GPS测量的设计和实施

第第10页共33页GPS测量的设计与实施〔TheDesignandImplementofGPSSurveying〕GPS测量与常规测量类似，在实际工作中也可划分为方案设计、外业GPS测量的技术设计及外业实施各阶段的工作。考虑到以载波相位观测量为依据的相对定位法是当GPSGSP把握网的相对测量的工作程序与方法。GPS测量的技术设计GPS测量的技术设计是进展GPS定位的最根本性工作，它是依据国家有关标准(规程)及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的图形、精度及基准等的具体设计。一、GPS网技术设计的依据GPS网技术设计的主要依据是GPS测量标准(规程)和测量任务书。GPS测量标准(规程)GPS测量标准(规程)是国家测绘治理部门或行业部门制定的技术法规，GPS设计依据的标准(规程)有：国家测绘局公布的测绘行业标准<全球定位系统(GPS)测量标准>；<全球定位系统城市测量技术规程>；各部委依据本部门GPS工作的实际状况制定的其它GPS测量规程或细则。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的，它规定了测量任务的范围、目GPS方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度和密度和经济指标，再结合标准(规程)规定并现场踏勘具体要求确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数，时段长短等布网观测方案。二、GPS网的精度、密度设计GPS测量精度标准及分类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。GPS网可参照<标准>AB级的精度分级(如表1)。用于城市或工程的GPS把握网可依据信任点的平均距离和精度参<标准>中的二、三、四等和一、二级(2)。1GPS级别 主要用途 固定误差a(mm) 比例误差b(ppm*D)地壳形变测量或国家高精度5GPS网的建立国家根本把握测量 8

0.11等级平均距离ab等级平均距离ab最弱边相对(km)(mm)(ppm*D)中误差二91021/12万三51051/8万四210101/4.5万一级110101/2万二级<115201/1万20020毫米来衡量。(2)GPS相邻点间弦长精度用下式来表示：a2a2(bd)2式中：GPS基线向量的弦长中误差(毫米)，亦即等效距离误差；aGPS接收机标称精度中的固定误差(毫米)；bGPS接收机标称精度中的比例误差系数(ppm*D)；dGPS网中相邻点间的距离(公里)。在实际工作中，精度标准确实定要依据用户的实际需要及人力、物力、在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设，或布设同级全面网。2．GPS点的密度标准GPS点的分布要求也不同。对于国家特级(A级)基准点及大陆地球动力学争论监测所布设的GPS点，主要用于供给国家级基准、周密定轨、星历打算及高精度形变信息，所以布设时平均距离可达数百公里。而一般城市和工程测量布设点的密度主要满足测量图加密和工程测量的需要，平均边长往往几公里以内。因此现行<规程>和<标准>GPSGPS网相邻点的平均距离作出了规定。表3 GPS网中相邻点间距离 单位：公里ABCDE相邻点最小距10015521相邻点最大距2023250401510相邻点平均距3007015-1010-55-2三、GPS网的基准设计GPS测量获得的是GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标差，而实际我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。所以GPS网的技术设计时，必需明确GPS成果所承受的坐标系统和起算数据，即明GPS网所承受的基准。这项工作被称之为GPS网的基准设计。GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。方位基准一般以GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定，也可由两个以上的起算点间的距离确定，同时也可以由GPS基线的距离确定。GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。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。在基准设计时，应充分考虑以下几个问题：为求定GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方把握点假设干点，用以坐标转换。在选择联测点时，GPS网不受旧资料精度较低的影响，因此，大中城市GPS3个以2-3个点。为保证GPS网进展约束平差后坐标精度的均匀性以及削减尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级把握网点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。