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1、第九讲 GPS测量技术设计学习指南主要讲述GPS控制网技术设计的方法与过程。进行GPS网设计时，应了解控制网设计的依据，掌握GPS控制网的布网形式与布网原则。在设计中要确定GPS网的位置基准、方位基准和尺度基准，同时通过精度预算进行GPS网的精度设计。GPS测量在外业观测工作之前，应做好施测前的收集、器材准备、人员组织、外业观测计划拟订以及技术设计书的编写等工作。这一阶段要进行卫星的可视见性预报、最佳观测时段的选择、制定接收机的调度计划。完成了一个GPS控制网的技术设计之后，必须按一定内容和格式的要求编写相应的技术设计书，它是GPS作业开展的指导性文件。在对讲内容学习时，要掌握GPS控制网的基
2、准设计内容，结合一定实际，掌握GPS网的图形构成的基本概念和网的特征条件的内容。重点掌握GPS控制网的图形设计及设计原则，能够进行观测纲要的设计，熟悉技术设计书的编写内容与要求。本节的难点是GPS控制网的基准和精度设计问题。本单元教学重点和难点1、GPS测量技术设计书的编写。2、GPS网图形的设计。3、GPS点选择的原则方法。教学目标1、掌握GPS测量技术设计书的编写。2、掌握GPS网图形的设计。3、结合理论，在实际的工程中灵活应用。教学内容GPS测量规范（规程）的应用，GPS测量精度标准及分类、GPS点的密度标准、GPS网的基准设计、GPS网图形的设计、基本图形的选择、GPS测量技术设计书的
3、编写，GPS接收机的选择与检验等。 一、GPS测量的技术设计GPS测量的技术设计是进行GPS测量定位的最基础性工作，它是根据国家现行的规范、规程，针对GPS控制网的用途及用户要求，提出对GPS测量的网形、精度及基准等的具体设计。1 GPS控制网的技术设计的依据GPS控制网技术设计及业外测量的主要技术依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。11 GPS测量规范（规程）GPS测量规范（规程）是国家测绘管理部门和行业部门所制定的技术标准和法规，目前GPS控制网设计依据的规范（规程）有： 2001年国家质量技术监督局发布的国家标准全球定位系统（GPS）测量规范，以下简称国标（GB）； 1992年国家
4、测绘局发布的测绘行业标准全球定位系统（GPS）测量规范，以下简称规范； 1998年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程，以下简称规程； 各部委根据本部门GPS工作的实际情况指定的其他GPS测量规程或细则。12测量任务书测量任务书或测量合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种技术文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交成果资料的项目和时间、完成任务的经济指标等。在GPS测量方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、点位密度和经济指标，并结合国家标准或其他行业规范（规程），现场具体确定点位及点间的连接方式、各点设站观测的次
5、数、时段长短等布网施测方案。2 GPS控制网的精度、密度设计应用GPS定位技术建立的测量控制网称为GPS控制网，其控制点称为GPS点。GPS控制网可分为两大类：一类是国家或区域性的高精度GPS控制网；另一类是局部性的GPS控制网，包括城市或工矿区及各类工程控制网。21 GPS测量的精度标准及分级对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以GPS网相邻点间弦长标准差来表示，即：式中： 标准差（基线向量的弦长中误差，mm）； a GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）； b GPS接收机标称精度中的比例误差系数（110-6） d 相邻点间的距离（km）。根
6、据2001年国家质量技术监督局发布的国家标准全球定位系统（GPS）测量规范，将GPS控制网按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六个精度级别，如表6-1所示。表6-1 GB规范规定的GPS测量控制网精度分级级别平均距离/Km固定误差a/mm比例误差系数b/10-6AA100030.01A30050.1B7081C1015105D5101010E0.251020其中，AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量；B级主要用于局部变形监测和各种精密工程测量； C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E级主要用于中、小城市，
7、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等控制测量。AA、A级是建立地心参考框架的基础，同时AA、A、B级也是建立国家空间大地测量控制网的基础。为了进行城市和工程测量，建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程将GPS测量划分为二等、三等、四等和一级、二级，如表6-2所示。表6-2规程规定的GPS测量控制网精度分级等 级平均距离/km固定误差a/(mm)比例误差b/10-6最弱边相对中误差二等91021/120000三等51051/80000四等210101/45000一级110101/20000二级115201/10000注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm
8、。在实际工作中，精度标准的确定还要根据用户的实际需要及人力、物力、财力等情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在布网时可以逐步布设、越级布设或布设同级全面网。22 GPS定位的密度设计 各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网的分布有不同的要求。例如，国家特级（AA级）基准点主要用于提供国家级基准，有助于定轨、精密星历计算和大范围大地变形监测，平均距离几百公里。而一般工程测量所需要的网点则应满足测图加密和工程测量，平均边长几公里，甚至更短几百米以内。综合以上因素，国家规范和规程对GPS网中两相邻点间距离视其需要做出了规定：各级GPS相邻点间平均距离应符合表6-1、6-2
