《GPS定位原理及应用》授课教案

《GPS定位原理及应用》授课教案第八章GPS测量的设计与实施8.1GPS测量的技术设计教学内容：本节主要介绍GPS测量技术设计的一般要求和设计指标。教学重点：1.介绍GPS测量技术设计的依据；2.介绍GPS测量的标准；3.介绍GPS测量的图形设计。教学难点：GPS的图形设计。教学方法：课堂教学为主，充分利用多媒体教学方法。教学要求：学会局部性的GPS控制网的图形设计，掌握GPS测量技术设计书的编写。8.1.1GPS网技术设计的依据1.GPS测量规范（规程）（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》（2）《全球定位系统城市测量技术规程》（3）各行业部门的其他GPS测量规程或细则2．测量任务书8.1.2GPS网的精度,密度设计1．GPS测量精度标准及分类（1）GPS测量精度分类对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。用于地壳形变及国家基本大地测量的GPS控制网可按表8-1分级。表8-1GPS测量精度分级（一）级别主要用途固定误差比例误差ba（mm）（mm）A地壳形变测量或国家高精度GPS网建立≤5≤0.1B国家基本控制测量≤8≤1用于城市或工程的GPS控制网可按表8-2分级。表8-2GPS测量精度分级（二）等级平均距离（km）a（mm）b（mm）最弱边相对中误差二9≤10≤21/12万三5≤10≤51/8万四2≤10≤101/4.5万一级1≤10≤101/2万二级1≤15≤201/1万（2）GPS测量的精度标准GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为：22)(bda（8-1）式中：σ——距离中误差（毫米）；ɑ——固定误差（mm）；b——比例误差系数（ppm）；d——相邻点之间的距离（km）。实际生产中，应根据测区大小、GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。2．GPS点的密度标准制定GPS网的密度标准，主要考虑任务要求和服务对象。密度可参照表8-3的规定执行。表8-3GPS网中相邻点间距离(单位：km)级别项目ABCDE相邻点最小距10015521相邻点最大距2000250401510相邻点平均3007015～1010～55～2距8.1.3GPS网的基准设计1．基准设计的定义：在GPS网的技术设计中，必须明确GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据的工作，称为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。2．基准设计应考虑的几个问题：（1）应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个，用以转换坐标。（2）对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制点，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。（3）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行布设。（4）新建GPS网的坐标应尽可能与测区过去采用的坐标一致。8．1.4GPS网构成的几个基本概念及网特征条件1．GPS网图形构成的几个基本概念观测时断：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，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行的观测。同步观测环：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。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。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测环，简称异步环。独立基线：对于N台GPS接收机的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。非独立基线：除独立基线外的其它基线叫非独立基线，总基线数与独立基线之差即为非独立基线数。2．GPS网特征条件的计算观测时断数：NmnC/（8-2）式中：n为网点数，m为每点设站数，N为接收机数。总基线数：1)/2-N(NC总J（8-3）必要基线数：1nJ必（8-4）独立基线数：)1N(CJ独（8-5）多余基线数：)1n()1N(C多J（8-6）3．GPS网同步图形构成及独立边的选择根据（8-3）式，对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时断包含的GPS基线数为：1)/2-N(NJ（8-7）但其中仅有N-1条是独立的GPS边，其余为非独立边。当接收机数N=2～5时所构成的同步图形见图8-1。对应于图8-1的独立GPS边可以有如图8-2所示的不同选择。当同步观测的GPS接收机数N≥3时，同步闭合环的最少数应为：2/)2)(1()1(NNNJT（8-8）N与J、T的关系见下表：表8-4N与J、T的关系表N23456J1361015T0136108．1.5GPS网的图形设计1．GPS网的图形设计根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出独立的GPS边构成的多边形网，称为GPS网的图形设计。2．GPS网的图形（1）点连式：如图8-3，相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。（2）边连式：如图8-4，同步图形之间由一条公共基线连接。（3）网连式：指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。（4）边点混合连接式：如图8-5，把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网的方式。（5）三角锁连接：如图8-6，用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形。（6）导线网形连接：如图8-7。（7）星形布设：如图8-8第八章GPS测量的设计与实施8.2GPS测量的外业准备及技术设计书编写教学内容：本节主要介绍GPS测量技术设计书的编写要求和内容。教学重点：1．介绍GPS测量的外业准备工作；2．介绍GPS接收机检验的内容；3．介绍GPS测量技术设计书的编写方法。教学难点：GPS接收机的检验和设计书的编写。教学方法：课堂教学为主，充分利用多媒体教学方法。教学要求：了解GPS接收机检验的内容和方法，掌握GPS测量技术设计书的编写。8．2．