控制测量教案(共127页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 绪 论第一节 控制测量的任务和作用一、 概述1、控制网控制测量学是研究精确测定和描绘地面控制点空间位置及其变化的学科。它是在大地测量学基本理论基础上以工程建设测量为主要服务对象而发展和形成的，为人类社会活动提供有用的空间信息。2、控制测量测定控制点位的工作，称为控制测量3、 国家控制网 在全国范围内建立的控制网，称为国家控制网。国家平面控制网主要布设成三角网，采用三角测量的方法。国家高程控制网布设成水准网，采用精密水准测量的方法。4、城市控制网在城市地区，为测绘大比例尺地形图、进行市政工程和建筑工程放样、而在国家控制网的控制下建立的控制网，称为城市控制网。5、

2、小地区控制测量在面积小于15km²范围内建立的控制网，称为小地区控制网。二、工程控制测量的基本任务和作用1、在设计阶段建立用于测绘大比例尺地形图的测图控制网 在这一阶段，设计人员要在大比例尺地形图上进行建筑物的设计或区域规划，以求得设计所依据的各项数据。因此，控制测量的任务是布设作为图根控制依据的测图控制网，以保证地形图的精度和各幅地形图之间的准确拼接。2、在施工阶段建立施工控制网 在这一阶段，施工测量的主要任务是将图纸上设计的建筑物放样到实地上去。在施工放样之前，需建立具有必要精度的施工控制网。 3、在工程竣工后的运营阶段，建立以监视建筑物变形为目的的变形观测专用控制网以上2、3阶

3、段布设的两种控制网统称为专用控制网。三、 控制测量学的主要研究内容 控制测量学的基本科学技术内容概括如下： （1）研究建立和维持高科技水平的工程和国家水平控制网和精密水准网的原理和方法，以满足国民经济和国防建设以及地学科学研究的需要。 （2）研究获得高精度测量成果的精密仪器和科学的使用方法。 （3）研究地球表面测量成果向椭球及平面的数学投影变换及有关问题的测量计算。（4）研究高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理的理论和方法、控制测量数据库的建立及应用等。 第二节 控制网的布设形式一、平面控制网的布设形式1、导线网的布设形式导线网是目前工测控制网较常用的一种布设形式，它包括单一导线

4、和具有一个或多个结点的导线网。网中的观测值是角度（或方向）和边长。独立导线网的起算数据是：一个起算点的 坐标和一个方向的方位角。导线网与三角网相比，主要优点在于：（1）网中各点上的方向数较少，除结点外只有两个方向，因而受通视要求的限制较小，易于选点和降低觇标高度，甚至无须造标。（2）导线网的图形非常灵活，选点时可根据具体情况随时改变。（3）网中的边长都是直接测定的，因此边长的精度较均匀。 导线网的缺点主要是：导线网中的多余观测数较同样规模的三角网要少，有时不易发现观测值中的粗差，因而可靠性不高2、三角网在地面上选定一系列点位1，2，使互相观测的两点通视，把它们按三角形的形式连接起来即构成三角网

5、。如果测区较小，可以把测区所在的一部分椭球面近似看做平面，则该三角网即为平面上的三角网（图1-4）。三角网中的观测量是网中的全部（或大部分）方向值（有关方向值的观测方法见第三章），图1-4中每条实线表示对向观测的两个方向。根据方向值即可算出任意两个方向之间的夹角。3、边角网和三边网边角网是指测角又测边的以三角形为基本图形的网。如果只测边而不测角即为三边网。实际上导线网也可以看做是边角网的特殊情况。4、GPS网二、高程控制网的布设1、几何水准测量用水准仪和水准尺进行水准测量的方法叫几何水准测量。2、三角高程测量三角高程测量主要用于山区的高程控制和平面控制点的高程测定。第三节 国家控制网的布设一、

6、 布设原则我国幅员辽阔，在大部分领域（约9 600 OOOkm)上布设国家天文大地网，是一项规模巨大的工程。1、分级布网、逐级控制由于我国领土辽阔，地形复杂，不可能用最高精度和较大密度的控制网一次布满全国。为了适时地保障国家经济建设和国防建设用图的需要，根据主次缓急而采用分级布网、逐级控制的原则是十分必要的。即先以精度高而稀疏的一等三角锁尽可能沿经纬线方向纵横交叉地迅速布满全国，形成统一的骨干大地控制网，然后在一等锁环内逐级（或同时）布设二、三、四等控制网。2、应有足够的精度3、应有足够的密度控制点的密度，主要根据测图方法及测图比例尺的大小而定。4、应有统一的规格由于我国三角锁网的规模巨大，必

