武大《GPS测量与数据处理》课件(黄劲松版)

©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院1GPS测量与数据处理黄劲松武汉大学测绘学院©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院2第三章GPS测量的技术设计3本章内容•概述•GPS网的精度和密度设计•GPS网的基准设计•GPS网的布网形式•GPS网的图形设计•GPS网的设计准则•GPS网的设计指标•技术设计书的编写©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院41.概述©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院51.1技术设计及其作用6技术设计的内涵•技术设计–依据：GPS网的用途及用户的要求，GPS测量规范（规程），–内容：基准、精度、密度、网形及作业纲要（如观测的时段数、每个时段的长度、采样间隔、截止高度角、接收机的类型及数量、数据处理的方案）的具体规定和要求。•技术设计的作用–提供了建立GPS网的技术准则，–项目实施及成果检查验收时的技术依据7技术设计的过程•确定设计的技术依据•进行技术设计–精度设计–密度设计–基准设计–图形（结构）设计©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院81.2技术设计的依据9技术依据•测量任务书或测量合同书•GPS测量规范及规程•其他规范及规程10GPS测量规范及规程①•现有规范、规程–全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T18314-2009国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会，2009年。–全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T18314-2001，国家质量技术监督局，国家标准，2001–全球定位系统（GPS）测量规范，CH2001-92，国家测绘局，1992–全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程，国家测绘局，CH8016-1995–全球定位系统城市测量技术规程，CJJ73-97，建设部，行业标准，1997–…11GPS测量规范及规程②12GPS测量规范及规程③•规范的内容–国家测量规范的内容13GPS测量规范及规程③•规范的内容–城市测量技术规程14其他规范及规程•若暂无与工程相对应的GPS规范时，可参照与该工程对应的常规测量规范中的质量要求，然后以此为依据，套用GPS规范15测量任务书或测量合同书•测量任务书与合同书–测量任务书•测量单位的上级事业性单位主管部门下达的具有强制性约束力的文件。•常用于下达计划指令性任务。–测量合同书•由业主方（或上级主管部门）与测量实施单位所签订的合同，具有法律效力。•市场经济条件下广泛采用的一种形式。•测量任务书和合同书的作用–测量单位必须按照规定的项目目的、用途、范围、精度、密度等进行施测，按时提交合格的成果及相关资料。–上级主管部门及业主方也应按规定及时拨（支）付作业费用，在资料、场地、生活方面给予必要的协助和照顾。–技术设计必须保证所规定的各项技术指标均能得以满足，并在时间和进度安排上留有余地。16与甲方的关系•积极了解甲方要求–网的用途及质量要求•积极与甲方进行沟通–成果内容及形式–质检指标©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院172.精度和密度设计18GPS测量的等级①•我国GPS测量规范（GB/T18314-2009）所规定的网的等级级别用途A国家一等大地控制网，全球性地球动力学研究，地壳形变测量和精密定轨等B国家二等大地控制网，地方或城市坐标基准框架，区域性地球动力学研究，地壳形变测量，局部形变监测和各种精密工程测量等C三等大地控制网，区域、城市及工程测量的基本控制网等D四等大地控制网E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等19GPS测量的等级②•我国城市测量规程（CJJ73-97）所规定的网的等级等级平均距离(km)a(mm)b(10-6)最弱边相对中误差二等9≤10≤21/12万三等5≤10≤51/8万四等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，以边长中误差应小于20mm。22abd基线向量的弦长中误差：20各级GPS测量的精度及密度要求坐标年变化率中误差级别水平分量/(mm/a)垂直分量/(mm/a)相对精度地心坐标各分量年平均中误差/mmA2381100.5相邻点基线分量中误差级别水平分量/mm垂直分量mm相邻点平均距离/kmB51050C102020D20405E2040321精度和密度设计的原则•精度设计的原则–满足合同或任务书要求–满足规范要求–满足应用要求•密度设计的原则–根据工程项目的需要，而非网的规模大小或边长的长短©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院223.GPS网的基准设计23GPS网基准设计的内涵•GPS网基准设计–指定GPS网所采用的坐标参照系（基准）–确定所采用的起算数据•GPS网的基准–位置基准–尺度基准–方位基准24坐标参照系设计•设计方法：根据布网的目的用途–城市控制网或工矿企业的独立控制网，起算点的坐标采用上述坐标系中的坐标。–全球性的或区域性的地球动力学研究时，通常采用ITRF坐标。25位置基准设计①•决定位置基准的因素–网中“起算点”坐标–平差方法•确定位置基准的方法–选取网中一个点的坐标并加以固定或给以适当的权（最小约束平差）。–网中各点坐标均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差来确定网的位置基准。–在网中选取若干个点的坐标并加以固定或给以适当的权（约束平差）。26位置基准设计②•独立网和附和网–独立网•采用最小约束平差、自由网伪逆平差或拟稳平差时，网平差中仅引入了位置基准，无多余约束条件，对网的定向和尺度无影响。–附合网•采用约束平差时，起算数据多于必要的起算数据数，在确定网位置基准的同时也会对网的方向和尺度产生影响。27尺度基准设计•决定尺度基准的因素–GPS网中的基线•地面测距边•已知点间的固定边•GPS基线向量•确定尺度基准的方法–新建控制网：可直接由GPS基线向量提供尺度基准，即采用独立网或固定一点一方位进行平差的形式，这样可以充分利用GPS技术的高精度特性。