1测区踏勘测区踏勘主要了解下列情况：1、交通情况；2、水系分布情况；3、植被情况；4、控制点分布情况；5、居民点分布情况；6、当地风俗民情。8．2．2资料收集1、各类图件；2、各类控制点成果；3、测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料；4、城市及乡、村行政区划表。8．2．3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：1、筹备仪器、计算机及配套设备；2、筹备机动设备及通讯设备；3、筹备施工器材，计划油料，材料的消耗；4、组建施工队伍，拟定施工人员名单及岗位；5、进行详细的投资预算。8．2．4拟定外业观测计划1．拟定观测计划的主要依据：（1）GPS网的规模大小；（3）GPS卫星星座几何图形强度；（4）参加作业的接收机数量；（5）交通、通讯及后勤保障。2．观测计划的主要内容：（1）编制GPS卫星的可见性预报图；（2）选择卫星的几何图形强度；（3）选择最佳观测时断；（4）观测区域的设计与划分；（5）编排作业调度表；作业调整度表见表8-6。表8-6GPS作业调度表时段编号观测时间观测者观测者观测者机号机号机号点名备注点名备注点名备注点号点号点号1234（6）采用规定格式GPS测量外业观测通知（见表8-7）单进行调度。表8-7GPS测量外业观测通知单观测日期年月日组别：操作员：点位所在图幅：测站编号/名：观测时断：1：2：3：4：5：6：安排人：年月日8．2．5设计GPS网与地面网的联测方案GPS网与地面网的联测，可根据测区地形变化和地面控制点的分布而定，一般在GPS网中至少要重合观测三个以上的地面控制点作为约束点。8．2．6GPS接收机选型及检验1．接收机的选用接收机的选用可参考下表：2．接收机的检验接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。（1）一般检验：主要检查接收机设备各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部分是否松动与脱落，使用手册及资料是否齐全等。（2）通电检验：接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，以及自测试系统的工作情况，当自测正常后，按键作步骤检验仪器的工作情况。（3）实测检验：测试检验是GPS接收机检验的主要内容。其检验方法有：用标准基线检验；已知坐标、边长检验；零基线检验；相位中心偏移量检验等。①用零基线检验接收机内部噪声水平。基线测试方法如下：●选择周围高度角10○以上无障碍物的地方安放天线，按图8-9连天线、功分器和接收机。●连接电源，二台GPS接收机同步接收四颗以上卫星1～1.5h。●交换功分器与接收机接口，再观察一个时段。●用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。基线误差应少于1mm。否则应送厂检修或降低级别使用。②天线相位中心稳定性检验●该项检验可在标准基线、比较基线或GPS检测场上进行。●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。●按上述方法在与该基线垂直的基线中（不具备此条件，可将一个接收机天线固定指北，其它接收机天线绕轴顺时针转动90°，180°，270°）进行同样观察。●观测结束，用随机软件解算各时段三维坐标。③GPS接收机不同测程精度指标的测试。该项测试应在标准检定场进行。检定场应含有短边和中长边。基线精度应达到1*10－5。检验时天线应严格整平对中，对中误差小于±1mm。天线指向正北，天线高量至1mm。测试结果与基线长度比较，应优于仪器标称精度。④仪器的高度低温试验：对于有特殊要求时需对GPS接收机进行高、低温测试。⑤对于双频GPS接收机应通过野外测试，检查在美国执行SA技术时其定位精度。⑥用于天线基座的光学对点器在作业中应经常检验，确保对中的准确性，其检校参照控制测量中光学对点器核校方法。8．2．7技术设计书编写资料收集全后，编写技术设计，主要编写内容如下：1.任务来源及工作量包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义；GPS测量点的数量（包括新定点数、约束点数、水准点数、检查点数）；GPS点的精度指标及坐标、高程系统。2.测区概况测区隶属的行政管辖；测区范围的地理坐标，控制面积；测区的交通状况和人文地理；测区的地形及气候状况；测区控制点的分布及对控制点分析、利用和评价。3.布网方案GPS网点的图形及基本连接方法；GPS网结构特征的测算；点位布设图的绘制。4.选点与埋标GPS点位的基本要求；点位标志的选用及埋设方法；点位的编号等。5.观测对观测工作的基本要求；观测纲要的制定；对数据采集提出注意的问题6.数据处理数据处理的基本方法及使用的软件；起算点坐标的决定方法，闭合差检验及点位精度的评定指标。7.完成任务的措施要求措施具体，方法可靠，能在实际工作中贯彻执行。第八章GPS测量的设计与实施8．3GPS测量的外业实施GPS测量外业实施包括:GPS点的选埋、观测、数据传输及数据预处理等工作。8.3.1选点选点工作应遵守以下原则：1.点位应设在易于安装接收设备。视野开阔的较高点上。2．点位目标要显著，视场周围15°以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或障碍物吸收。3．点位应远离在功率无线电发射源（如电视机、微波炉等）其距离不少于200m；远离高压输电线，其距离不得少于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰。4．点位附近不应有在面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。5．点位应选在交通方便，有利于其它观测手段扩展与联测的地方。6．地面基础稳定，易于点的保存。7．选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。8．网形应有利于同步观测边、点联结。9．当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。10．当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及觇标是否安全可用作一检查，符合要求方可利用。8.3.2标志埋设GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。在基岩露头地区，也可以直接在基岩上嵌入金属标志。表8-9GPS点点之记日期：年月日记录者：绘图者：校对者：点名及等级点名土质点号等级标石说明通视点列表旧点名概略位置（L，B）纬度经度所在地交通路线选点情况点位略图单位选点员日期联测水准情况联测水准等级点位说明每个点标石埋设结束后，应按表8-9填写点之记并提交以下资料：1.点之记2．G