7、须有大量的测量单位和作业人员分区同时进行作业，为此，必须由国家制定统一的大地测量法式和作业规范，作为建立全国统一技术规格的控制二、布设方案根据国家平面控制网施测时的测绘技术水平，我国决定采取传统的三角网作为水平控制网的基本形式，只是在青藏高原特殊困难的地区布设了一等电磁波测距导线。1、一等三角锁布设方案一等三角锁是国家大地控制网的骨干，其主要作用是控制二等以下各级三角测量，并为地球科学研究提供资料。一等三角锁尽可能沿经纬线方向布设成纵横交叉的网状图形。在一等锁交叉处设置起算边，以获得精确的起算边长。一等锁在起算边两端点上精密测定了天文经纬度和天文方位角，作为起算方位角，用来控制锁、网中方位角误

8、差的积累2、二等三角锁、网布设方案二等三角网是在一等锁控制下布设的，它是国家三角网的全面基础，同时又是地形测图的基本控制。因此，必须兼顾精度和密度两个方面的要求。在一等三角锁和二等基本锁控制下，布设平均边长约为13km的二等补充网。按三角形闭合差计算所得的测角中误差小于士2.5"。为了控制边长和角度误差的积累，以保证二等网的精度，在二等网中央处测定了起算边及其两端点的天文经纬度和方位角，测定的精度与一等点相同3、三、四等三角网布设方案三、四等三角网是在一、二等网控制下布设的，是为了加密控制点，以满足测图和工程建设的需要。三、四等点以高等级三角点为基础，尽可能采用插网方法布设，但也采用

9、了插点方法布设，或越级布网。即在二等网内直接插人四等全面网，而不经过三等网的加密。 三等网的平均边长为8km，四等网的边长在26km范围内变通。由三角形闭合差计算所得的测角中误差，三等为士1.8"，四等为士2.5"。4、GPS网1）国家GPS A级网2）国家GPS B级网3）全国GPS一、二级网三、国家高程控制网高程控制网主要用水准测量和三角高程测量方法建立。（1）用水准测量方法建立的高程控制网称为水准网。高程控制网可以一次全面布网，也可以分级布设。各等级水准测量都可作为测区的首级高程控制。（2）三角高程测量是根据两点间的竖直角和水平距离计算高差而求出高程的，其精度低于水准

10、测量。国家高程控制网是用水准测量的方法建立起来的，又称国家水准网，按控制等级和施测精度分为四个等级，一、二等为精密水准测量，三、四等为普通水准测量。一等水准网是国家高程控制网的骨干；二等水准网布设于一等水准环内，是国家高程控制网的全面基础；三、四等水准网为国家高程网的进一步加密。 目前我国主要采用的是1985国家高程系统。第四节 工程平面控制网的布设原则和方案一、 布设原则工测控制网可分为两种：一种是在各项工程建设的规划设计阶段，为测绘大比例尺地形图和房地产管理测量而建立的控制网，叫做测图控制网；另一种是为工程建筑物的施工放样或变形观测等专门用途而建立的控制网，我们称其为专用控制网。建立这两种

11、控制网时亦应遵守下列布网原则。1、分级布网、逐级控制对于工测控制网，通常先布设精度要求最高的首级控制网，随后根据测图需要，测区面积的大小再加密若干级较低精度的控制网2、要有足够的精度以工测控制网为例，一般要求最低一级控制网（四等网）的点位中误差能满足大比例尺1:500的测图要求。3、要有足够的密度不论是工测控制网或专用控制网，都要求在测区内有足够多的控制点。4、要有统一的规格为了使不同的工测部门施测的控制网能够互相利用、互相协调，也应制定统一的规范，如现行的城市测量规范和工程测量规范。二、布设方案工测三角网具有如下的特点： 各等级三角网平均边长较相应等级的国家网边长显著地缩短；三角网的等级较多

