09GPS控制网建网与数据处理实践

LOGOGPS定位技术与方法第九章控制网建网与数据处理实践土木工程学院测量工程系西南交通大学GPS测量的实施前面介绍了有关GPS定位的基本概念和原理，本章将介绍目前GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。由于GPS测量工作的实施方法与用户的要求，和所用接收系统硬件与软件的发展水平密切相关，所以，关于GPS测量工作的作业细节，用户还须按国家有关部门颁发的GPS测量规范，以及所用GPS接收系统的操作说明书执行。西南交通大学第1节概述GPS测量工作可分为外业作业和内业两大部分。其中，外业工作主要包括，选点（即观测站址的选择）、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等工作；内业工作主要包括，GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。西南交通大学为了满足用户的要求，GPS测量作业，应遵守统一的规范和细则。但是，测量工作的实施，与GPS定位技术的发展水平密切相关，GPS接收系统硬件与软件的不断改善，将直接影响测量工作的实施方法、观测时间、作业的要求和成果处理方法。这里我们将以这些规范为参考，主要介绍一下有关GPS测量作业的基本方法和原则。考虑到，以载波相位观测量为根据的相对定位法，是当前GPS测量中普遍采用的精密定位方法，所以，下面将主要介绍实施这种高精度GPS测量工作的基本程序与作业模式。概述西南交通大学第2节GPS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。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。西南交通大学2.1精度标准的确定对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标，通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示，其形式为其中，──网中相邻点间的距离误差(mm)；a0──与接收设备有关的常量误差(mm);b0──比例误差(ppm或10-6)；D──相邻点间的距离(km)。212020])([Dba西南交通大学测量分级常量误差a0(mm)比例误差b0(10-6)相邻点距离(km)ABCDE581010100.1151020100—200015—2505—402—151—10GPS相对定位的精度指标西南交通大学精度指标，是GPS网优化设计的一个重要量，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划、观测数据的处理方法以及作业的时间和经费。所以，在实际设计工作中，要根据用户的实际需要和可能，慎重确定。GPS相对定位的精度指标西南交通大学2.2网的图形设计网的图形设计，虽然主要决定于用户的要求，但是有关经费、时间和人力的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与网的图形设计有关。对此应当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下，尽量减少消耗。西南交通大学设计的一般原则1.GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形2.相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。3.GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合4.GPS网点应考虑与水准点相重合5.GPS网点一般设在视野开阔和交通便利的地方。6.为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测站的距离，一般应大于300m。西南交通大学基本图形的选择根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边，应构成一定的几何图形。三角形网环形网西南交通大学三角形网GPS网中的三角形边由独立观测边组成。根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。同时，经平差后网中的相邻点间基线向量的精度分布均匀。这种网形的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长。因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。西南交通大学闭合环中基线边数的限值表3级别一二三闭合环中的边数456由若干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。这种网形与经典测量中的导线网相似，其图形的结构强度比三角网为差。不难理解，由于这时网的自检能力和可靠性，与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，根据网的不同精度要求，一般都规定闭合环中包含的基线边，不超过一定的数量。三角形网西南交通大学环形网的优点是观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性，其缺点主要是，非直接观测的基线边（或间接边）精度比直接观测边低，相邻点间的基本精度分布不均匀。作为环形网的特例，在实际工作中还可按照网的用途和实际情况，采用所谓附合线路。这种附合线与经典测量中的附合导线相类似。采用这种图形的条件是，附合线路两端点间的已知基线向量，必须具有较高的精度，另外，附合线路所包含的基线边数，也不能超过一定的限制。三角形网和环形网，是大地测量和精密工程测量中普遍采用的两种基本图形。通常，根据情况往往采用上述两种图形的混合网形。三角形网西南交通大学星形网星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力差。主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。因此在快速静态定位和准动态定位等快速作业模式中，大都采用这种网形，它被广泛地应用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。星形网西南交通大学独立基线向量的选择GPS控制网一般应由独立观测的基线向量构成。假设，在GPS测量中，参加同步观测的仪器数为k1，则每一观测时段可得基线向量(或称基线)数为其中包括的独立基线向量数为(k1-1)。其余均为非独立基线向量，可由独立基线向量导出，其数量为。)1(21iikk)2)(1(21iikk西南交通大学然而，在（ki-1）ki/2同步观测的基线中，如何选择(ki-1)条独立基线，却具有一定的任意性。