卫星定位测量的几个基本概念.ppt
卫星定位测量的基本概念,王百发 2011年9月20日,平面控制网的建立，可采用卫星定位测量、导线测量、三角形网测量等方法。,卫星定位测量技术以其精度高、速度快、全天候、操作简便而著称，已被广泛应用于测绘领域，故本规范将卫星定位测量技术列为平面控制网建立的首选方法。 鉴于GPS特指美国的卫星定位系统；俄罗斯的GLONASS卫星定位系统也于1996年1月18日正式起用；欧盟委员会2002年3月26日最终通过启动GALILEO研制发射计划；我国也建立了北斗卫星导航定位系统。导航卫星定位系统领域将出现多元化或多极化的格局。故，本规范初步引入卫星定位测量概念，代替单一的GPS测量。关于GPS测量部分依然称之为GPS测量。 根据工程测量部门现时的情况和发展趋势，首级网大多采用卫星定位测量控制网，加密网较多采用导线或导线网形式。三角形网用于建立大面积控制或控制网加密已较少使用。所以按卫星定位测量、导线测量和三角形网测量的顺序编写。,1、什么是卫星定位测量？,利用两台或两台以上接收机同时接收多颗定位卫星信号，确定地面点相对位置的方法。 卫星定位测量的概念，主要是面向多元化的全球空间卫星定位系统而提出的，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的GALILEO等卫星导航定位系统。其不仅仅局限于美国的GPS。 工程测量主要采用载波相位观测值进行相对定位。 目前有多部国家和行业标准也都采用了我们所倡导的这一概念！,2、什么是卫星定位测量控制网？,利用卫星定位测量技术建立的测量控制网。 卫星定位测量控制网，是对应用空间卫星定位技术建立的工程控制网的统称。,3、卫星定位测量控制网的精度要求如何制定？,卫星定位测量控制网主要技术要求的确定，是从工程测量对相应等级的大型工程控制网的基本技术要求出发，并以三角形网的基本指标为依据制定的，也是为了使卫星定位测量的应用具有良好的可操作性而提出的。,4、什么是基线精度计算的计算公式？,相邻点的基线长度中误差公式中的固定误差和比例误差系数，与接收机厂家给出的精度公式（ABD）中的、含义相似。厂家给出的公式和规范（3.2.2）式是两种类型的精度计算公式，应用上各有其特点。基线长度中误差公式主要应用于控制网的设计和外业观测数据的检核。,5、如何对外业观测精度进行评定？,卫星定位测量控制网外业观测精度的评定，应按异步环的实际闭合差进行统计计算。这里采用全中误差的计算方法，来衡量控制网的实际观测精度，网的全中误差不应超过基线长度中误差的理论值。,6、什么是卫星定位测量控制网设计？,卫星定位测量控制网的设计是一个综合设计的过程，首先应明确工程项目对控制网的基本精度要求，然后才能确定控制网或首级控制网的基本精度等级。最终精度等级的确立还应考虑测区现有测绘资料的精度情况、计划投入的接收机的类型、标称精度和数量、定位卫星的健康状况和所能接收的卫星数量，同时还应兼顾测区的道路交通状况和避开强烈的卫星信号干扰源等；,7、为什么要联测2个以上高等级国家平面控制点？,由于卫星定位测量所获得的是空间基线向量或三维坐标向量，属于其相应的空间坐标系（如GPS WGS84坐标系），故，应将其转换至国家坐标系或地方独立坐标系方能使用。为了实现这种转换，便要求联测若干个旧有控制点以求得坐标转换参数。故，规定联测2个以上高等级国家平面控制点或地方坐标系的高等级控制点；,8、为什么要求对长边要构成大地四边形？,对控制网内的长边，宜构成大地四边形或中点多边形的规定，主要是为了保证控制网进行约束平差后坐标精度的均匀性，也是为了减少尺度比误差的影响。,9、什么是可靠性？,有多余观测的控制网才有可靠性所言；可靠性的定义就是多余观测数与所有独立观测数的比值；工程控制网通常规定该比值不小于1/3。