12、； 各等级控制网均可作为测区的首级控制； 三、四等三角网起算边相对中误差，按首级网和加密网分别对待。 以上这些特点主要是考虑到工测控制网应满足最大比例尺1:500测图的要求而提出的。三、专用控制网的布设特点专用控制网是为工程建筑物的施工放样或变形观测等专门用途而建立的。由于专用控制网的用途非常明确，因此建网时应根据特定的要求进行控制网的技术设计。第五节 控制测量作业流程用于工程测量的控制测量，一般作业流程是：收集本测区的资料-测区踏勘- 图上设计-野外实地选点-造标埋石-观测-计算控制测量的任务是精确确定控制点的空间位置。1）选定控制点的位置其工作步骤包括收集资料，实地踏勘，图上设计，实地选点

13、，造标、埋石。2）观测用精密的仪器和科学的操作方法将控制网中的观测元素精密测定出来。3）计算用严密的计算方法将控制点的空间位置计算出来。计算步骤包括归算（将地面观测结果归算至椭球面上）；投影（将椭球面上的归算结果投影到高斯平面上）；平差（在高斯平面上按最小二乘法进行严密平差）。第二章 控制测量技术设计第一节 概述一、技术设计的意义和主要任务1、技术设计的意义2、技术设计的主要任务（1）根据生产任务，结合测区具体情况，拟定最佳控制网布设方案。（2）确定适宜的精度等级。（3）拟定建网计划 二、技术设计的依据和基本原则 1、技术设计的依据1）、上级下达任务的文件或合同书 2）有关的法规和技术标准 3

14、）有关测绘产品生产定额、成本定额和装备标准 2、技术设计的基本原则 1）技术设计方案应先考整体，后考局部，顾及发展；要满足用户的要求，重视社会效益和经济效益。 2）要从作业区实际情况出发，考作业单位的实力，挖掘潜力，选择最佳方案。 3）广泛收集、认真分析和充分利用已有的测绘产品及资料 4）极采用适用的新技术、新方法、新工艺。三、编写技术设计书 1、工程名称及任务概况。 2、作业区自然地理概况。 3、已有资料的利用情况。 4、主要作业方法 和技术规定5、计划安排和经费预算6、附件1）可供利用的已有资料清单2）附图、附表3）其他 第二节 技术设计中的几个技术问题一、 控制网优化设计 先提出多种布设

15、方案，测角网、测边网、导线网、边角组合网以及测哪些边、测哪角等，根据网形和合各点的近似坐标，利用计算程序进行精度估算，优选出点位中误差最小、相对点位中误差在重要方向上的分量最小观测工作量最小的方案二、技术设计的内容和步骤1、收集和分析资料（1）测区内各种比例尺的地形图。 （2）已有的控制测量成果（包括全部有关技术文件、图表、手簿等等）。特别应注意是否有几个单位施测的成果，如果有，则应了解各套成果间的坐标系、高程系统是否统一以及如何换算等问题。 （3）有关测区的气象、地质等情况，以供建标、埋石、安排作业时间等方面的参考。 （4）现场踏勘了解已有控制标志的保存完好情况。 （5）调查测区的行政区划、

16、交通便利情况和物资供应情况。若在少数民族地区，则应了解民族风俗、习惯。 对搜集到的上述资料进行分析，以确定网的布设形式，起始数据如何获得，网的未来扩展等。 其次还应考虑网的坐标系投影带和投影面的选择。 此外还应考虑网的图形结构，旧有标志可否利用等问题。 2、控制网图上设计 （1）从技术指标方面考虑图形结构良好，边长适中，对于三角网求距角不小于30°；便于扩展和加密低级网，点位要选在视野辽阔，展望良好的地方；为减弱旁折光的影响，要求视线超越（或旁离）障碍物一定的距离；点位要长期保存，宜选在土质坚硬，易于排水的高地上。 （2）从经济指标方面考虑 充分利用制高点和高建筑物等有利地形、地物，

17、以便在不影响观测精度的前提下，尽量降低觇标高度；充分利用旧点，以便节省造标埋石费用，同时可避免在同一地方不同单位建造数座觇标，出现既浪费国家资财，又容易造成混乱的现象。 （3）从安全生产方面考虑 点位离公路、铁路和其他建筑物以及高压电线等应有一定的距离。 三、平面控制测量技术设计布设1、控制网布设应符合的要求卫星定位测量控制网的布设，应符合哪些要求？1） 应根据测区的实际情况精度要求卫星状况接收机的类型和数量以及测区已有的测量资料进行综合设计。2） 首级网布设时，宜联测2个以上高级国家控制点或地方坐标系的高级控制点；对控制网内的边长，宜构成大地四边形或中点多边形。3） 控制网应由独立观测边构成

