第六章_GPS测量技术设计

1、第六章 GPS测量的技术设计u本章主要内容：u1，GPS测量的精度设计、密度和基准设计u2，GPS控制网的图形设计及设计原则u3，GPS观测纲要设计u4, GPS技术总结和资料上交重点是GPS控制网的图形设计。第一节 GPS测量技术设计uGPS测量的流程项目立项测量实施数据处理成果验收GPS测量任务书或合同书对精度、密度、基准、网形和观测纲要进行设计实地踏勘、选点埋石、仪器检验、作业安排和调度。数据下载存储、格式转换（可选）、基线处理、质量检验、网平差和坐标转换检验成果是否达到要求技术设计项目立项的依据uGPS测量任务书或测量合同书：测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的GPS测量的技术要求

2、文件，其主要内容为：u（1）测区位置及范围：测区的地理位置、范围和控制网的控制面积；u（2）用途和精度等级：控制网将用于何种目的，其精度要求达到多少，要求达到何种等级。u（3）点位分布及点的数量：控制点的点位分布、点的数量及密度要求，是否对点位分布有特殊要求的区域。GPS测量任务书或合同书的内容u（4）提交成果的内容：需要提交那些成果，所提高的成果分别属于那些坐标系，所提交的高程分别属于那些高程系统，除了提高最终成果外，是否需要提交原始数据或中间数据。u（5）时限要求：何时是提交成果的最后期限。u（6）投资经费：对工程的经费投入数量。GPS测量任务书或合同书的作用u测量单位必须按照测量任务书或

3、测量合同书进行施测，在规定时间内提高合格的成果，上级主管部门或甲方应按合同规定拨付费用，并在资料、场地和生活方面予以必要协助。GPS测量技术设计的概念u依据GPS测量任务书或合同书，按照国家及行业主管部门颁布的规范、规程，对GPS测量的网形、精度、密度、基准及作业纲要所做出的的具体规定和要求。u它是GPS测量的一项非常重要的基础性工作，是项目实施及检查验收的技术依据。u技术设计必须保证测量任务书或测量合同书中所提出的各项指标均能满足，并在时间和进度安排上留有余地。设计依据u1，测量任务书或测量合同书u2，GPS测量规范和规程u（1）全球定位系统（GPS）测量规范u（2）全球定位系统（GPS）城

4、市测量技术规程u（3）各部门规定的其它GPS测量规程或细则GPS控制网的精度设计uGPS控制网：应用GPS定位技术建立的控制网称为GPS控制网，相应的控制点称为GPS点。uGPS控制网分为高精度的国家控制网和常用的工程控制网两类。uGPS控制网的精度要求取决于控制网的用途和定位技术所能达到的精度水平。uGPS控制网的精度指标为相邻点弦长中误差。GPS控制网的精度指标=a2 + (bd10-6)2u ：弦长中误差(mm)u a ：控制网期望达到的固定误差(mm)u b：控制网期望达到的比例误差系数u d ：相邻点弦长（单位为km）GB规范规定的GPS测量控制网精度分级级别固定误差a(mm)比例误

5、差系数b(10-6)AA30.01A50.1B81C105D1010E1020不同等级GPS控制网的用途uAA级主要用于全球性的地球动力学、地壳形变测量和精密定轨；uA级主要用于区域性的地球动力学、地壳形变测量；uB级主要用于局部变形监测和各种精密工程测量；uC级主要用于大中城市级工程测量的基本控制网；uD、E级主要用于中小城市，城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测等施工测量。城市和工程测量的精度分级u为了进行城市和工程测量的需要，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，并且对每种等级的控制网测量做出一系列的规定，形成规程，测量单

6、位根据自己的工程需要选用合适的等级，按照相应 的规程进行施测可以简单有效得到合格的成果。规程规定的GPS测量控制网精度分级等级固定误差a(mm)比例误差系数b (10-6)最弱边相对中误差二等102 1/120000三等1051/80000四等10101/45000一级10101/20000二级15201/10000精度标准的确定u在实际工作，精度标准的确定还需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。在布网时可以逐级布设、越级布设或布设全面同级网。GPS控制网的密度指标u在规范和规程中对各等级GPS网中相邻点的平均距离做出了规定。相

7、邻点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。也可根据不同的对象和用途，对点的分布做出具体规定。规范GPS网中相邻点的平均距离（km）级别AAABCDE平均距离10003007010-155-100.2-5规程GPS网中相邻点的平均距离（km）级别二等三等四等一级二级 平均距离95211根据项目具体情况进行设计uGPS测量规范和规程中的各项规定和指标都是针对一般情况而言，并不适合于所有场合。所以在特殊情情况下，测量施工单位仍需按照测量任务书或合同书提出的要求进行技术设计，而不可一概套用GPS测量规范和规程的相关规定。u当某个项目的精度要求界于两个等级之间，而向上靠

