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1、1,第五部分 GPS测量与数据处理,国家注册测绘师考试 培训教程 第一篇 大 地 测 量,2,空间部分,地面监控部分,用户部分,GPS,一、GPS测量原理回顾,1、GPS系统及其构成拥有者：美国系统构成：空间部分、地面控制部分、用户部分作用：定位、测速、授（守）时信号：载波、测距码、导航电文,GPS测量原理,3,2、GPS定位原理 距离交会,GPS测量原理,4,3、GPS观测值 码伪距 载波相位 多普勒,GPS测量原理,5,4、GPS的误差源 与卫星有关的：卫星钟差、卫星星历误差、相对论效应、SA与传播途径有关的：大气折射（电离层折射、对流层折射）、多路径效应、其他电磁波干扰与接收设备有关的：
2、天线相位中心偏移及变化、接收机钟差、接收机噪声其他,GPS测量原理,6,5、GPS定位原理中的若干基本概念 伪距测量 载波相位测量 整周计数、周跳、整周模糊度 差分观测值 零差（非差）、单差、双差、三差 载波相位观测值的线性组合 宽巷、窄巷、无电离层折射影响和无几何关系组合,GPS测量原理,7,6、GPS的定位模式 根据运动状态 动态定位、静态定位根据时效 实时定位、事后定位根据定位模式 绝对定位、相对定位、差分定位,GPS测量原理,8,7、导航定位方法及精度,GPS测量原理,9,作业范围：全球地面覆盖，无须通视作业时间：实时，全天候成果精度：精度高劳动强度：自动化程度高三维坐标：真三维坐标,
3、8、GPS的特点,GPS测量原理,10,5.1 GPS测量的技术设计,11,5.1.1 GPS测量中的几个基本概念,12,观测时段和时段长度,观测时段 从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段 是GPS测量的基本单位 时段长度 观测时段所持续的时间,13,同步观测、基线向量和GPS基线向量网,同步观测 两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测 基线向量 利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差 与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统 GPS基线向量网 采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成,14,同步观测基
4、线,定义 利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量 一个时段中，同步观测基线的数量 若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线,15,闭合环和环的闭合差,闭合环 由多条基线向量首尾相连所构成的图形,由5条基线向量所构成的闭合环,16,闭合环和环的闭合差,环的闭合差 闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）的矢量和 分量闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）矢量的各个分量的和 全长闭合差：分量闭合差的平方和开方,分量闭合差,环的闭合差,全长闭合差,17,同步观测环（同步环）和同步环检验,同步观测环（
5、同步环） 三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量（完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环,同步环与非同步环,18,同步观测环（同步环）和同步环检验,同步环检验 定义：检验同步环的闭合差大小 特性 理论上：采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。（构成同步环的基线向量之间是线性相关的） 实践中：如果算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小 结论：同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求,19,独立基线向量,定义：线性无关的一组基线向量 满足下面条件之一的为独立基线向量 未构成闭合
6、环的一组基线向量（例如：一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观测基线） 虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同一观测时段 提示 完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的，是一组非独立基线向量 GPS网应由相互独立的基线向量构成,20,独立基线向量,同步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式,21,独立观测环（异步环）和独立观测环检验,独立观测环（异步环） 定义：由相互函数独立（线性无关）的基线向量所构成的闭合环。（就是前面的非同步环）,独立环与非独立环,22,独立观测环（异步环）和独立观测环检验,独立观测环检验 定义：检验独立观测环的闭合差大小 特性：与同步环闭合差不同，即使采用严密算
7、法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量 结论：独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标,23,5.1.2 技术设计的依据,24,测量任务书或测量合同书,内容 点位要求 分布、密度、数量 精度要求 等级、点位误差、相邻点间距离误差 进度要求 提交成果的时间 成果要求 坐标参照系、是否需要高程成果、提交资料的内容,25,5.1.3 GPS网的精度和密度设计,26,GPS测量的等级及其用途,27,各级GPS测量的精度指标,相邻点间基线长度标准差,标准差，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,28,5
8、.1.4 GPS网的基准设计,29,GPS网的基准,GPS网的基准包括 位置基准 尺度基准 方位基准,30,GPS网的位置基准,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,31,GPS网的尺度基准,尺度基准的确定 GPS基线向量 测距边 已知点间的固定边 其他空间技术观测量（VLBI、SLR等）,32,GPS网的方位基准,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,33,5.1.5 GPS网的图形设计,34,GPS网图形设计的内容*,一般控制网图形设计的内容 与精