18、一个或若干个闭合环或附合路线：各等级控制网中构成闭合环或附合路线的边数不宜多于6条。4） 各等级控制网中独立基线的观测总数，不宜少于必要观测基线数的1.5倍。5） 加密网应根据工程需要，在满足本规范精度要求的前提下可采取比较灵活的布网方式。6 ）对于采用GPS-RTK测图的测区，在控制网的布设中应顾及参考站点的分布及位置。2、实地选点导线网控制点点位的选定应符合的要求1）相邻点之间必须通视，点位能长期保存； 2）便于加密、扩展和寻找； 3）观测视线超越（或旁离）障碍物应在1.3m以上； 4）平面控制点位置应沿路线布设，距路中心的位置宜大于50m且小于300m，同时应便于测角、测距及地形测量和定

19、测放线；第三节 工程实例一、任务概述二、已有资料分析及利用 (1) 平面控制资料：测区各地块内均已有D级GPS控制点，该控制点采用XX市统一坐标系（采用1980西安坐标系，中央子午线为116º54，投影面为-150米），可以直接利用作为本测区的平面起算资料。 (2) 高程控制资料：测区内分布有2个四等水准点，作为本测区高程起算资料。 (3) 图件资料：测区内有XX市国土资源档案馆提供的1:10000、1:50000地形图，可作为本项目设计、选点、计划用图。 三、作业技术规范及标准 （1）城市测量规范CJJ/T82011；（2）国家三、四等水准测量规范GB12898-91，国家技术监督

20、局颁发； （3）全球定位系统(GPS)测量规范GB/T 183142009； （4）卫星定位城市测量技术规范CJJ/T 732010； （5）全球定位系统城市测量技术规范CJJ732010； （6）全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范CH/T 20092010； （7）1：500、1：1000、1：2000地形图图式GB/T20257.1-2007； （8）测绘成果质量检查与验收GB/T 243562009； （9）数字测绘成果质量检查与验收GB/T18316-2008中华人民共和国国家标准； （10）全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范CH/T2009-2010；四、基本技术要求

21、(1) 平面控制系统：采用XX市统一坐标系（采用1980西安坐标系，中央子午线为116º，投影面为-150米）。 (2) 高程控制系统：釆用1985国家高程基准。 (3) 成图方式：全野外数字化成图。 (4) 基本等高距：0.5m五、平面控制测量在测区现有的GPS-D、E级控制点的基础上，布设一定密度的5秒和8秒点，同时为满足XX市新兴产业园1:500数字化地形图测绘技术设计 1：500数字化地形测图的需要发展布设图根点。按要求文件及1：500比例尺成图相关技术要求则每平方公里不少于3个5秒，每平方公里不少于13个8秒点，5秒点采用先进的徕卡或拓普康GPS施测；极个别情况采用徕卡或其

22、他型号全站仪测距导线方式施测；8秒点主要以全站仪测距导线施测，其形式可布设成导线网、结点导线或单导线。1、 GPS控制网测量 空值网以GPS形式施测时,其布网应由一个或多个独立观测环构成。GPS控制网由非同步观测边构成多边形闭合环或附合路线,GPS网宜采用边连式布网，不宜采用点连式布网,GPS网中不得出现自由基线。同时GPS控制网与已知控制点联测的点数应不少于3个。表4-6 GPS方法观测主要技术要求 GPS观测，应在现场填写观测手薄，不得事后补记。观测手薄的内容如下： 点名、接收机名称（型号）、接收机编号、观测者、开机时间、关机时间、时段号、天线高（测前、测后、平均）、日期。(1) GPS测

23、量技术要求 GPSI级网釆用静态定位测量，GPS网应布设成具有独立检核条件的图形(如三角形、大地四边形、五边形）。GPS网点与高级点的联测不少于3个。起算点外围连线最好要包容覆盖整个控制范围。 GPS控制的点位应满足GPS观测要求，同时顾及后续使用常规仪器进行加密测量的需要，所选的GPSI级点必须保证有两个以上方向的通视。GPSI级点密度以保证发展二级导线为原则。 GPS控制网相邻点间弦长测量中误差规定如下： (2) 基线解算 基线解算可以釆用随机软件在微机上进行。野外观测数据必须及时备份，并由专人保管，向甲方提供具备交换数据格式的所有原始基线数据。1) 同步环基线精度要求：坐标分量相对闭合差

