第八章GPS测量的设计与实施

第八章GPS测量的设计与实施8.1概述一、GPS测量工作：外业：选点、建立测站坐标、野外观测、成果检核内业：GPS测量的技术设计、测后数据处理、技术总结。工作程序：网的优化设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理。GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。较之于常规方法，GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：1、测量精度高GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在10-5~10-9之间，这是普通测量方法很难达到的。2、选点灵活、不需要造标、费用低GPS测量，不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。3、全天侯作业在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。4、观测时间短采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1~2个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。5、观测、处理自动化采用GPS布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。二、技术设计的依据1）测量任务书或测量合同书2）GPS测量规范及规程1、2001年国家技术监督局发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2001。2、1992年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》CH2001-92。3、1995年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH8016-1995。4、1997年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》CJJ73-97。5、各部委根据本部门GPS测量的实际情况所制定的其他GPS测量规程及细则。8.2GPS网的优化设计GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节。这项内容的主要内容包括：精度指标的合理确定、网的图形设计和网的基准设计。一、精度标准的确定对GPS网的精度，主要取决于网的用途。精度指标，通常以网中相邻点之间的距离误差来表示。相邻点间距离Km比例误差固定误差mm标准差mm我国规范衡量GPS网精度的指标GPS网的精度衡量指标–相邻点基线长度精度22()abd2210mm510km10(510)50.99(mm)ab如：对于在C级网，规范要求，，当基线边长为时，级别主要用途固定误差a(mm)比例误差b(ppm·D)AA全球性地球动力学研究、地壳形变测量、精密定轨≤3≤0.01A区域性的地球动力学研究、地壳形变测量≤5≤0.1B局部形变监测、精密工程测量≤8≤1C大、中城市及工程测量基本控制网≤10≤5DE中、小城市及测图、物探、建筑施工等控制测量≤10≤10-20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≤201/1万注:当边长小于200m时，以边长中误差小于20mm来衡量．GPS点的密度标准项目AAABCDE相邻点最小距离30010015521相邻点最大距离20001000250401510相邻点平均距离10003007015-1010-55-2二、网的图形设计（1）几个基本概念观测时段（Session）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。同步观测（SimultaneousObservation）多台接收机同时对同一组卫星进行观测。基线向量（Baseline）对同步观测所采集的数据进行处理，所获得的同步观测测站间的坐标差。截止高度角（Cut-offElevation）接收机观测卫星的高度角限值，低于此限值的卫星不被观测。采样间隔（Interval）接收机连续两个观测历元间的时间间隔。独立基线（IndependentBaseline）由相互函数独立的差分观测值所确定出的基线向量。当某一时段有m台接收机进行同步观测时，可得到m-1条独立基线。同步观测环（SimultaneousObservationLoop）由同一时段观测所得到的基线向量构成的闭合环。独立观测环（IndependentObservationLoop）由相互独立的基线所构成的闭合环，也称为异步环。重复基线（复测基线）具有两个时段以上同步观测结果的基线向量。（2）GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式会战式多基准站式（枢纽点式）同步图形扩展式单基准站式1、跟踪站式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（实际上就是跟踪站）。数据处理通常采用精密星历。优点精度极高，具有框架基准特性。缺点需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。适用范围一般用于建立GPS跟踪站或永久性的监测网。2、会战式形式一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自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采用相同方式，进行另一阶段的观测，直至所有点观测完毕。优点可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。适用范围A、B级网。3、多基准站式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。优点各基准站间基线向量精度高，可以作为整个GPS网的骨架。其余同步观测图形与各个基准站之间也存在有同步观测基线，图形结构强。适用范围C，D级网。多基准站式的布网形式基准站基准站基准站同步图形4、同步图形扩展式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。优点扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。适用范围C，D级网。同步图形的扩展5、单基准站（星形网）式形式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得星形。优点效率高。缺点图形强度弱，可靠性低。适用范围D，E级网。单基准站式的布网（3）采用同步图形扩展的布网形式布设GPS基线向量网时的观测作业方式同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式。采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种式：点连式边连式网连式混连式1点连式形式相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-1个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得1+s(m-1)个点。优点作业效率高，图形扩展迅速。缺点图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。12点连式2边连式形式相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-2个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以2+s（m-2）测得个点。优点作业效率较高，图形强度较强。12边连式3网连式形式相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得个m-k新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得k+s（m-k）个点。优点图形强度最强。缺点作业效率低。4、混连式观测作业方式在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种种观测作业方式就是所谓的混连式。特点混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。12定义测定网中所有点的坐标所需要的独立基线的最少数量。计算公式对于一个只以已知点作为起算数据的网，其必要独立基线数可采用下式计算必要独立基线数网的总点数已知点的数量0,0,1ppnpnln（4）GPS必要的独立基线的定义和计算方法算例问某网由100个点构成，计划用4台接收机进行观测，如果要求平均重复设站次数不得低于2.0，问至少需要观测多少个时段，可测得多少独立基线，必要独立基线是多少？答：minmin1002.0INT504(1)50(41)1501100199tnSlSmln（5）独立基线向量的选择在GPS测量中，参加同步观测的仪器数为k，则每一观测时段可得基线向量数为：K（k-1）/2其中，独立基线为k-1，其余为非独立基线。独立基线选择的基本原则：非同步环（6）网的设计基准网的基准包括网的位置基准、方向基准、尺度基准。方向基准：由给定的起算方位角确定。尺度基准：电磁波测距边决定。位置基准：由给定的起算点坐标确定。基准设计需注意的问题：1、适当联测附近的国家控制点以提高精度（适当数量和均匀分布）2、引入已知边长和已知方位3、联测高程点4、注意坐标系统的一致（7）布设GPS基线向量网时的设计指标在布设GPS网时，我们除了遵循一定的设计原则外，还需要一些定量的指标来指导我们的工作。在我们进行GPS网的设计时经常需要采用效率指标、可靠性指标和精度指标。一、效率指标在进行GPS网的设计时，我们经常采用效率指标来衡量某种网设计方案的效率，以及在采用某种布网方案作业时所需要的作业时间、消耗等。在布设一个GPS网时，在点数、接收机数和平均重复设站次数确定后，则完成该网测设所需的理论最少观测期数就可以确定。但是，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，称之为效率指标（e），即dsseminminsds为理论最少观测期数；为设计观测期数。二、可靠性指标GPS网可靠性，可以分为内可靠性和外可靠性。所谓GPS网的内可靠性就是指所布设的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。在实际的GPS网的设计中采用了一个计算较为简单的反映GPS网可靠性的数量指标，这个可靠性指标就是整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值，称为整网的平均可靠性指标（），即：trll为多余的独立基线数为总的独立基线数三、精度指标当GPS网布网方式和观测作业方式确定后，GPS网的网形就确定了，根据已确定的GPS网的网形，可以得到GPS网的设计矩阵，从而可以得到GPS网的协因数阵，在GPS网的设计阶段可以采用作为衡量GPS网精度的指标。B1()TQBPB)(Qtr（8）GPS网的设计准则一、出发点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，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地最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。二、GPS网布网作业准则1选点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。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，