1、3 GPS在静态测量中的应用3.1 GPS建立控制网的主要特点建立控制网的主要特点 一、GPS建立控制网的优点：v 测量精度高(10-510-9)v 选点灵活、不需要造标、费用低q 站间无须通视，GPS网的整体质量与点位分布没有直接关系v 全天侯作业v 观测时间短v 快速静态定位方法只需要观测数分钟v 观测、处理自动化v 可获得三维坐标二、GPS测量的局限性v要求较好的净空条件，不能在地下、树木茂盛或测站周围建筑物密集的地方进行观测。v对于短距离（几十米几百米），且精度要求高（mm级）的测量，GPS测量方法在效率和可靠性方面不及常规测量方法。三 GPS外业测量所涉及的主要问题n测量计划的制定。
2、n根据需要选择合适的接收机类型和天线。n根据网的点数，合理确定作业接收机台数。n接收机操作和软件的使用培训。n外业操作要求。n迁站前对所采集的数据进行确认。n室内计算（在外业观测的当天，完成当天数据的预处理）。四 GPS数据处理所涉及的主要问题n基线处理的软件n采用什么样的星历n采用什么样的基线解结果n坐标系统，起算数据n质量控制n网平差等3.2 GPS控制网分类 一类是：国家或区域性的高精度的GPS控制网。相邻点的距离通常是从数千公里至数百公里，其主要任务 作为高精度三维国家大地测量控制网，以获得国家大地坐标系与世界大地坐标系的转换参数，为地学和空间科学等方面的科学研究工作服务； 对GPS网
3、进行重复观测，用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。 另一类是：局部性的GPS控制网，包括城市或矿区GPS控制网，或其它工程控制网。相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为城市建设或工程建设服务。nGPS控制网的建立按工作性质分 :q外业工作：选点、建立测站标志、野外观测作业等；q内业工作：控制网的技术设计、数据处理和技术总结等。n工作程序分 :q一、一、测前工作测前工作q二、二、测量实施测量实施q三、三、测后工作测后工作3.3 GPS控制网建立过程一、测前工作n项目规划q测区位置及其范围q用途和精度等级q点位分布及点的数量q提交成果的内容q时限要求q投资经费等n技术设计（
4、见第四章）n测绘资料的搜集与整理（已知点的资料，测区地形图）n仪器的检验n踏勘、选点埋石二、测量实施二、测量实施n实地了解测区情况q主要了解点位情况、测区内经济发展状况、民风、交通情况、测量人员生活安排等。n卫星状况预报（选择合适的观测时段）n确定作业方案n组织外业观测n数据传输，有效组织，转储，备份n基线处理与质量控制n重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作三、测后工作n结果分析（网平差处理与质量评估）q对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，q对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差，得出网中各点的坐标成果。q如果需要利用
5、GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。n技术总结：根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结。n成果验收3.4 GPS控制网选点n一、选点准备q选点人员在实地前，应收集有关布网任务与测区的资料，包括测区1：50000或更大比例尺地形图，已有各类控制点、卫星跟踪站资料等。q选点人员应充分了解和研究测区情况，特别是交通、通讯、供电、气象及大地点等情况。二 GPS点位基本要求n选点工作应遵循的原则q远离大功率无线电发射源，其距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m。q附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（吸收）强烈的物体。q周围应便
6、于安置接收设备和操作，视场开阔。q观测站尽量选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展。q地面基础稳定，易于点的保存。q高等级的GPS点，应选在能长期保存的地点，尽可能使测站附近的小环境与周围的大环境保持一致，以减少气象元素的代表性误差。q充分利用符合要求的旧有控制点。q对于基线较长的GPS网，还应考虑观测站附近，应具有良好的通信设施和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电。q点位选定后，均应该按规定绘制点之记，包括点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。三、选点作业n选点人员应该按照技术设计书经过踏勘，在实地按点位要求选点，并在实地加以标定。n当利用旧点时，应检查旧点的稳定性、可
7、靠性和完好性，符合要求方可利用。n取名应取居民地名，C、D、E级GPS点名也可取山名，地名，单位名，应向当地政府部门或群众进行调查后确定。新旧点重合时，应采用原有旧点名，不得更改，如确需更改应在新点名后括号内附上旧点名。n需要水准联测的GPS点，应实地踏勘水准路线情况，选择联测水准点和绘出联测路线图。n现场绘制点之记。n点位周围有高于10的障碍物时，应绘制点的环视图。n选点完成后，应绘制GPS选点图。四 选点工作结束后提交技术资料n用黑墨水填写点之记，点的环视图nGPS网选点图（测区较小，选点、埋石与观测一期完成时，可以展点图代替）；n选点工作技术总结五 建立点位标志（埋石）q中心标志的标石，
8、以精确标定点位。q点的标石和标志必须稳定、坚固，以利于长久保存和利用。q有些需要建立含强制对中的观测墩。术语n基线 baselineq基线一般由两个进行了同步观测的测站所构成。n历元 epochqGPS接收机记录数据的时刻。有时也用于表示观测间隔或采集数据的频率。 两相邻历元间的时间间隔就叫采样率（interval）。n观测时段 observation sessionq测站上开始接收卫星信号到停止接收，连续观测的时间间隔称为观测时段，简称时段。n同步观测 simultaneous observationq两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。n同步观测环 simultaneous o
9、bservation loopq三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。n独立观测环 independent observation loopq有非同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。术语n参考站q在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定的测站就称为参考站。n流动站q在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。n观测单元 observation unitq快速静态定位测量时，参考站从开始至停止接收卫星信号连续观测的时间段。nGPS静态定位测量 Static GPS po
10、sitioningq通过多个测站上进行若干时间同步观测，确定测站之间相对位置的GPS定位测量。nGPS快速静态定位测量rapid static GPS positioningq利用快速整周模糊度解算法原理所进行的GPS静态定位测量术语n永久性跟踪站 permanent tracking stationq长期连续跟踪接收GPS卫星信号的永久性地面观测站。n截止高度角。q接收机所跟踪卫星的最低高度角，一般在10以上。较高的截止高度角有利于防止大气层的影响及附近物体的多路径影响。n天线高 antenna heightq观测时接收机天线相位中心至测站中心标志面的垂直高度。4 GPS控制测量技术设计4.