24、<9ppm;环线全长相对闭合差<15ppm; 2) 基线组成异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差精度要求： Wx2n （2-1） Wy 2n （2-2） Wz2n （2-3） Ws= Wx2+Wy2+Wz2 23n （2-4） 3) 复测基线的长度较差，不宜超过下式规定： ds 22 （2-5）(3) 平差计算 GPS内业数据处理釆用随机软件进行平差计算。当各项要求符合标准后，应以有效观测最长的一个重合点的WGS-84系三维坐标作为起算数据，进行GPS网的无约束平差。 4) 无约束平差中，基线向量的改正数绝对值应满足下式要求： Vx3 （2-6） Vy3 （2-7） Vz3 （2-8

25、） 其中：V异步环坐标分量闭合差（mm）； 弦长标准差(mm)； 5) 约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合下式要求： dVx2 （2-9） dVy2 （2-10） dVz2 （2-11） GPSI级网应釆用联测了四等水准（或等外水准）的占全网总点数约30%的控制点，作为GPS网高程拟合起算，这些联测的控制点应均匀分布在GPS网的周边和中间。当城区不利于GPS观测时，可釆用电磁波测距导线加密一级控制点，其主-级电磁波测距导线主要技术要求表。 2、导线平面控制测量 (1) 导线布设(2) 导线选点注意事项: 1) 导线点选在土质坚硬、稳定的地方

26、，以便于保存点的标志和安置仪器。 2) 导线点选在地势较高，视野开阔的地方，以刞于进行碎部测量或加密以及施工放样。 3) 导线各边的长度应按规范规定尽是接近平均边长，且不同导线各边长不应相差过大。导线点的数量要足够，以便控制整修测区。4) 相邻导线间要通视。 5) 所选的导线间必须满足超越（或远离）障碍物1.3米以上。 6) 路线平面控制点的位置应沿路线布设，距路中心的位置大于50M且小于300M，同时应便于测角、测距、及地形测量和定线放样。 7) 在桥梁和隧道处，应考虑桥隧布设控制网的要求，在大型构造物的两侧应分别布设一对平面控制点。 (3) 精度分析 设，m1、m2分别为两个独立观测值(或

27、两独立观测值函数)的中误差，则其加权平均值的中误差M为 3 、图根控制测量 一、二级控制点测量采用GPS RTK方式，本项目图根控制测量仍采用GPS RTK方法。 (1) 一、二级平面控制测量 平面坐标和高程记录精确至0.001m。天线高量取精确至0.001m。RTK平面控制点测量主要技术要求应符合表4-8规定。 RTK控制点平面坐标测量时，流动站采集卫星观测数据，并通过数据链接收来自基准站的数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，通过坐标转换方法将观测得到的地心坐标转换为指定坐标系中的平面坐标。 1) RTK平面控制点测量流动站的技术要求与操作方法2）成果数据处理与检查 RTK控制测量外业

28、采集的数据应及时进行备份和内外业检查。 RTK控制测量外业观测记录采用仪器自带内存卡或测量手簿，（2) 图根控制测量 1) 网络RTK测量当图根导线布设成支导线时，支导线的长度不应超过图根导线测量主要技术要求规定长度的1/2，边数不宜多于3条。 (1) 图根点选点 图根控制点应选在利于保存、便于使用的地方。 (2) 图根控制测量可采用测距导线方式进行测量 1) 电磁波测距图根导线的主要技术规格按下表执行： 2) 图根点相对于起算点的点位中误差不得超过±5cm。 3) 导线长度短于上表1/3 时，其绝对闭合差不应大于±0.15m。 4) 在房屋密集区作业时，导线的边数可适当增

29、加，但其他技术指标仍按上表执行。5) 图根导线一般应为附合导线。但当遇到较大的厂矿、企业、学校，只有一个出入口时，允许采用闭合导线。 6) 当受地形条件限制导线无法附合时，可布设不超过四条边的支导线，支导线不得发展新点。 (3) 图根控制测量可釆用GPS实时动态（RTK)技术进行观测 在实际工作中某些可能不适宜直接采用RTK方式测定图根点，可以采用在合适区域布设高等级控制点，以高等级控制点为起算点采取图根导线测量的方式布设图根点。 根据图根导线的布设原则，需要布设更高一级的控制点为起算点。现有规范规定，RTK平面控制点按精度划分等级为：一级控制点、二级控制点、三级控制点。根据城市测量规范六、高