GPS网经平差计算后，可以得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高，为求得GPS点的正常高，可依据具体状况联测高程点，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展布设。具体联测宜承受不低于四等水准或其精度相等的方法进展。建GPS网的坐标系应尽是与测区过去承受的坐标系统全都，假设承受的是地方独立或工程坐标系，一般还应当了解以下参数：所承受的参考椭球；坐标系的中心子午线经度；纵横坐标加常数；坐标系的投影面高程及测区平均高程特别值；起算点的坐标值。四、GPS网构成的几个根本概念及网特征条件在进展GPSGPS网构成的几个根本概念，把握网的特征条件计算方法。GPS网图形构成的几个根本段，简称时段。同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进展的观测。闭合环。独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。观测基线向量，则该多边形环路叫作异步观测环，简称异步环。NGPSJ条同步N-1。基线数之差即为非独立基线。GPS网特征条件的计算R。Asany提出的观测时段数计算公式：Cnm/N式中：C为观测时段数；n为网点数；m为每点设站次数；N为接收机数。GPS网中：JTCNN1/2；JNn1；JDCN1)JSCN1n1)GPS网图形构造的主要特征。3．GPS网同步图形及独立边的选择NGPS接收机构成的同步图形中一个时段包GPS基线数为：JN(N1)/2N-1GPS基线，其余为非独立的GPS基线。当同步观测的GPS接收机数N3时，同步闭合环的最少个数应为：TJ(N1)(N1)(N2)/2)0，但由GPS零。有的GPS标准规定了同步闭合差的限差。对于同步较好的状况，应遵守此限差的要求，但当由于某种缘由，同步不是很好的，应知觉放宽此项限差。GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精度高，也不能觉察接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。GPS观测效果的牢靠性，有效地觉察观测成果中的粗差，必需GPS网中的独立边构成确定的几何图形。这种几何图形，可以是由数GPS独立边构成的非同步多边形(或称非同步闭合环)GPS网中有假设GPS独立边构成的附合路GPSGPS网的精度要求和其它GPS边构成的多边形网。状况适当调整。五、GPS网的图形设计GPS图形设计时，因GPS同步观测不要求通视，所以其图形设计具有较大的灵敏性。GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。依据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式，边连式，网连式及边点混合连接四种根本方式。也有布设成星形边接、附合导航连接、三角锁形连接等。选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、野外条件GPS接收机台数等因素。点连式点连式是指相邻同步图形之间公有一个公共点的连接。以这种方式布不单独使用。边连式边接式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案，网的数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。网连式网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。明显，这种密集的布网方法，它的几何强度和牢靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的把握测量。边点混合连接式边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成的GPS降低本钱，是一种较为抱负的布网方法。或多边形)连接于狭长地区的GPS布网，如铁路、大路及管线工程勘测。6．导线网形连接(环形图)GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核GPS点的牢靠性。适用于精度较低GPS布网。该布网方法也可与连式结合起来布设。星形布设星形图的几何图形简洁，其直接观测边间不构成任何闭合图形，所以量等。在实际布网设计时还要留意以下几个原则：GPS的需要，每点应有一个以上通视方向。应承受原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。GPS网必需由非同步独立观测边构成假设干闭合环或附合路线。GPS网中每个闭合环附合路线中的边数应符合下表的规定。等级路线的边数