11、1 技术设计原则n技术设计的作用q是整个项目的作业依据，指导整个工程的进行。技术设计提供了布设GPS网的技术准则。（时间、精度、经费）n技术设计的基本要求qGPS网布测前应进行技术设计，以得到最优的布测方案。技术设计的格式、内容、要求与审批程序按照测绘技术设计规定进行。一、技术设计的准备n根据任务的需求，收集测区范围既有的国家三角网、导线点、天文重力水准点、水准点和已有GPS站点的资料，包括点之记，网图、成果表、技术总结等。n收集测区范围内有关的地形图、交通图、及测区总体建设规划和近期发展方面的资料等。n技术设计前，应对上述资料分析研究，必要时进行实地勘察，然后进行图上设计。二、技术设计需要解
12、决的问题n测量的目的是什么n精度和可靠性的要求n已有哪些资料n前面已开展过哪些测量工作n本项目有哪些特点n是否拥有进行GPS测量的合适装备n网的定义：整个网的大小形状，点的数量，已知点情况等n已知点的分布，已知点的用途（检查，加密，确定转换参数）n对水平和垂直测量的精度要求和标准。4.2 技术设计的主要内容技术设计的主要内容n项目来源q介绍项目的来源、性质。即项目由何单位、部门下达、发包，属于何种性质的项目。 n测区概况（自然地理概况，控制面积等）q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
13、，电力设备使用，通讯设备的使用。 n工程概况q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。 n技术依据（规范）q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。 n现有测绘成果（现有资料分析）q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。 技术设计的主要内容（续）技术设计的主要内容（续）n布测方案（方案设计）q介绍测量采用的仪器设备的种类、采取的布网方法等。 n作业要求（技术质量指标）q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
14、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。n观测质量控制q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。 n数据处理方案q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。 n提交成果要求 5 GPS控制网的布设5.1 GPS控制网的等级nGPS网精度分级（2001年9月颁布的全球定位系统测量规范）nGPS基线向量网被分为：AA、A、B、C、D、E六个级别。nGPS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
15、： :网中相邻点间的距离中误差(mm)； a:固定误差(mm)； b:比例误差(ppm)； D:相邻点间的距离(km)。22)(Dba一、GPS控制网的精度等级测量分类固定误差(mm)比例误差(ppm)相邻点距离(km)AA30.01平均1000A50.11002000B8115250C105540D1010215E1020110对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：厂商给出的仪器标称精度指标)(*)(2)(10kmdppmmm )(*)( 1)(5kmdppmmm 仪器标称精度指标，一般是指在某些标准条件下的精度。而GPS规范中的规定考虑了一些实际工作中外界因素的影响。例如，一般单频GP
16、S接收机的精度指标是：双频GPS接收机的精度指标是：nAA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；nA级，一般为区域或国家框架网、区域动力学网，用于区域性地球动力学研究和地壳形变测量；nB级，为国家大地控制网或地方框架网，用于局部形变监测和各种精密工程测量；nC级，为地方控制网和工程控制网，用于大、中城市及工程测量的基本控制网；nD级，为工程控制网；nE级，为测图网； D、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、建筑施工等的控制测量； AA、A级：可作为建立地心参考框架的基础； AA、A、B级：可作为建立国家空间大地测量控制网的基础。二、各级
17、控制网的功能5.2 GPS基线向量网的设计指标在布设GPS网时，除了要遵循一定的设计原则外，还需要一些定量的指标来指导：n效率指标n可靠性指标n精度指标n费用指标1. 效率指标enSmin：理论最少观测时段数；nR：平均重复设站次数；nn：点数；nm：仪器数。效率指标：当按照某个具体的布网方式和观测作业方式进行作业时，要按要求完成整网的测设，所需的观测期数与理论上的最少观测期数会有所差异，理论最少观测期数与设计的观测期数的比值称为效率指标。)INT(minmnRsdsseminnSd：设计观测时段数。2. 可靠性指标trllnGPS网的可靠性：内可靠性和外可靠性nGPS网的内可靠性就是指所布设
18、的GPS网发现粗差的能力，即可发现的最小粗差的大小；所谓GPS网的外可靠性就是指GPS网抵御粗差的能力，即未剔除的粗差对GPS网所造成的不良影响的大小。 n平均可靠性指标：整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值nlr：多余独立观测基线数；lr = lt ln； ln为必要的独立基线数， ln =n-1,即网的总点数减1nlt：总独立观测基线数。 lt =s(m-1)，s为观测期数，m为同步观测接收机的台数3. 精度指标n同步环、异步环闭合差n重复基线的较差n相邻点弦长精度（相邻点的距离中误差）n采用协因数矩阵Q或与其有关的一些指标来衡量。当GPS网布网方式和观测作业方式确定后，GPS网的网