9、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） 注意：GPS网无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）,35,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,36,GPS网图形设计的内容*,GPS网布设时的重复设站次数（观测时段数） GPS点反复进行设站观测的次数 复测边（重复边）的布置 复测边：同一基线向量不同时段的观测结果,这两点也可看作时GPS网测量的要求,37,
10、GPS网的基本图形,三角形网 多边形网 附和导线网 星形网,38,三角形网 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 进一不提高图形强度的方法 加测对角线,GPS网的基本图形,39,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，图形强度虽不如三角形网，但若对多边形边数加以限制，仍能保证一定的强度,40,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，图形强度虽不如三角形网和多边形网，但若对多边形边数加以
11、限制，仍能保证一定的强度,41,GPS网的基本图形,星形网 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：抗粗差能力极差 应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根dian） 工作模式：Go and Stop，RTK 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,42,图形设计中的注意事项,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。,43,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,44,图形设计中
12、的注意事项,AA、A、B级GPS网点应与永久GPS跟踪站联测。联测站数满足下表要求,45,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,46,图形设计中的注意事项,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,47,图形设计中的注意事项,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
13、但等级较高的框架网，然后再布设项目所要求等级的全面网*,48,图形设计中的注意事项,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,49,GPS网的特征条件,总基线数 独立基线数 必要基线数 多余基线数,50,GPS网的特征条件,若某GPS网由n个点组成，每点的设站次数为m，用N台GPS接收机进行观测 观测时段数C： 总基线数J总： 独立基线数J独： 必要基线数J必： 多余基线数J多：,51,GPS网设计书,编写提纲 概述：测区位置，项目概况 技术依据：规范、标准 坐标系统与起算数据 网形设计 质量检核 选点埋石 外业观测 数据处理：软件、处理方法（包括基线解算与网平差） 成果资料
14、,52,5.2 数据采集,53,5.2.1 外业观测的流程*,54,GPS测量的作业流程,测绘资料收集整理 仪器检验、检定 踏勘、选点、埋石 作业队进驻 卫星状态预报 观测计划制定 作业调度及外业观测 数据传输、转储、备份 基线解算及质量控制,55,5.2.2 外业观测进度和费用预算*,56,问题,要布设一个100个点的C级网，若某个外业测量对计划采用4台接收机进行观测，问题： 外业观测需要进行多少天？ 外业观测费用是多少？,57,最少观测时段数,定义 根据规范要求，布设一GPS网，需要观测的最少时段数。 特性 最少观测时段数与网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量有关。 计算公式：,最少
15、观测期数,网的点数,参与观测的接收机数,最少平均重复设站次数,58,外业观测进度及费用预算,用于估算工程进度 最少观测期数/单天观测期数+机动天数 用于估算外业观测作业成本 观测天数单天成本,59,5.2.3 选点与埋石,60,图上设计,应收集的资料 现有测量控制（平面控制点、水准点、GPS点）资料，包括：点之记、网图、成果表、技术总结等 地形图、交通图 测区总体建设规划、近期发展规划 图上设计 考虑应用、保存、交通等因素,61,选点,测站的基本要求 对空通视条件好，15以上不宜有成片障碍物。 便于仪器安置及观测作业。 远离可能的干扰源。 远离易引起多路径的环境。 地质条件良好、点位稳定、易于
16、保存，尽可能顾及交通等条件。 充分利用符合要求的现有观测设施。 尽量选择测站小环境与周围大环境一致的地点。,62,选点,辅助点和方位点 若AA级和A级GPS点不位于基岩上时，应在附近埋设13个辅助点，并测定它们与GPS点之间的距离和高差，精度优于5mm。 可根据需要在GPS点附近设置方位点。,63,选点,选点作业 实地探勘选点、标记。 利用旧点时，应对其稳定性、可靠性和完好性进行检查。 点名通常应取居民地名，C、D、E级点也可取山名、地名、单位名。少数民族地区的点名采用音译汉语名，可附原文。 新旧点重合时，通常用原名，否则因注上原名。与水准点重合时，应注明水准点等级和编号。 所有点应在现场绘制点之记。AA级和A级点还应填写地质概要、构造背景及地形地质略图。 点位周围存在高于10的障碍物时，应绘制点的环视图。 选点工作完成后，应绘制GPS网选点图。,64,选点,上交资料 点之记和环视图（黑墨水填写） GPS网选点图 选点工作总结,65,埋石,标石类型,66,埋石,中心标志 基岩和基本标石的中心标志采用铜或不锈钢制作 普通标石的中心标志可采用铁或坚硬的复合材料制作 中心用十字丝或直径小于0.5mm的中心点表示 埋石作业 上交资料 填写了埋石情况的点之记 土地占用批准文件和测量标志委托保管书 埋石工作总结,
