太原理工大学GNSS卫星定位原理及应用-第七章课件

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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、GPS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 标准代码：CJJ 73-97实施时间：

2、1997-10-013、其它行业标准二、GPS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2）相对中误差3）规范规定的各等级中误差或相 对中误差规定如下表级别固定误差（mm）比例误

3、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、基准问题基准是指GPS网的起算数据，包括起算点 坐标（位置基准）、起算长度（长度基准 ）、起算方位角（方位基准）。 设置基准的原因： GPS基线或GPS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 设置基准（外部基准

4、）有如下原因：1、GPS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 下GPS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， 如工程需要的是1954北京坐标系成果，此 时需设置1954坐标系（外部）基准，目的 是将GPS成果转换至1954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

5、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G

6、PS 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、 GPS网中的基本术语 1、观测时段 Observation session 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。2、同步观测 simultaneous observation 两台或两台以上接收机同时对同一组卫 星进行的观测。 3、同步观测环 simultaneous observation loop 三台或三台以上接收机同步观测获得 的基线向量

7、所构成的闭合环，简称同 步环。 4、独立观测环 Independent observation loop 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5、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 观测值总数之比。 6、天线高 antenna height 观测时，接收机的天线相位中心至测站中 心标志面的高度。 7、参考站（基站或基准站） Reference station 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 测站

8、称参考站或基站 8、流动站 roving station 在参考站的一定范围内流动作业的接收 机所设立的测站。 9、世界大地坐标系1984 （WGS84）World geodetic system198410、GPS静态测量static GPS positioning 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（坐标差） 的GPS定位测量。11、独立基线 Independent baseline 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N-1。12、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

9、数。 13、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 观测站。其中：C-观测时段；n-网点数；m-每点的设站次数；N-接收机数；1、观测时段数：2、总基线数：3、必要基线数：六、 GPS网中的基本数量特征4、独立基线数：5、多余基线数：七、同步环（基线）的基本说明 同步图形是GPS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 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 个同步环。当同步观测的接收机数N3时（1）基线数J=N（N-1）/2（2）同步闭合环的最少个数应为一般当接收机N3时，同步

10、环数量远大于 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-CA AC-CD-DA AB-BD-DA BC-CD-DB AB-BC-CD-DA AB-BD-DC-CA AD-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、GPS网中的独立边（基线） 1、独立边（基线）的作用 GPS测

11、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 的独立基线构成闭合（或符合于高级点 ）的几何图形。 图形的形态： （1）闭合的三边形、四边形、五边形 多边形。 （2）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 形形态是衡量GPS构网是否成功的标志 3、异步环是独立边构成的图形。九、GPS网的图形设计 1、基本网型有： 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

12、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，

13、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 1、通视问题。 2、坐标系统、旧点利用问题。

14、 3、特别注意：GPS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 ，并以此构成网的骨干框架。 十一、GPS网的精度设计 GPS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。 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。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 网可由专业软件模拟计算。第二节 GPS的外业准备与设计书的编写 一、测区踏勘 交通、水系、植被、控制点分布、居民 点分布、风俗民情等调查二、资料收集 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 三、设备器材 GPS接收机、通讯设备、交通工具、记 录

15、纸笔、电脑设备四、人员 施工队伍、后勤人员等 五、外业作业计划拟定 GPS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 的卫星分布情况、统一的记录表格、作业 纪律规定 作业细则的内容： 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 六、GPS网的技术设计 七、GPS接收机的选定 主要注意：型号、精度指标、数量、电池 情况 对接收机要进行如下检验 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 检定设施进行检定，并提供检定报告）八、技术设

16、计说明书的编写 主要内容有： 1任务来源及工作量 2测区概况 3布网方案 4选点与埋标 5观测 6数据处理 7完成任务的措施第三节 GPS外业实施一、 选点 1点位应设在易于安装接收设备、视野 开阔的较高点上。 2点位目标要显著，视场周围150以上不 应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或障碍物吸收。 3点位应远离大功率无线电发射源(如电 视台、微波站等)其距离不小于200m远离 高压输电线，其距离不得小于50m。以避 免电磁场对GPS信号的干扰。 4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 多路径效应的影响。5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。6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 实地按要求选定点位。 8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 点人员应实地踏勘水准路线，提出有关 建议。10当利