–旧控制网加密或改造：采用附合网形式，已知点间的边长成为尺度基准。–涉及特殊投影面（投影面非参考椭球面）的网：若在指定投影面上没有足够数量控制点，则可以引入地面高精度测距边作为尺度基准。28方位基准设计•决定方位基准的因素–网中的起始方位角–GPS基线向量•确定尺度基准的方法–利用旧网中的若干控制点作为GPS网中的已知点进行约束平差29基准设计的内容及原则•设计内容–平差方法–起算数据的类型、数量及分布•设计原则–满足项目要求–结合现有条件©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院304.GPS网的布网形式31跟踪站式•形式–每个点上设置一台接收机，长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测。–所有接收机的地位对等，无主次之分。•优点–精度和可靠性极高•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（A级）。32会战式•形式–多台GPS接收机集中在一段不太长的时间内，共同作业。–分批观测模式，即一段时间里所有接收机在同一批点上进行多天、长时段的同步观测；然后，所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至完成所有点的观测。–有时也被称为分区观测。–所有接收机的地位是对等的，没有主次之分。•优点–精度和可靠性很高•适用范围–B级网33多基准站式•形式–有若干台接收机长期固定在某几个点作为基准站进行长时间的观测，与此同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行网观测模式或点观测模式的测量。•优点–各基准站间基线向量精度高，可作为整个GPS网的骨架。–其余同步观测图形与各个基准站之间也存在同步观测基线，图形结构强。•适用范围–B~E级网多基准站式网模式点模式34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，作业方法简单。•适用范围–B~E级网同步图形的扩展35单基准站（星形网）式•形式–以一台接收机作为基准站，连续开机观测，其余接收机在其周围流动观测，流动接收机之间一般不要求同步。–流动接收机每观测一个时段，就测得一条与基准站间的同步观测基线，所有同步基线形成一个以基准站为中心的星形。•优点–效率高。•缺点–图形强度弱，可靠性低。•适用范围–不适用于等级GPS控制网测量，–可用于对可靠性要求不高的等外GPS测量。单基准站式的布网36确定布网方案应顾及的问题•网的质量要求•所具备仪器的数量•测区测绘基础设施（是否可利用CORS）•网点的分布形态–面状还是带状©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院375.GPS网的图形设计38GPS网的基本图形•三角形•多边形•附合导线形•星形39•定义–以三角形作为基本图形所构成的GPS网•特点–优点：几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高–缺点：工作量大•提高图形强度的方法–加测对角线三角形网40多边形网•定义–以多边形（边数≥4）作为基本图形•特点：–效率高，工作量较小，–图形强度虽不如三角形网•保证及提高图形强度的方法–对多边形边数加以限制41附和导线网•定义–以附和导线（或称附和路线）作为基本图形•特点–效率高，工作量较小，–图形强度虽不如三角形网和多边形网•保证及提高图形强度的方法–对多边形边数加以限制，仍能保证一定的强度42星形网（单基准站）•定义–从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位（待定点间一般无联系）•特点–作业速度快，但抗粗差能力极差•提高可靠性的方法–从两个已知点（基准站）上对同一待定点（流动站）进行观测；适当复测•应用–界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）•工作模式–GoandStop–RTK43多基准站•定义–两台以上的接收机（基准站）固定不间断观测，其余接收机流动观测（待定点间一般无联系）•特点–抗粗差能力较差•应用–界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）•工作模式–GoandStop–RTK•提高可靠性的方法–适当复测©2005~2012.黄劲松武汉大学测绘学院446.GPS网的设计准则45GPS网设计的出发点•前提–保证质量•目标–提高效率–降低成本46GPS网设计的特点•常规控制网图形设计–与精度和可靠性有关的点位设计–观测设计（观测点、测回数等）•GPS网图形设计–观测设计（同步观测图形、重复观测次数、观测参数设置、观测时长要求）–注意：GPS网无与精度和可靠性直接相关的图形设计问题（点位观测环境方面的问题除外）47网形与GPS网质量的关系①•如果假定对应基线向量的质量一样，则在下面两个图形中，对应各点的可靠性和精度是完全一样的123451234548网形与GPS网质量的关系②•网的形状对GPS网的质量没有直接影响对于上述两个网形，如果对应基线的质量相同，则两个网的质量也相同。49网形与GPS网质量的关系③•两点重要提示–GPS网的图形强度（可靠性）与基线向量的数量和分布有关–GPS点的精度和可靠性与与其相连的基线向量数密切相关，相连的基线向量数越多，精度和可靠性越高50重复设站与复测边•GPS网布设时的重复设站次数（观测时段数）–GPS点反复进行设站观测的次数•复测边（重复边）的布置–复测边：同一基线向量不同时段的观测结果注：以上两点也可看作是GPS网测量的要求123456第一时段第二时段重测边（基线）51提高GPS网可靠性的方法•增加观测时段数（增加独立基线数）•保证一定的重复设站次数•保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性•在布网时要使网中所有最简异步环的边数不要过多等级BCDE闭合环和附合导线的边数≤6≤6≤8≤10各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数要求52提高GPS网精度的方法•对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得直接观测基线。•可以在全面网之上建立框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架。•在布网时要使网中所有最简异步环的