8、一级又会大幅度增加工作量时，也应另行设计，以便市成果既能满足要求，又不致付出过高的代价。GPS控制网基准设计u明确GPS控制网成果采用的坐标系统和起算数据，即GPS网所采用的基准。uGPS基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。u位置基准一般由GPS网中起算点的坐标确定。u方位基准一般由给定的起算方位角确定，也可以将GPS基线的方向作为方位基准。u尺度基准一般由GPS网两起算点的距离确定，也可利用电磁波测距边或直接根据GPS基线相邻确定。uGPS网的基准实质主要是指网的位置基准问题。基准设计时必须考虑以下几个问题u联测足够数量的高精度国家或原城市已有控制点，大中城市为3个以上，小城市或工程控制网

9、可为2-3个。u联测的高精度国家或原城市已有控制点观测时构成闭合图形u可利用两端高差相差不太大的3-5条高精度测距边作为起算边长。u若引入起算方位，不宜过多。u为了求得GPS点的正常高，需联测适当数量的水准点以进行高程拟合。基准设计时必须考虑以下几个问题u新建的GPS坐标系应尽量与原有坐标系统一致，若采用的是地方独立坐标系和城市独立坐标系，应进行坐标转换，并应具有以下参数：u所采用的参考椭球几何参数u中央子午线u纵横加常数u测区投影面高程及平均高程异常u起算点的坐标值及起算方位。基准设计时必须考虑以下几个问题u当GPS网的WGS-84坐标转换为地方独立坐标系时，应满足投影长度变形不大于2.5c

10、m/km。可根据测区位置和平均高程选定如下坐标系统：u投影长度变形不大于2.5cm/km，高斯正形30带；u投影长度变形大于2.5cm/km，抵偿面高斯正形30带；u投影长度变形大于2.5cm/km，高斯正形任意带；u投影长度变形大于2.5cm/km，测区平均高程面的高斯正形任意带。GPS测量应采用的高程系统uGPS高程转换为正常高时，应采用1985国家高程基准或沿用1956黄海高程基准、地方高程基准。GPS网的基本概念和特征条件uGPS网的几个基本概念u观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时问段简称时段。u同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。u同步观测

11、环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。GPS网的几个基本概念u独立基线：对干N台GPS接收机构成的同步观测环，有J=N(N-1)/2条同步观测基线，其中独立基线数为N一1。独立基线之间没有相关性。u独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。u异步观测环：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侧环，简称异步环。GPS网的几个基本概念u非独立基线：除独立基线外的其他叫非独立基线，总基线数与独立基线之差为非独立基线数。u星历：表示卫星位置的一组参数。u数据剔除率：删除的数据量与总的观测数量的比值。u

12、天线高：观测时刻天线相位中心到测站中心标准的距离。GPS网的特征条件的计算uGPS网的特征条件的计算uGPS观测时段：S=nm/Nun为需要布设的GPS点数um为每个点的观测次数uN为接收机台数GPS网特征条件参数GPS网特征条件参数GPS网特征条件计算式总基线数B总=SN (N-1)/2必要基线数B必=n-1独立基线数B 独=S(N-1)多余基线数B多=S(N-1)-(n-1)GPS网特征条件参数u对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含 的基线（或简称GPS边）数为： J N(N1)/2；但其中仅有N1条是独立边，其余为非独立边。u当同步观测的GPS接收机数N3时，同步闭合环T的

13、最少个数应为: TJ(N1)(N1)(N2)/2N与J、T的关系N23456J1361015T013610GPS独立观测边的不同选择关于同步环和异步图形的几点说明（1）理论上，同步闭合环中各GPS的坐标差之和即闭合差应为零，但实际上并非如此，一般规范都规定了同步闭合差的限差。但当由于某种原因，同步不是很好的，应适当放宽此项限差。u（2）同步闭合环的闭合差较小只能说明基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。关于同步环和异步图形的几点说明u（3）为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立边构成一定的几

14、何图形。这种几何图形可以是由数条独立边构成的非同步多边形（亦称非同步闭合环）。当GPS网中有若干个起算点时，也可以是由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。（4） 对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定，必要时在经技术负责人审定后，也可根据具体情况适当调整。当接收机多于3台时，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。提高精度的原则u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；u建立框架网；u最小异步环边数不大于6 ；u适当引入高精度测距边；u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；u适当延长观测时间，增加观测时段；u选取适当数量的

