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1、20052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院第三章第三章 GPS测量的技术设计测量的技术设计1本章内容本章内容概述概述GPS网的精度和密度设计网的精度和密度设计GPS网的基准设计网的基准设计 GPS网的布网形式网的布网形式 GPS网的图形设计网的图形设计GPS网的设计准则网的设计准则GPS网的设计指标网的设计指标技术设计书的编写技术设计书的编写220052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院1. 概述概述320052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院1.1 技术设计及其作用技术设计及其作用4技术设计的内涵技术设计的内涵技术设计技术设计依据：GPS网
2、的用途及用户的要求，GPS测量规范（规程），内容：基准、精度、密度、网形及作业纲要（如观测的时段数、每个时段的长度、采样间隔、截止高度角、接收机的类型及数量、数据处理的方案）的具体规定和要求。技术设计的作用技术设计的作用提供了建立GPS网的技术准则，项目实施及成果检查验收时的技术依据5技术设计的过程技术设计的过程确定设计的技术依据确定设计的技术依据进行技术设计进行技术设计精度设计密度设计基准设计图形（结构）设计620052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院1.2 技术设计的依据技术设计的依据7技术依据技术依据测量任务书或测量合同书测量任务书或测量合同书GPS测量规范及规程测量规
3、范及规程其他规范及规程其他规范及规程8GPS测量规范及规程测量规范及规程现有规范、规程现有规范、规程全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T 18314-2009 国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会，2009年。全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T18314-2001，国家质量技术监督局，国家标准，2001全球定位系统（GPS）测量规范，CH2001-92，国家测绘局，1992全球定位系统（GPS ）测量型接收机检定规程 ，国家测绘局， CH8016-1995全球定位系统城市测量技术规程，CJJ 73-97，建设部，行业标准，19979GPS测量规范及规程测量规范及规程10GP
4、S测量规范及规程测量规范及规程规范的内容规范的内容 国家测量规范的内容国家测量规范的内容11GPS测量规范及规程测量规范及规程规范的内容规范的内容 城市测量技术规程城市测量技术规程12其他规范及规程其他规范及规程若暂无与工程相对应的若暂无与工程相对应的GPS规范时，可参规范时，可参照与该工程对应的常规测量规范中的质量照与该工程对应的常规测量规范中的质量要求，然后以此为依据，套用要求，然后以此为依据，套用GPS规范规范13测量任务书或测量合同书测量任务书或测量合同书测量任务书与合同书测量任务书与合同书测量任务书测量单位的上级事业性单位主管部门下达的具有强制性约束力的文件。常用于下达计划指令性任务
5、。测量合同书由业主方（或上级主管部门）与测量实施单位所签订的合同，具有法律效力。市场经济条件下广泛采用的一种形式。测量任务书和合同书的作用测量任务书和合同书的作用测量单位必须按照规定的项目目的、用途、范围、精度、密度等进行施测，按时提交合格的成果及相关资料。上级主管部门及业主方也应按规定及时拨（支）付作业费用，在资料、场地、生活方面给予必要的协助和照顾。技术设计必须保证所规定的各项技术指标均能得以满足，并在时间和进度安排上留有余地。14与甲方的关系与甲方的关系积极了解甲方要求积极了解甲方要求网的用途及质量要求积极与甲方进行沟通积极与甲方进行沟通成果内容及形式质检指标1520052012. 黄黄
6、劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院2. 精度和密度设计精度和密度设计16GPS测量的等级测量的等级我国我国GPS测量规范（测量规范（ GB/T 18314-2009 ）所规定的网的等级所规定的网的等级17GPS测量的等级测量的等级我国城市测量规程（我国城市测量规程（CJJ 73-97 ）所规定的）所规定的网的等级网的等级基线向量的弦长中误差：18各级各级GPS测量的精度及密度要求测量的精度及密度要求19精度和密度设计的原则精度和密度设计的原则精度设计的原则精度设计的原则满足合同或任务书要求满足规范要求满足应用要求密度设计的原则密度设计的原则根据工程项目的需要，而非网的规模大小或边长的长短20