30、程控制测量根据对地形图进行分析的结果，本地区地势起伏不大，因此可以将导线点兼作水准点，即水准网的布设形式同导线网。 (1) 水准观测 水准测量所使用的仪器及水准尺，应符合水准仪视准轴与水准管轴的夹角i，DS1型应不超过15，DS3型不应超过20。补偿式自动安平水准仪的补偿误差a对于二等水准不应超过0.2，三等不应超过0.5。 水准尺上的米间隔平均长与名义长之差，对于因瓦水准尺，不应超过0.15mm；对于条形码尺，不应超过0.1mm；对于木质双面水准尺，不应超过0.5mm。 两次观测高差较差超限时应重测。重测后对于二等水准应选取两次异乡观测的合格结果，其他等级则应将重测结果与原测结果分别比较，较

31、差不超过限值时，取三次结果的平均数。 (2) 精度检核 水准测量应达到足够的精度，测量过程中应进行如下检核： 每完成一条水准路线的测量，需要进行往返高差不符值和每公里高差中数的偶然中误差DM的计算（小于100或测段数不足20个的路线，可纳入相邻路线一并计算），其公式为： 七、三角高程测量 电磁波测距三角高程测量，宜在平面控制点的基础上布设成三角高程网或者高程导线。应采用规定的手簿记录并统一编号，手簿中记载项目的原始数据应字迹清晰端正、填写齐全。外业手簿种任何原始记录不得擦该或涂改，更不能转抄复制。划去不用的废站也应注明原因。 垂直角应对向观测，高差计算时，应考虑大气折光差的影响，经各项检核合格

32、后，取对向观测高差中数组成附合高程路线进行平差。 内业计算时，单向观测时的高差根据平距按下列公式计算。 1、控制点数据取位及成果整理 (1)控制测量观测值、成果的取位按下列要求进行：水平角、垂直角取至整秒，距离、仪器高、觇标高、成果坐标、四等水准高程成果取位至醒，测距尚程成果取至cm。 (2)GPSI级点要求制作点位说明，并制作一份相应的GPS控制点通视图。 (3)地形控制点的成果，按不同的等级整理装订成册。每一册的点号从小到大按顺序排列，以便查找。每一册的首页应附有导线略图。 (4)计算资料中，包括计算说明、仪器检定书、控制展点图、已知点成果表。计算过程中的有关符号应在计算说明中用文字说明。

33、八、提交的成果 (1) 文档部分：技术设计书；技术总结；工作报告；自查报告；验收报告；法定鉴定机构对仪器的检验资料或仪器检验鉴定书；所有观测手薄；所有平差计算资料及精度统计。 (2) 成果部分：控制网展点网形图、点之记、平面控制联测图、水准路线图；控制点平面与高程成果表；数字地形块图及分幅图；精度评定资料；块图及分幅图接图表等。 (3) 图纸部分：1：500白纸分幅地形图一套。 (4) 成果资料表中，文字和表格采用word文档或excel格式，图形资料采用DWG文件格式，资料封面加盖作业单位公章，所有资料配有电子光盘四套第三章 GPS平面控制测量第一节 GPS概述全球定位系统(GPS)是20世

34、纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。一、GPS系统组成：GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分-GPS星座；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分-GPS 信号接收机。1、地面控制部分 地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫

35、星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。2、空间部分 GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有

36、4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。3、用户设备部分 用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获

37、到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型

38、的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。二、GPS系统的特点1、定位精度高2、观测时间短3、测站间无通视4、可提供三维坐标5、操作简便6、全天侯作业7、功能多、应用广。三、 GPS定位原理1、伪距的概念和伪距测量GPS卫星能够按照星载时钟发射结构为伪随机噪声码的信号，称为测距码信号(即粗码CA码或精码P码)。该信号从卫星发射经时间t后，到达接收机天线；卫星至接收机的空间几何距离=C t。实际上，由于传播时间t中包含有卫星时钟与接收机时钟不同步的误差，测距码在大气中传播的延迟误差等等，因此求得的距离值并非真正的站星几何距离，习惯上称之为“伪距”，用表示，与之相对应的定位方法称为伪距

