网特点：作业速度快，但抗粗差能力极差提高可靠性的方法：从两个已知点（基准站）上对同一待定点（流动站）进行观测；适当复测应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）工作模式：GoandStop，RTK二、GPS网的基本图形多基准站定义：两台以上的接收机（基准站）固定不间断观测，其余接收机流动观测所构成的GPS网。特点：精度高，图形结构强应用：C，D级网四、图形设计中的注意事项布网形式AA、A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘点外，每点至少应与3个点相连，C、D、E级GPS网可布设成多边形或附和导线网形。四、图形设计中的注意事项各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数满足下表要求级别闭合环和附和导线的边数AA-A≤5B≤6C≤6D≤8E≤10四、图形设计中的注意事项各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数满足下表要求级别联测永久GPS跟踪站的最少站数AA≥4A≥3B≥2四、图形设计中的注意事项AA、A、B级GPS网点应与参加过全国天文大地网整体平差的三角点、导线点及一、二等水准点重合新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不少于2个大陆、岛、礁之间的A、B级GPS网的边长可视实际情况变通。重要岛礁与大陆之间的联测点数不得少于3个。为求得GPS点在某一参考坐标系中的坐标，应与该坐标系中的原有控制点进行联测，联测点数不得少于3个。四、图形设计中的注意事项框架网的采用当控制网的范围较大时，可采用分级布设的方法，即首先布设点数较少但等级较高的框架网，然后再部分项目所要求等级的全面网。四、图形设计中的注意事项确定正常高时的注意事项为求得GPS点的正常高，应进行高程联测，联测应满足下表要求级别高程联测点密度要求高程联测点的等级AA逐点联测二等水准A逐点联测二等水准B每隔2~3点联测1个三等水准C每隔3~6点联测1个四等或精度相当D视情况四等或精度相当E视情况四等或精度相当五、GPS网的观测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1.跟踪站式形式：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和精密处理软件(GAMIT,Bernese等）。优点：精度极高，具有框架基准特性；观测时间长、数据量大，可应用与地球科学的许多领域（如大气科学等）缺点：需建立专门的永久性建筑跟踪站，观测成本很高，观测时间长。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）。2.会战式形式：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，因而具有非常高的尺度精度。缺点：观测时间长，作业规模大，仪器多，外业观测组织复杂适用范围：用于布设A、B级网。3.多基准站式形式：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。3.多基准站式优点：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和变形监测。4.同步图形扩展式形式：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。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式5.单基准站（星形网）式形式：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得星形。5.单基准站（星形网）式优点：效率高。

缺点：图形强度弱适用范围：D，E级网。

基准站

流动站六、同步图形扩展式的连接方式在GPS网布设时，通常网中的点数要远远多于用来观测的GPS接收机的数量，这就需要采用逐步推进的测量方法。采用同步图形推进的作业方式具有作业效率高、图形强度好的特点，是目前GPS测量中普遍采用的一种推进方式。点连式边连式网连式混连式1.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。

m台仪器共同作业，第一个时段可测得m个点，

每观测一个新时段，就可以测得m-1个新点，

当观测S个时段后，就可测得1+s*(m-1)个点。2.边连式形式：相邻的同步图形间有一条公共边（即两个公共点）相连。优点：作业效率较高，图形强度较强。

m台仪器共同作业，第一个时段可测得m个点，每观测一个新时段，就可以测得m-2个新点，当观测S个时段后，就可测得2+s*(m-2)个点。3.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：图形强度很强。缺点：作业效率低。m台仪器共同作业，第一个时段可测得m个点，每观测一个新时段，就可以测得m-k个新点，当观测S个时段后，就可测得k+s*(m-k