15、已知点，已知点分布均匀。提高可靠性的原则u增加观测期数（增加独立基线数）；u保证一定的重复设站次数；u保证每点与三条以上的独立基线相连；u最小异步环边数不大于6。第二节 GPS控制网的图形设计及设计原则u GPS控制网的图形设计问题就是如何将各同步环有机地连成一个整体，构成一定数量的同步观测环和异步观测环，也可采用线路形式，以较好地满足精度、可靠性、经费和后勤等限制条件。u根据以上布网原则，GPS网的布设通常有三种方式：u多基准站式（枢纽点式）u同步图形扩展式单基准站式 多基准站式 u布网形式：所谓多基准站式的布网形式就是有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

16、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。 u特点：采用多基准站式的布网形式所布设的GPS网，由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，u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，其余的多基准站式示意图u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。 同步图形扩展式u布网形式：就是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

17、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。u特点：同步图形扩展式的布网形式具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。u形式：点连式、边连式、网连式和混连式。点连式u相邻同步图形之间只有一个公共点连接。u这种布网方式几何强度较弱，抗粗差能力较差，一般可以加测几个时段以增强网的异步图形闭合条件的个数。边连式u相邻同步图形由一条公共基线连接。u这种布网方式几何强度较高，抗粗差能力较强，有较多的复测边和非同步图形闭合条件，在相同的仪器个数的条件下，观测时段将比点连接方式大大增加。网连

18、式u相邻同步图形由三个或以上的公共点连接。u这种布网方式几何强度高，抗粗差能力强，有大量的复测边和非同步图形闭合条件，u在相同的仪器个数的条件下，观测时段将比边连接方式大大增加，观测效率极为低下。u一般只用对GPS网精度和可靠性要求非常严格的场合，在一般工程中较少采用。混连式u该方式是把点连式和边连式有机地结合在一起，这种方式既可以提高网的几何强度和可靠性指标，有减少了外业工作量，是一种较为理想的布网方法。三种连接方式主要特征统计项目点连接边连接混合连接总点数666同步图形个数354总基线向量数91512独立基线向量数6108必要基线向量数555多余基线向量数153三种连接方式主要特征统计项目

19、点连接边连接混合连接重复基线向量数042非同步图形个数111一次设站数300二次设站数336三次设站数030总体可靠性指标0.170.500.38注：总体可靠性指标多余基线数/独立基线数单基准站式 u布网形式：单基准站式的布网方式有时又称作星形网方式，它是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。流动的接收机有时也称为流动站。单基准站式的特点u单基准站式的布网方式的效

20、率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。 GPS图形设计原则uGPS网图形要求：u1，实用，u2，满足一定的精度和可靠性指标；u3，较高的经济指标。u设计遵循原则：u1，根据测区实际需要和交通状况设计。若需要常规测量加密或使用，每个点有一个以上的通视方向。GPS图形设计原则u2，应尽量沿用原有测绘成果资料和各种大比例尺地形图，采用原有坐标系统，利用原有标石。u3，各等级GPS网中每个闭合环或附合线路中的边数应符合表6-5和表6-6的规定。表6-5 规范规定的闭合环或附合线路边数级别ABCDE闭合环或附合线路边数

21、566810GPS图形设计原则表6-6 规程规定的闭合环或附合线路边数u4，大中城市的GPS控制网联测国家控制点不少于3个，小城市或工程控制网可联测2-3个。u5，为了求得GPS点的正常高，应进行水准测量的高程联测，其实施要求如下：级别二等三等四等一级二级闭合环或附合线路边数68101010高程拟合的要求u（1）高程联测应采用不低于四等水准测量或精度相当的方法进行；u（2）平原地区，高程联测点数不少于5个，并均匀分布在网中；u（3）丘陵或山地，高程联测点数应按测区地形特征，适当增加，其点数不宜少于10个；u（4）GPS点的正常高经计算分析，符合精度要求的可供测图或一般工程测量使用。第三节 GPS观测纲要设计u在进行GPS作业之前，需要根据设计的要求，进行器材准备及人员组织，其主要内容为：u观测仪器、计算机及配套设备的准备；u交通、通讯设施的准备；u准备施工器材、计划油料和其他消耗材料；u组织测量队伍，拟定测量人员名单及岗位，并进行必要的培训；进行测量工作成本的详细预算。外业观测计划的拟定u外业观测计划的拟定：外业观测是GPS测量的主要工作。为了保证外业观测工作能按计划、合格高效顺利完成，必须制定严密的观测计划。u拟定观测计划的依据：u根据GPS网的精度要求确定的观测时间、观测时段数；uGPS网规模的大小、点