39、法定位。伪距测量是在用全球定位系统进行导航和定位时，用卫星发播的伪随机码与接收机复制码的相关技术，测定测站到卫星之间的、含有时钟误差和大气层折射延迟的距离的技术和方法。测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。它是为实现伪距定位，利用测定的伪距组成以接收机天线相位中心的三维坐标和卫星钟差为未知数的方程组，经最小二乘法解算以获得接收机天线相位中心三维坐标,并将其归化为测站点的三维坐标。由于方程组含有4个未知数，必须有4个以上经伪距测量而获得的伪距。此法既能用于接收机固定在地面测站上的静态定位，又适于接收机置于运动载体上的动态定位。但后者的绝对定位精度较低，只能用于精度要

40、求不高的导航。2、载波相位测量1）原理载波相位测量，又称RTK技术是利用接收机测定载波相位观测值或其差分观测值，经基线向量解算以获得两个同步观测站之间的基线向量坐标差的技术和方法。2）周跳与整周未知数（1）周跳如果由于某种原因在两个观测历元之间的某一段时间工作计数器中止了正常的累积工作，从而使整周计数较应有值少了n周，那么当计数器恢复正常工作后，所有的载波相位观测值中的整周计数Int()便都会含有同一偏差值较正常值少n周。这种整周计数Int()出现系统偏差而不足一周的部分Fr()仍然保持正确的现象称为整周跳变，简称周跳。（2） 周跳的探测与修复（3）整周未知数3、相对定位在多个测站上进行同步观

41、测以测定测站之间相对位置的卫星定位。是为确定测站点之间的三维或二维坐标差,采用载波相位测量可实现高精度的相对定位4、单点定位单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。 也称为“绝对定位”。5、精密单点定位精密单点定位是利用GPS精密星历和精密钟差文件，以无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值为观测资料，对测站的位置、接收机钟差、对流层天顶延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计第二节 GPS控制网的布设一、GPS控制网的布设的综述一个完整的技术设计，主要应包含如下内容：1、项目来源介绍项目的来源、性质。即项目由何单位、部门下达

42、、发包，属于何种性质的项目等。2、测区概况介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。这可为今后工程施测工作的开展提供必要的信息。如在施测时作业时间、交通工具的安排，电力设备使用，通讯设备的使用等。3、工程概况介绍工程的目的、作用、要求、GPS网等级（精度）、完成时间、有无特殊要求等在进行技术设计、实际作业和数据处理中所必须要了解的信息。4、技术依据介绍工程所依据的测量规范、工程规范、行业标准及相关的技术要求等。5、现有测绘成果介绍测区内及与测区相关地区的现有测绘成果的情况。如已知点、测区地形图等。6、施测方案介绍测量采用的仪器设备的种类、采取的布网方法等。7、作业要求

43、规定选点埋石要求、外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。8、观测质量控制介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等。9、数据处理方案详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。对于基线解算的数据处理方案，应包含如下内容：基线解算软件、参与解算的观测值、解算时所使用的卫星星历类型等。对于网平差的数据处理方案，应包含如下内容：网平差处理软件、网平差类型、网平差时的

44、坐标系、基准及投影、起算数据的选取等。10、提交成果要求规定提交成果的类型及形式；若国家技术质量监督总局或行业发布新的技术设计规定，应据之编写。二、GPS控制网对精度和密度的要求GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间的距离误差来表示的，其具体形式为： 其中，：网中相邻点间的距离中误差(mm)；：固定误差(mm)；分级布网，逐级控制；应有足够的精度；应有足够的密度；应有统一的规格。三、GPS控制网的布网形式GPS控制网常用的布网形式有跟踪站式、战式、多基准站式、同步图形扩展式、单基准站式。1、跟踪站式1）布网形式若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一

45、天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。2）特点接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性2、会战式1）布网形式在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，所有接收机在若干天的时间里分别在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，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，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。2）特点所布设的GPS网，因为各

46、基线均进行过较长时间、多时段的观测，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。3、多基准站式1）布网形式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。（见图10-6）2）特点所布设的GPS网，由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，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，具较强的图形结构。4、同步图形扩展式1）布网形式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

47、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。2）特点具有扩展速度快，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。5、单基准站式1）布网形式又称作星形网方式，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的星形。流动的接收机有时也称为流动站。2）特点单基准站式的布网

48、方式的效率很高，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。四、GPS控制网布设原则1、选点（1）为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10°15°高度角以上不能有成片的障碍物。（2）为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。（3）为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。（4）为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上