,10、为什么各等级网中构成闭合环或附合路线的边数不宜多于6条？,规范课题组对mn环组成的连续网形进行了研究，结果发现：三条边的网型、四条边的网型、五条边的网型、六条边无限大的网型都能达到要求。八条、十条边的网型规模不管多大均无法满足网的平均可靠性指标为1/3的要求。故，规定卫星定位测量控制网中构成闭合环或附合路线的边数以6条为限值。简言之，如果异步环中独立基线数太多，将导致这一局部的相关观测基线可靠性降低。,11、为什么要求控制网要由独立观测边构成闭合环或附合路线？,由于卫星定位测量过程中，要受到各种外界因素的影响，有可能产生粗差和各种随机误差。这种误差对同步观测的影响可能是一致的系统性的，同步环检验无法发现，因此，要求由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线，就是为了对观测成果进行质量检查，以保证成果可靠并恰当评定精度；,12、为什么GPS控制网的工作量与接收机台数不相关？,在一些规范和专业教科书中，各有观测时段数、施测时段数、重复设站数、平均重复设站数、重复测量的最少基线数、重复测量的基线占独立确定的基线总数的百分数等不同概念和技术指标的规定，且在观测基线数的计算中均涉及到GPS网点数、接收机台数、平均重复设站数、平均可靠性指标等四项因素；工程应用上也显得比较繁琐、条理不清。 规范组研究认为：GPS控制网的工作量与接收机台数不相关。推论见规范说明。,13、为什么规定全网独立观测基线总数不宜少于必要观测基线数的1.5倍 ？,规范组研究成果，基于工程控制网通常取1/3为网的可靠性指标进行公式推导得出的。详见规范说明。 故，规定全网独立观测基线总数，不宜少于必要观测基线数的1.5倍。必要观测基线数为网点数减1。作业时，应准确把握以保证控制网的可靠性。,14、为什么控制网布设时，每个点至少应与一个以上的相邻点通视？,卫星定位测量控制网的点位之间原则上不要求通视，但考虑到在使用其他测量仪器对控制网进行加密或扩展时的需要，故提出控制网布设时，每个点至少应与一个以上的相邻点通视；,15、为什么要有卫星高度角的限制？,卫星高度角的限制主要是为了减弱对流层对定位精度的影响，由于随着卫星高度的降低，对流层影响愈显著，测量误差随之增大。因此，卫星高度角一般都规定大于15；,16、为什么测站要求避开周围的电磁波干扰源？,定位卫星信号本身是很微弱的，为了保证接收机能够正常工作及观测成果的可靠性，故应注意避开周围的电磁波干扰源。,17、什么是多路径效应 ？,如果接收机同时接收来自卫星的直接信号和很强的反射信号，这样会造成解算结果不可靠或出现错误，这种影响称为多路径效应。为了减少观测过程中的多路径效应，故提出控制点位要远离强烈反射卫星接收信号的物体。,18、什么是符合要求的旧有控制点？,符合要求的旧有控制点就是指满足卫星定位测量的外部环境条件、满足网形和点位要求的旧有控制点。,19、为什么要采用相对定位模式,GPS定位有绝对定位和相对定位两种形式，本规范所指的定位方式为相对定位； 依据测距的原理，GPS定位可划分为伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位等。规范的GPS定位特指载波相位测量定位，测地型接收机目前主要采用载波相位观测值等进行相对定位。手持机采用的是伪距法定位模式。,20、什么是双频接收机和单频接收机？,GPS定位卫星使用两种或两种以上不同频率的载波，即载波、载波等；只能接收载波的接收机称为单频接收机，能同时接收载波和载波的接收机称为双频接收机。利用双频技术可以建立较为严密的电离层修正模型，通过改正计算，可以消除或减弱电离层折射对观测量的影响，从而获得很高的精度，这便是后者的优点。