GPS测量的设计与实施

第1页共23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、外业实施及内业数据处理等三个阶段。本章主要介绍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前GPS测量中普遍采用的精密定位方法，所以在本章内容中主要讨论局域性城市与工程GSP控制网的相对测量的工作程序与方法。第一节GPS测量的技术设计GPS测量的技术设计是进行GPS定位的最基本性工作，它是依据国家有关规范(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测量规范(规程)和测量任务书。1．GPS测量规范(规程)GPS测量规范(规程)是国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，目前GPS设计依据的规范(规程)有：国家测绘局发布的测绘行业标准全球定位系统(GPS)测量规范；建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程；各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的其它GPS测量规程或细则。2．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第2页共23页的技术要求文件。这种技术文件是指令的，它规定了测量任务的范围、目的、精度的密度，提交成果的资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。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，再结合规范(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1．GPS测量精度标准及分类(1)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网可参照规范中A、B级的精度分级(如表1)。用于城市或工程的GPS控制网可根据相信点的平均距离和精度参规范中的二、三、四等和一、二级(如表2)。表1GPS测量精度分级(一)级别主要用途固定误差a(mm)比例误差b(ppm*D)A地壳形变测量或国家高精度GPS网的建立50.1B国家基本控制测量81表2GPS测量精度分级(二)等级平均距离(km)a(mm)b(ppm*D)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201/1万第3页共23页注：当边长小于200米时，以边长中误差小于20毫米来衡量。(2)各等级GPS相邻点间弦长精度用下式来表示：22)(bda式中：为GPS基线向量的弦长中误差(毫米)，亦即等效距离误差；a为GPS接收机标称精度中的固定误差(毫米)；b为GPS接收机标称精度中的比例误差系数(ppm*D)；d为GPS网中相邻点间的距离(公里)。(3)在实际工作中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力情况合理设计，也可参照本部门已有的衙门规程和作业经验适当掌握。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点的密度标准各种不同的任务要求和服务对象，对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研究监测所布设的GPS点，主要用于提供国家级基准、精密定轨、星历计划及高精度形变信息，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。因此现行规程和规范对GPS网中两相邻点间距离、各等级GPS网相邻点的平均距离作出了规定。表3GPS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2000250401510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，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明第4页共23页确GPS网所采用的基准。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。方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。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：1．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控制点若干点，用以坐标转换。在选择联测点时，既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受旧资料精度较低的影响，因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联测2-3个点。2．为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，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。3．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，可根据具体情况联测高程点，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行布设。具体联测宜采用不低于四等水准或其精度相等的方法进行。4．新建GPS网的坐标系应尽是与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般还应该了解以下参数：a)所采用的参考椭球；b)坐标系的中央子午线经度；c)纵横坐标加常数；d)坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；e)起算点的坐标值。第5页共23页四、GPS网构成的几个基本概念及网特征条件在进行GPS网图形设计前，必须明确有差GPS网构成的几个基本概念，掌握网的特征条件计算方法。1．GPS网图形构成的几个基本a)观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。b)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。c)同步观测环：三台或三台以上接收机观测获得的基线向量所构成的闭合环。d)独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。e)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，则该多边形环路叫作异步观测环，简称异步环。f)独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。g)非独立基线：除独立上的其它基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线。2．GPS网特征条件的计算按R。Asany提出的观测时段数计算公式：NmnC/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。故在GPS网中：总基线数为：2/)1(NNCJT；必要基线数：1nJN；独立基线数：)1(NCJD第6页共23页多余基线数：)1()1(nNCJS依据上述公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。3．GPS网同步图形及独立边的选择按上面的公式，对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数为：2/)1(NNJ但只有N-1条是独立的GPS基线，其余为非独立的GPS基线。当同步观测的GPS接收机数3N时，同步闭合环的最少个数应为：2/)2)(1()1(NNNJT理论上，同步闭合环中各GPS边的坐标差之和(即闭合差)应为0，但由于有时各台GPS接收机并不是严格同步的，同步闭合环的闭合差并不等于零。有的GPS规范规定了同步闭合差的限差。对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求，但当由于某种原因，同步不是很好的，应知觉放宽此项限差。值得注意，当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。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何图形。这种几何图形，可以是由数条GPS独立边构成的非同步多边形(或称非同步闭合环)。当GPS网中有若干个起算点时，也可以由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。GPS网的图形设计，也就是根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出由独立GPS边构成的多边形网。对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定，必要时也可根据具体情况适当调整。第7页共23页五、GPS网的图形设计常规测量中对控制网的图形设计是一项非常重要的工作。而在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活性。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。根据不同的用途，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基本方式。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、野外条件及GPS接收机台数等因素。1．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。以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。2．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，网的几何强度较高，有较多的复测边和非同步图形闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。3．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。显然，这种密集的布网方法，它的几何强度和可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控制测量。4．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网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠性指标，双能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。第8页共23页5．三角锁(或多边形)连接用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形，此连接形式适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。6．导线网形连接(环形图)将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式的GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核GPS点的可靠性。适用于精度较低的GPS布网。该布网方法也可与连式结合起来布设。7．星形布设星形图的几何图形简单，其直接观测边间不构成任何闭合图形，所以其检查发现粗差的能力比点连式更差，但这种布网只需要两台仪器就可以作业。若有三台仪器，一个可作为中心站，其它两台可流动作业，不受同步条件条件限制。由于方法简便，作业速度快，星形布网广泛地应用于精度较低的工程测量、地质、地球物理测点、边界测量、地籍测量和碎部测量等。在实际布网设计时还要注意以下几个原则：a)GPS网的点与点间尽管不要求通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个以上通视方向。b)为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。c)GPS网必须由非同步独立观测边构成若干闭合环或附合路线。各级GPS网中每个闭合环附合路线中的边数应符合下表的规定。等级二三四一级二级闭合环或附合路线的边数68101010第9页共23页第二节GPS测量的外业准备及技术设计书的编写在进行GPS外业工作之前，必须做好实施前的工区踏勘、资料收集、器材筹备，观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。一、测区踏勘接受下达任务或签定GPS测量合同后，就可依据施工设计图踏勘、调查工区。主要调查下列情况，为编写技术，施工设计，成本预算提供依据。1．交通情况：公路、铁路、乡村便道的分布及通行情况；2．水系分布情况：江河、湖泊、池塘、水渠的分布、桥梁、码头及水路交通情况；3．植被情况：森林、草原、农