49、点方便的地方。（5）测站应选择在易于保存的地方。2、提高GPS控制网可靠性的方法首先，增加观测期数。这样测得的独立基线数就会增加，可以提高控制网的可靠性精度。其次，保证一定的重复设站次数。重复设站次数可以确保GPS网的可靠性，原因有二：通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站对中、整平、量测天线高等人为错误；当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观察时，各个时段必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。再次，保证每个测站独立基线相连在3条以上。3条以上的独立基数相连，可使测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与该点上所连接的基线数直接相关，点上所连接的基线

50、数越多，点的可靠性则越高。最后，在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条。在布设GPS网时，随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。3、提高GPS网精度的方法首先，保证GPS网中各相邻点的相对精度。在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；制定一个子区和子环路的实测方案。其次，引入高精度激光测距边。在布设GPS网时，作为观测值与GPS观测值(基线向量)一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。最后，采用高程拟合的方法测定网中各点的正常高正高。水准点的数量尽可能多，在网中均匀分布，网中的四周将整个网包含在其中4、布设GPS网时起算点的选取与分布首先，科学确定起

51、算点的数量。一般来说，若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合，则起算点数量越多越好；若没有这样的要求，则一般可选35个起算点。这样，既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。其次，合理确定起算点的位置。起算点的位置与精度直接相关，为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围，要避免分布在网中一侧。5、布设GPS网时起算边长的选取与分布在布设GPS网时，可以采用高精度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，可设置在GPS网中的任意位置。但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。6、布设GPS网时起算方位的选取与分布在布设GPS网时，可以引入起

52、算方位，但起算方位不宜太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。 五、布设GPS控制网的设计指标1、效率指标在进行GPS网的设计时，应采用效率指标来衡量设计方案的效率，以及在采用布网方案作业中所需要的时间、消耗等问题。2、高精度指标GPS控制网的高精度性是工程测量的基石，也是其最明显的优势之一。在布设时，要做到高精度性原则：先确定GPS网的网形，再根据GPS网的网形，得到GPS网的设计矩阵B，从而得到GPS网的协因数阵Q=(BTPB)，由此做到GPS控制网的高精度性原则。3、可靠性指标可靠性是GPS控制网布设的重要原则之一。在进行实际GPS网的设计时，一般采用一种反映GPS网可靠性的数量指建

53、设项目中一项非常重要的技术进步。与传统控制测量方法相比，GPS技术具有点位精度高、观测时间短、操作简便、可全球全天候作业等优点，但并不等于GPS控制网就无需像传统控制测量方法那样进行控制网的优化设计。GPS网优化设计是实施GPS测量的基础性工作，在网的精确性、可靠性和经济性等方面,寻求设计的最佳方案。1GPS控制网的特点（1）网形与卫星空间分布的几何图形相关。GPS控制网的精度与网中的点所构成的几何图形没有关系，与观测权相关程度不大，与边和边所构成的角度无关，主要取决于网中个点发出基线的数目及基线的权阵。（2）具有非层次结构性。根据采用仪器类型和作业模式不同，得到不同精度的观测值，这与经典控制

54、网的“逐级控制”、“分级施测”没有关系，GPS网可用相同精度一次扩展达到所需的密度设计要求。（3）没有误差积累且分布均匀。误差积累是经典控制网存在特性之一，而GPS网则没有误差的积累，而且误差分布比较均匀，各边的方位和边长的相对精度基本是相同的。（4）简单易行的必要基准条件。GPS网的观测数据(基线向量)中包含了尺度和方位信息，理论上只需要一个已知点的坐标即可确定GPS网的平移。2GPS控制网布设应坚持的原则2.1效率优先原则在进行GPS网的设计时，应采用效率指标来衡量设计方案的效率，以及在采用布网方案作业中所需要的时间、消耗等问题。2.2高精度性原则GPS控制网的高精度性是工程测量的基石，也是其最明显的优势之一。在布设时，要做到高精度性原则：先确定GPS网的网形，再根据GPS网的网形，得到GPS网的设计矩阵B，从而得到GPS网的协因数阵Q=(BTPB)，由此做到GPS控制网的高精度性原则。2.3可靠性原则可靠性原则是GPS控制网布设的重要原则之一。在进行实际GPS网的设计时，一般采用一种反映GPS网可靠性的数量指标，结合各项精度指标，以达到改善网的质量的目的。第三节 GPS控制测量数据采集一、GPS外业观测的作业方式在设计G