19、形就确定了，根据已确定的GPS网的网形，可以得到GPS网的设计矩阵B，从而可以得到GPS网的协因数阵Q，在GPS网的设计阶段可以采用tr(Q)作为衡量GPS网精度的指标。 4 费用指标n工程进度及项目成本估算q实践中，效率指标本身的实用价值并不大，而真正有价值的是最少观测期数。最少观测期数可以用来预估工程进度及项目成本。预期完成项目（外业观测）所需的天数：（算例）)(minminpSSINTd计划观测期数最少观测期数最少工作天数pSSdminminiedddd0min项目成本的估算需要考虑：n项目设计费用n踏勘、选点、埋石n往返差旅n成果资料收集n外业作业期间每日的支出，包括人员工资、食宿、交
20、通、仪器设备等费用。n内业（基线处理、网平差处理，技术报告等）5.3 GPS控制网布设原则 nGPS网的布设应视其目的、要求的精度、卫星状况、接收机类型和数量、测区已有的资料、测区地形和交通状况以及作业效率综合考虑，按照优化设计原则进行。nAA、A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘点外，每点的连接点数应不少于3点。 C、D、E级GPS网可布设成多边形或附和路线。nA级及A级以下各级GPS网中，最简独立闭合环或附合路线的边数应符合规范规定。n各级GPS网相邻点间平均距离应符合规范规定。相邻点最小距离可为平均距离的1/31/2；最大距离可为平均距离的23倍。nAA、A、B级GPS网点，应与GPS
21、永久性跟踪站联测；其联测的站数，AA 级不得少于4站，A级不得少于3站，B级不得少于2站。nA、B级GPS网，应尽量与周围的GPS地壳形变监测网、基本验潮站联测。n新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不得少于2点。5.3 GPS控制网布设原则nB级网，在高程异常变化剧烈地区，其点间的距离不宜超过100km；n为求定GPS点在某一参考坐标系中坐标，应与该参考坐标系中的原有控制点联测，联测的总点数不得少于3点。n为求得GPS网点的正常高，应根据需要适当进行高程联测。级别ABCDE闭合环或附合路线的边数 5 6 6 8 10级别AAABCDE平均距离10001000 3
22、003007070101015155 510100.20.25 5最简独立闭合环或附合路线边数的规定GPS网中相邻点之间的平均距离5.3 GPS基线向量网的设计原则GPS网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，并降低成本。在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际应用需求，盲目地追求不必要的高精度和高可靠性，也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。n充分考虑GPS控制网的应用范围n采用分级布网的方案 nGPS测量的精度标准n坐标系统与起算数据（GPS网的基准设计）一. 提高GPS网可靠性的方法n增加观测期数（增加独立基线数）。n保证一定的重复设站次数。q可有效地发现设站、
23、对中、整平、量测天线高等人为错误。q重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加 。n保证每点与三条以上的独立基线相连。各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高 n最小异步环边数不大于6。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 。14523678910121311151614最小异步环（独立环）边数二. 提高GPS网精度的方法n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。n在全面网上建立框架网。n最小异步环边数不大于6 。n适当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
24、联合平差，或将它们作为起算边长 。n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。n适当延长观测时间，增加观测时段。三、GPS网的基准n网的基准包括：位置基准、方向基准和尺度基准。qGPS网的位置基准，通常是由给定的起算点坐标确定。qGPS网的方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。qGPS网的尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。三、GPS网的基准（续）n布设GPS网时起算点的选取与分布 q若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好， 则起算点越多越好。q若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，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。q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。要避免所有的起算点分布在网中一侧的情况。 n布设GPS网时起算边长的选取与分布q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。n布设GPS网时起算方位的选取与分布q起算方位不宜太多，可布设在网中的任意位置