二 三 四 一级 二级6 8 10 10 10GPS测量的外业预备及技术设计书的编写GPS外业工作之前，必需做好实施前的工区踏勘、资料收集、器材筹备，观测打算拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。一、测区踏勘GPS测量合同后，就可依据施工设计图踏勘、调交通状况：大路、铁路、乡村便道的分布及通行状况；路交通状况；植被状况：森林、草原、农作物的分布及面积；GPS点、多普勒点、导线点的等；况；。二、资料收集依据踏勘工区把握的状况，收集以下资料：各类图件：1：1万~1：10万比例尺地形图，大地水准面起伏图，交通图；GPS点、多普勒点、导线点及各把握点坐标系统、技术总结等有关资料；测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料；三、设备、器材筹备及人员组织设备、器材筹备及人员组织包括以下内容：筹备仪器、计算机及配套设备；筹备机动设备及通讯设备；筹备施工器材，打算油料，材料的消耗品；组建施工队伍，拟定施工人员名单及岗位；四、拟定外业观测打算GPS测量的主要外业工作。观测开头之前，外业观测打算的拟定对于顺当完成数据采集任务，保证测量精度，提高工作效益都是极为重要的。拟定观测打算的主要依据是：GPS网的规模大小；点位精度要求；GPS卫星星座几何图形强度；参与作业的接收机数量；(食宿、供电等)；观测打算的主要内容应包括：编制GPS15度限制下，输入20天的星GPS卫星的可见性预报图。选择卫星的几何图形强度：在GPS定位中，所测卫星与观测站所来代表，无论是确定定位还是相对定位，PDOP6。选择最正确的观测时段：在卫星大于4颗且分布均匀，PDOP值小于6的时段就是最正确时段。观测区域的设计与划分：当GPS网的点数较多，网的规模较大，而参与观测的接收机数量有限，交通和通讯不便时，可实行分区观测。为了增加网的整体性，提高网的精度，相邻分区应设置公共观测点，且公共3个。网的大小。精度的凹凸。仪器的数量、GPS网设计、卫星预报表和测区的天时、地理环境等编制作业调度表，以提高工作效益。作业调度表包括观测时段、测站号、测站名称及接收机号等。准时调整作业打算。GPS网与地面网的联测方案GPS网与地面网的联测，可依据测区地形变化和地面把握点的分布而定。一般在GPS网中至少要重合三个以上的地面把握点作为约束点。约束GPS网基准设计局部。六、GPS接收机选型及检验GPS接收机是完成测量任务的关键设备，其性能、型号、精度、数量与测量的精度有关。观测中所选有的接收机，必需对其性能与牢靠性进展检验，合格前方收机全面检验的内容，包括一般性检视、通电检验和实测检验。固局部是否松动与脱落，使用手册及资料是否齐全等。另外天线底座的圆(通风干湿表、气压表、温度表)等应定期送气象部门检验。作状况，以及自测试系统的工作状况，当自测正常后，按操作步骤检验仪器的工作状况。GPS：用标准基线检验：坐标、边长检验；零基线检验；相位中心检验等。以上各项测试检验应按作业时间的长短，至少每年测试一次。用零基线检验接收机内部噪声水平的两路或多路信号送到接收机，将后将观测数据进展双差处理求得坐标增量，以检验固有误差。由于这种方法所测得的坐标增量可以消退卫星几何图形的影响、天线相位中心偏移、大气传播延迟、信号多路径效应误差及如下：10度以上无障碍物的地方安放天线，用“GPS功率安排器”连接GPS接收机。连接电源，GPS1~1.5个小时。交换功分器与接收机接口，再观测一个小时。用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。基线误差应小于1毫米。否则应送厂检修或降低级别使用。天线相位中心稳定性检验GPS检测场上进展。检测时可以将GPS接收机带天线两两配对，置于基线的两端点。天线要准确对中，定向指标指向下北，观测一个时段。然后交换接收机与天线再观测一个小段。按上述方法在与该基线垂直的基线上(不具备此条件，可憎针一个度，270度)进展同样观测。2厂检修或降低级别使用。GPS接收机不同测程精度指标的测试度应到达1105。1mm线高量至1mm，测试结果与基线长度比较，应优于仪器标称精度。仪器的凹凸温试验GPS接收机进展高、低温测试。其测试方法可将天线架设在室外，GPS接收机主机放在凹凸温箱中进展测试者在野外实地高、低温测试。性，其检校参照把握测量中光学对点器检校方法。七、技术设计书的编写资料思念完毕后，编写技术设计，主要编写内容如下：任务来源及工作量GPS工程的来源、下达任务的工程、用途及意义；GPS测量点的数量(包括定点数、约束点数、水准数、检查点数)；GPS点的精度指标及坐标、高程系统。测区概况测区隶属的行政管辖、测区范围的地理坐标，把握面积；测区的交通的分析、利用和评价。布网方案GPS网点的图形及根本连接方法；GPS网构造特征的测算位布设图的绘制。选点与埋标GPS点位的根本要求；点位标志的选用及埋设方法；点位的编号等。观测题。数据处理检验及点位精度的评定指标。完成任务的措施要求措施具体，方法牢靠，能在实际工作中贯彻执行。GPS测量的外业实施GPS测量外业实施包括GPS工作。一、选点GPS，所以选点工作比常规把握测量的选点要简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺当进展和保证测量结果的牢靠性有着重要的意义，所以在选点工作开头前，除收集和了解有关测区的地理状况和原有测量把握点分布及标架、标型、标石完好状况，打算其适宜的点位外，选点工作还应遵守以下原则：点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上；15GPS信号被遮挡或障碍物吸取。(如电视台、微波站等)其距离不200米；远离高压输电线，其距离不得小于50米。以避开电GPS信号的干扰。点位四周不应有大面积水域或猛烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。点位应选择在交通便利、有利于其它观测手段扩展与联测点位。