7、20052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院3. GPS网的基准设计网的基准设计21GPS网基准设计的内涵网基准设计的内涵GPS网基准设计网基准设计指定GPS网所采用的坐标参照系（基准）确定所采用的起算数据GPS网的基准网的基准位置基准尺度基准方位基准22坐标参照系设计坐标参照系设计设计方法：根据布网的目的用途设计方法：根据布网的目的用途城市控制网或工矿企业的独立控制网，起算点的坐标采用上述坐标系中的坐标。全球性的或区域性的地球动力学研究时，通常采用ITRF坐标。23位置基准设计位置基准设计决定位置基准的因素决定位置基准的因素网中“起算点”坐标平差方法确定位置基准的方法确定位置
8、基准的方法选取网中一个点的坐标并加以固定或给以适当的权（最小约束平差）。网中各点坐标均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差来确定网的位置基准 。在网中选取若干个点的坐标并加以固定或给以适当的权（约束平差）。24位置基准设计位置基准设计独立网和附和网独立网和附和网独立网采用最小约束平差、自由网伪逆平差或拟稳平差时，网平差中仅引入了位置基准，无多余约束条件，对网的定向和尺度无影响。附合网采用约束平差时，起算数据多于必要的起算数据数，在确定网位置基准的同时也会对网的方向和尺度产生影响。25尺度基准设计尺度基准设计决定尺度基准的因素决定尺度基准的因素GPS网中的基线地面测距边已知点间的固定边GPS基线
9、向量确定尺度基准的方法确定尺度基准的方法新建控制网：可直接由GPS基线向量提供尺度基准，即采用独立网或固定一点一方位进行平差的形式，这样可以充分利用GPS技术的高精度特性。旧控制网加密或改造：采用附合网形式，已知点间的边长成为尺度基准。涉及特殊投影面（投影面非参考椭球面）的网：若在指定投影面上没有足够数量控制点，则可以引入地面高精度测距边作为尺度基准。 26方位基准设计方位基准设计 决定方位基准的因素决定方位基准的因素网中的起始方位角GPS基线向量确定尺度基准的方法确定尺度基准的方法利用旧网中的若干控制点作为GPS网中的已知点进行约束平差27基准设计的内容及原则基准设计的内容及原则设计内容设计
10、内容平差方法起算数据的类型、数量及分布设计原则设计原则满足项目要求结合现有条件2820052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院4. GPS网的布网形式网的布网形式29跟踪站式跟踪站式形式形式每个点上设置一台接收机，长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测。所有接收机的地位对等，无主次之分。优点优点精度和可靠性极高缺点缺点需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。适用范围适用范围一般用于建立GPS跟踪站或永久性的监测网（A级）。30会战式会战式形式形式多台GPS接收机集中在一段不太长的时间内，共同作业。分批观测模式，即一段时间里所有接收机在同一批点上进行多天、长时段的同步
11、观测；然后，所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至完成所有点的观测。有时也被称为分区观测。所有接收机的地位是对等的，没有主次之分。优点优点精度和可靠性很高适用范围适用范围B级网31多基准站式多基准站式形式形式有若干台接收机长期固定在某几个点作为基准站进行长时间的观测，与此同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行网观测模式或点观测模式的测量。优点优点各基准站间基线向量精度高，可作为整个GPS网的骨架。其余同步观测图形与各个基准站之间也存在同步观测基线，图形结构强。适用范围适用范围BE级网多基准站式多基准站式网模式点模式32同步图形扩展式同步图形扩展式形式形式多台接收机
12、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。优点优点扩展速度快，图形强度较高，作业方法简单。适用范围适用范围BE级网同步图形的扩展同步图形的扩展33单基准站（星形网）式单基准站（星形网）式形式形式以一台接收机作为基准站，连续开机观测，其余接收机在其周围流动观测，流动接收机之间一般不要求同步。流动接收机每观测一个时段，就测得一条与基准站间的同步观测基线，所有同步基线形成一个以基准站为中心的星形。优点优点效率高。缺点缺点图形强度弱，可
13、靠性低。适用范围适用范围不适用于等级GPS控制网测量，可用于对可靠性要求不高的等外GPS测量 。单基准站式的布网单基准站式的布网34确定布网方案应顾及的问题确定布网方案应顾及的问题网的质量要求网的质量要求所具备仪器的数量所具备仪器的数量测区测绘基础设施（是否可利用测区测绘基础设施（是否可利用CORS）网点的分布形态网点的分布形态面状还是带状3520052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院5. GPS网的图形设计网的图形设计36GPS网的基本图形网的基本图形三角形三角形多边形多边形附合导线形附合导线形星形星形37定义定义以三角形作为基本图形所构成的GPS网特点特点优点：几何强度高