9、中所列数据的要求，相邻点间最小距离可为平均距离的1/31/2倍，最大距离可为平均距离的23倍。 在特殊情况下，个别点的间距可也可结合任务和服务对象，对GPS点分布要求做出具体的规定。3 GPS控制网的基准设计通过GPS测量可以获得地面点间的GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标系。在实际工程应用中，我们需要的是国家坐标系（1954年北京坐标系或1980年西安坐标系）或地方独立坐标系的坐标。因此，对于一个GPS网测量工程，在技术设计阶段必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。通常将这项工作称为GPS网的基准设计。GPS网的基准包括位置基准、方位基准和
10、尺度基准。位置基准一般由GPS网中起算点的坐标确定。方位基准一般由给定的起算方位角值确定，也可以将GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由GPS网中两起算点间的坐标反算距离确定，也可以利用地面的电磁波测距边确定，或者直接根据GPS基线向量的距离确定。因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的位置基准问题。在GPS网控制的基准设计时，必须考虑以下几个问题: (1) GPS测量成果转化到工程所需的地面坐标系中的坐标，应选择足够的地面坐标系的起算数据与GPS测量数据重合，或者联测足够的地方控制点，以求得坐标转换参数用以坐标转换。在选择联测点时既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度G
11、PS网不受因旧资料精度较低的影响。因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联测2-3个点。 (2) 为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对他们也要构成图形。(3) 在布设GPS网时，可以采用高精度的激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在35条左右。这些边可设在GPS网中的任何位置，但激光测距边两端的高差不应过份悬殊。(4) 在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多。起算方位可布设在GPS网中任何位置。(5) GPS网经三维平差计
12、算后，得到是相对于参考椭球面的大地高程，为求得GPS点的正常高程 ，可根据具体情况联测高程点。联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。AA、A级网应按二等水准逐点联测高程。B级网应按三等水准或与其相当的方法至少每隔23点联测一点。C级网应按四等水准或与其相当的方法至少每隔36点联测一点。D、E级网具体联测宜采用不低于四等水准或与其精度相等的方法进行。GPS点高程在经过精度分析后可供测图或其他方面使用。(6) 新建GPS网的坐标系应尽量与测区过去采用的坐标系统一致。如果采用的是地方独立或城市独立坐标系，应进行坐标转换，并应具备下列技术参数：所采用的参考
13、椭球几何参数；坐标系的中央子午线经度值；纵横坐标的加常数；坐标系的投影面高程及测区均高程异常值；起算点的坐标值及起算方位。(7) 当GPS网的世界大地坐标转换成地方独立坐标系时，应满足投影长度变形不大于2.5mm/Km。可根据测区所在地理位置和平均高程按下述方法选定坐标系统：当长度变形值不大于2.5mm/Km时，采用高斯正形投影统一带的平面直角坐标系统；当长度变形值大于2.5mm/Km时，可以采用投影于抵偿高程面上的高斯正形投影带的平面直角坐标系统；当长度变形值大于2.5mm/Km时，也可以采用高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统，投影面可采用黄海平均海水面或测区平均高程面。(8) 当GPS测
14、量的高程值转换为正常高时，其高程系统，应采用1985年国家高程基准或沿用1956年黄海高程系统、地方高程系统。1985年国家高程基准青岛原点高程为72.260m；1956年黄海高程系统青岛原点高程为72.289m。4 GPS控制网图形构成的基本概念和网的特征条件在进行GPS网图形设计前，必须明确有关GPS网构成的几个概念，掌握网的特征条件计算方法。41 GPS网图构成的几个基本概念 观测时段（Observation session）：测站上开始接收卫星信号进行观测到停止，连续观测的时间间隔。 同步观测（Simultaneous observation）：两台及以上接收机同时对同一组卫星进行的观
15、测。 同步观测环（Simultaneous observation loop）：三台及以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环。 独立观测环（Independent observation loop）：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。(5)异步观测环（Non-Simultaneous observation loop）：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。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。 星历（Ephemeris）：是不同时刻卫星在轨道上的坐标值。 数据剔除率（Percentage of data rejection）删除的观测值个数与应获得的观测值个数比值。 天线高（Antenna height）：观测时接收机天线平均相位