地面根底稳定，易于点位的保存。选点人员应按技术设计进展踏勘，在实地按要求选定位。网形应有利于同步观测边、点联结。提出有关建议。全可用性作一检查。符合要求方可利用。二、标志埋设GPS和标志必需稳定、结实以利长期保存和利用。在基岩露头地区，也可直接在基岩上嵌入金属标志。每个点位标石埋设完毕后，应供给如下资料：点之记GPS网的选点网图；土地占用批准文件与测量标志托付保管书；选点与埋石工作技术总结。点名一般取村名、山名、地名、单位名，应向当地政府部门或群众进展用。三、观测工作观测工作依据的主要技术指标GPS观测与常规测量在技术要求上有很大差异，对城市及工程GPS把握在作业中应按胡关技术指标执行。天线安装接对中，天线基座的圆水准气泡必需整平。在特别点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时，应先将觇标顶撤除，以防止对GPS信号的遮挡。这时可将标中断，影响GPS测量精度。在这种状况下，可进展偏心观测。偏心点选在离三角点100米以内的地方，归心元素应以解析法周密测定。应超过3~5度。刮风天气安置天线时，应将天线进展三方向固定，以防倒地碰坏。雷雨天气安置天线时，应留意将其底盘接地，以防雷击天线。架设天线不宜过低，一般应距地面1米以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔12030.001米。测量气象参数：在高精度GPS测量中，要求测定气象元素。每时段气象观测应不少于3次(时段开头、中间、完毕)。气压读至0.1mbar，气温读至0.1况。无误后，方能通电启动仪器。开机观测观测作业的主要的是捕获GPS卫星信号，并对其进展跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。GPS接收机主机，启动接收机进展观测。输入，一般在正常接收过程中制止更改任何设置参数。通常来说，在外业观测工作中，仪器操作人员应留意以下事项：启动接收机。时段把握信息。相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等状况。自测试(发生故障除外)；转变卫星高度角；转变天线位置；转变数据采样间隔；按动关闭文件和删除文件等功能。当时段较长时可适当增加观测次数。长的观测工作，建议尽量承受太阳能电池板或汽车电瓶进展供电。手簿之中。要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。完整无误前方可迁站。将数据转存至计算机硬盘、软盘上，确保观测数据不丧失。4．观测记录下两种：观测记录GPS接收机自动进展，均记录在存储介质上，其主要内容有：同一历元的测码伪距观测值；GPS卫星星历及卫星钟差参数；实时确定定位结果；测站把握信息及接收机工作状态信息。观测手簿观测手簿是在接收机启动前及观测过程中，由观测者随时填写的。GPS坚决杜绝事后补记或追记。一、数据预处理GPSGPS数据的预处理。依据预处理结果对观测数据的选题进展分析并做出评价，以确保观测成果和定位结果的预期精度。数据处理软件及选择GPS网数据处理分基线解算和网平差两具阶段。各阶段数据处理软件GPS网成果处理也可选国际GAMIT/GLOBK、BERNESE、GIPSY、GFZ等软件。(数据预处理)对于两台及以上接收机同步观测值进展独立基线向量(坐标差)的平差计算叫基线解算。种专用信息文件，为进一步的平差计算作预备。它的根本内容是：数据传输将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上。观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件。间隔，统一为标准化的文件格式，以便统一处理。卫星轨道的标准化承受多项式氦合法，平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化。探测周跳、修复载波相位观测值。对观测值进展必要改正在GPS观测值中加以改正，单频接收的观测值中参与电离层改正。理中应留意以下几个问题：30公里的基线，解算时也可承受三差相位观测值。把握网，也可承受其他周密星历作为基线解算的起算值。基线解算中所需的起算点坐标，应按以下优先挨次承受：国家GPSA、B级网把握点或其他高等级GPS网把握点的已有WGS-84系坐标；WGS-84系后的坐标值；30WGS-84系坐标。算，也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算。同一级别的GPS网，依据基线长度不同，可承受不同的数据处理模可在双差固定解和双差浮点解中选选最优结果。30km以上的基线，可承受三差解作为基线解算的最终结果。30分钟的快速定位基线，必需承受合格的双差固定解作为基线解算的最终结果。二、观测成果的外业检核目的检核：1．每个时段同步边观测数据的检核10%。限差类型二三四限差类型二三四一级二级坐标重量相对闭合差2.03.06.09.09.0环线全长相对闭合差2.重复观测边的检核3.05.010.015.015.0同一条基线边假设观测了多个时段，则可得到多个边长结果。这种具有2的成果互差，均应小于相应等级规定精度(按平均边长计算)的2 倍。2同步观测环检核当环中各边为多台接收机同步观测时，由于各边是不独立的，所以其位结果产生明显的影响，所以也可把它作为成果质量的一种检核标准。