14、、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提高图形强度的方法加测对角线三角形网三角形网38多边形网多边形网定义定义以多边形（边数4）作为基本图形特点：特点：效率高，工作量较小，图形强度虽不如三角形网保证及提高图形强度的方法保证及提高图形强度的方法对多边形边数加以限制39附和导线网附和导线网定义定义以附和导线（或称附和路线）作为基本图形特点特点效率高，工作量较小，图形强度虽不如三角形网和多边形网保证及提高图形强度的方法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40星形网（单基准站）星形网（单基准站）定义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
15、无联系）特点特点作业速度快，但抗粗差能力极差提高可靠性的方法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；适当复测应用应用界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）工作模式工作模式Go and StopRTK41多基准站多基准站定义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（待定点间一般无联系）特点特点抗粗差能力较差应用应用界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）工作模式工作模式Go and StopRTK提高可靠性的方法提高可靠性的方法适当复测4220052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院6. GPS网的设计准则网的设计准则43GP
16、S网设计的出发点网设计的出发点前提前提保证质量目标目标提高效率降低成本44GPS网设计的特点网设计的特点常规控制网图形设计常规控制网图形设计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网图形设计网图形设计观测设计（同步观测图形、重复观测次数、观测参数设置、观测时长要求）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）45网形与网形与GPS网质量的关系网质量的关系如果假定对应基线向量的质量一样，则在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下面两个图形中，对应各点的可靠性和精度是完全一样的度是完全一样的123451
17、234546网形与网形与GPS网质量的关系网质量的关系网的形状对网的形状对GPS网的质量没有直接影响网的质量没有直接影响对于上述两个网形，如果对应基线的质量相同，则两个网的质量也相同。对于上述两个网形，如果对应基线的质量相同，则两个网的质量也相同。47网形与网形与GPS网质量的关系网质量的关系 两点重要提示两点重要提示GPS网的图形强度（可靠性）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48重复设站与复测边重复设站与复测边GPS网布设时的重复设站次数（观测时段网布设时的重复设站次数（观测时段数）数）GPS点反复进行设站
18、观测的次数复测边（重复边）的布置复测边（重复边）的布置复测边：同一基线向量不同时段的观测结果注：以上两点也可看作是注：以上两点也可看作是GPS网测量的要求网测量的要求123456第一时段第一时段第二时段第二时段重测边（基线）重测边（基线）49提高提高GPS网可靠性的方法网可靠性的方法增加观测时段数（增加独立基线数）增加观测时段数（增加独立基线数） 保证一定的重复设站次数保证一定的重复设站次数保证每个测站至少与三条以上的独立基线保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性性 在布网时要使网中所有最简异步环的边数在布网时要使网中所有
19、最简异步环的边数不要过多不要过多各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数要求50提高提高GPS网精度的方法网精度的方法对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得直接观对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得直接观测基线。测基线。可以在全面网之上建立框架网，以框架网作为整个可以在全面网之上建立框架网，以框架网作为整个GPS网网的骨架。的骨架。在布网时要使网中所有最简异步环的边数要过多。在布网时要使网中所有最简异步环的边数要过多。在建立在建立GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与网时，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，或将它们作观测值（基