例如，在上例中，3条独立基线的选择方式，可有图-4所示多种形式。参加同步观测的仪器越多，选取独立基线向量的可能方式便迅速增加。这就为选用独立基线向量，以构成最佳的GPS网形，提供了充分的选择性。在实际工作中，可根据对GPS网的要求和经验来确定。独立基线向量的选择西南交通大学当具有多时段的观测成果时，独立基线向量的选取，一般应以构成闭合图形为优。例如，用4台仪器进行了2个时段的同步观测，这时可得6条独立基线向量，其选取的基本方式，可取以下五种。独立基线向量的可能选取方式西南交通大学独立基线向量的选取方式示例(两时段)双时段观测的基线向量单时段观测的基线向量(a)(b)(c)(d)(e)图中选取方式（e），在精确性与可靠性方面，均优于其余选取方式独立基线向量的可能选取方式西南交通大学2.3网的基准设计网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。在GPS网的优化设计中，应当根据网的用途，提出确定网的基准的方法和原则。在GPS网整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量（如基线向量）和绝对观测量（如点在WGS-84中的坐标值）。在仅含有相对观测量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中作为相关观测量的基线向量唯一地确定；而网的位置基准，则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在GPS网包含点的坐标观测量的情况下，网的位置基准，将取决于这些网点的坐标值及其精度。GPS网的基准设计是指确定网的位置基准问题。西南交通大学位置基准选取方法一．选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；二．网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确定网的位置基准；三．在网中选若干点的坐标值并加以固定；四．选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。五．前两种方法，对GPS网定位的约束条件最少，所以，通常称为最小约束法；而后两种方法，对平差计算则存在若干约束条件，其约束条件的多少，取决于在网中所选点的数量，这种方法，通常称为约束法。西南交通大学约束平差法，在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，其影响程度，与约束条件的多少，及所取观测值的精度有关。当网中已知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响。虽然从理论上说，在网的平差计算中，给所有的已知位置以适当的权的比例关系，则是一个需要慎重考虑的问题。所以，一般只有对于一个大范围的GPS网，而且要求精确地位于WGS-84协议地球坐标系时，或者具有一组分布适宜的，高精度的已知点时，为改善GPS网的定向和尺度，约束平差法才具有重要意义。在一般情况下，对于一些区域性的GPS网，如城市、矿山和工程GPS网，其是否精确位于地心坐标系统，并不特别重要，因此，这时多采用最小约束平差法。而且，为了与经典地面网相联合，通常以采用固定一点的经典自由网平差法为宜。位置基准选取方法西南交通大学第3节选点与建立标志3.1选点工作选点，即观测站址的选择。由于GPS测量观测站之间不要相互通视，而且网的图形选择也比较灵活，所以选点工作，远较经典控制测量的选点工作简便。但由于点位的选择，对于保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果，具有重要意义，所以，在选点工作开始之前，应充分收集和了解有关测区的地理情况，以及原有测量标志点的分布及保存情况，以便确定适宜的观测站位置。西南交通大学选点工作原则1.观测站（即接收天线安置点）应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离，一般不得小于200m；2.观测站附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；3.观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于10～15；西南交通大学选点工作原则1.观测站应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；2.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（电话与电报、邮电）和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电；3.点位选定后（包括方位点），均应按规定绘制点之记，其主要内容包括，点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。4.选点工作结束后，应提交的技术资料主要包括：点之记及点的环视图；GPS网选点图；选点工作技术总结。西南交通大学3.2建立点位标志为了保持点位，以便长期利用GPS测量进行重复观测，GPS网点，一般应设置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。尤其对于研究地球动力学现象和工程变形。而建立的各种监测网，以及大范围的高精度GPS网，其网点的位置，必须可靠地加以标志。对于城市、矿山和工程测量的区域性GPS网，其点位一般也须妥善地加以标志。西南交通大学类别形式适用级别基岩标石基岩天线墩基岩标石A基本标石一般基本标石土层天线墩岩层天线墩冻土基本标石沙丘基本标石A或B普通标石一般标石岩层标石建筑物上标石B～E标石类型西南交通大学第4节GPS测量的观测工作观测工作的内容主要包括：观测计划的拟定仪器的选择与检验观测工作的实施等其中，有关仪器的检验，将在5节另行介绍。西南交通大学4.1观测计划的拟定观测工作，或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开始之前，仔细地拟定观测计划，对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度，提高效益是极为重要的。拟定观测计划的依据是：GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件（运输、通信）等。观测计划的主要内容应包括：GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。西南交通大学1.观测工作量的设计与计算外业观测的工作量，与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量，以及作业模式等因素有关。GPS网观