20、线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。为起算边长。若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高或正高，若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高或正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应尽可能多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布尽可能多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包围起来。在网中的四周，将整个网包围起来。在网中增设长时间、多时段的基线向量。在网中增设长时间、多时段的基线向量。51短边必测短边必测网中距离较近的点间要进行直接观测（短网中距离较近的点间要进行直接观测（短边必测）
21、边必测）短边必测短边必测52框架网的采用框架网的采用当控制网的范围较大时，可采用分级布设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的框架网，然后再部分项目所要求等级的全面网全面网框架网框架网全面网全面网53起算数据的选取与分布起算数据的选取与分布 起算点的选取与分布若要求新旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好；若不要求新旧成果完全吻合，则一般可选35个起算点，用于基准转换和检核；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。起算边长的选取与分布若需要将所建立的
22、GPS网成果投影到某一指定的高程面上，可以采用高精度激光测距边（已归算到指定高程面上）作为起算边长，数量为35条，可设置在网中任意位置，但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。起算方位的选取与分布在采用GPS技术建立独立坐标系下的控制网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可设置在网中任意位置。5420052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院7. GPS网的设计指标网的设计指标5520052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院GPS网的特征值网的特征值56理论最少观测时段数理论最少观测时段数 定义定义理论最少观测时段数是在满足所规定的重复设站次数要求的前
23、提下，完成GPS网外业观测理论上所需的最少观测时段数。计算公式计算公式理论最少观测时段数 点数重复设站观测数接收机数57设计时段数设计时段数定义定义按照设计的外业观测方案完成GPS网的观测所需的观测时段数，称为设计时段数，用符号SD表示。58基线总数基线总数定义定义通过外业观测所测得所有基线的数量计算公式计算公式 基线总数观测时段数接收机数59独立基线数独立基线数定义定义通过外业观测所测得独立基线的数量计算公式计算公式 基线总数观测时段数接收机数60必要基线数必要基线数定义定义建立网中所有点之间相对关系所必须的基线数 计算公式计算公式 基线总数点数61多余基线数多余基线数定义定义独立基线数与必
24、要基线数之差 计算公式计算公式 多余基线数62效率指标效率指标定义定义理论最少观测时段数与设计观测时段数的比值，称之为效率指标（e）。计算公式计算公式63可靠性指标可靠性指标定义定义整网的多余基线数与独立基线总数的比值，称为整网的平均可靠性指标（）计算公式计算公式64精度指标精度指标根据网的结构可以得到根据网的结构可以得到GPS网的协因数阵网的协因数阵Q=(BTPB)-1，在，在GPS网的设计阶段可以采用网的设计阶段可以采用sqrt(tr(Q)作为衡量作为衡量GPS网整体精度的指标。网整体精度的指标。 65GPS网设计书网设计书编写提纲编写提纲概述：测区位置，项目概况技术依据：规范、标准坐标系
25、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6620052012. 黄黄劲松松 武武汉大学大学 测绘学院学院课堂测验课堂测验67课堂测验课堂测验什么是观测时段，什么是时段长度？什么是观测时段，什么是时段长度？若某若某GPS网由网由100个点组成，要求每点设站个点组成，要求每点设站次数不小于次数不小于2，若，若6台台GPS接收机进行观测，接收机进行观测，问：问：至少需要进行多少个时段的观测Smin？此时，总基线数BA、独立基线数BI、必要基线数BN、多余基线数BR各为多少？若时段长度为2h，每天工作时间为8h（离开驻地到返回驻地的时间），此网至少需要多少天才能观测完成？（请说明预估依据）68