对于前者，虽然可以利用导航电文所提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，故精度较差。对一般的工程控制网，单频接收机便能满足精度要求。试验证明，当基线边超过8km时，双频接收机的精度尤为显著。故，规定二等网采用双频接收机。,21、什么是GPS卫星有两种星历 ？,通常我们所直接接收到的星历便是卫星广播星历，它是一种外推星历或者说预估星历。虽然在GPS卫星广播星历中给出了卫星钟差的预报值，但误差较大。可见卫星广播星历的精度相对不高，但通常可满足工程测量的需要。 对于有特殊精度要求的工程控制网，例如高精度变形监测网，需采用精密星历处理观测数据，才能获得更高的基线测量精度。,22、为什么工程控制网的建立，可采用静态和快速静态两种GPS作业模式 ？,根据工程控制网的应用特点，规定了建立四等以上工程控制网时，需采用静态定位。为了快速求解整周未知数，要求每次至少观测5颗卫星。 由于快速静态定位对直接观测基线不构成闭合图形，可靠性较差。所以，规定仅在一、二级采用。,23、为什么有观测时段的长度和数据采样间隔的限制？,观测时段的长度和数据采样间隔的限制，是为了获得足够的数据量。足够的数据量有利于整周未知数的解算、周跳的探测与修复和观测精度的提高； 由于接收机的性能和功能在不断的提高和完善，对接收时段长度的要求也不尽相同，故，本规范不做严格的规定。如二等网时段长度为：30-90min,24、什么是GPS定位的精度因子？,精度因子通常包括：平面位置精度因子HDOP，高程位置精度因子VDOP，空间位置精度因子PDOP，接收机钟差精度因子TDOP，几何精度因子GDOP等； 用户接收机普遍采用空间位置精度因子（又称图形强度因子）PDOP值，来直观地计算并显示所观测卫星的几何分布状况。其值的大小与观测卫星在空间的几何分布变化有关。所测卫星高度角越小，分布范围越大，PDOP值越小。实际观测中，为了减弱大气折射的影响，卫星高度角不能过低。在满足15高度角的前提下，PDOP值越小越好。PDOP值不能满足规范的要求时，则要求暂时中断观测并作好记录。,25、为什么一般工程测量作业可不观测相关气象数据？,由于工程控制网边长相对较短（二等网的平均边长也不超过10km），卫星信号在传播中所经过的大气状况较为相似，即同步观测中，经电离层折射改正后的基线向量长度的残差小于。若采用双频接收机时，其残差会更小。加之在测站上所测定的气象数据，有一定局限性。因此，作业时可不观测相关气象数据。,26、为什么一般工程测量作业，可不编制GPS测量作业计划？,GPS测量作业计划的编制仅限于规模较大的测区，其目的是为了进行统一的组织协调。编制预报表时所需测区中心的概略经纬度，可从小比例尺地图上量取并精确至分。小测区则无需进行此项工作。,27、为什么接收机要进行预热和静置？,接收机预热和静置的目的，是为了让接收机自动搜索并锁定卫星，并对机内的卫星广播星历进行更替，同时也是为了使机内的电子元件运转稳定。随着接收机制造技术的进一步完善，本条对预热和静置的时间不做统一规定，应根据接收机的品牌及性能具体掌握；,28、为什么要认真做好测站记录？,由于GPS接收机数据采集的高度自动化，其记录载体不同于常规测量，人们容易忽视数据采集过程的其他操作。如果不严格执行各项操作或人工记录有误，如点名、点号混淆将给数据处理造成麻烦，天线高量错也将影响成果质量，以致造成超限返工。因此，应认真做好测站记录。,29、为什么要进行单点定位？,基线解算时，起算点在WGS84坐标系中的坐标精度，将会影响基线解算结果的精度。单点定位是直接获取已知点在WGS84坐标系中已知坐标的方法。理论计算和试验表明：用30min单点定位结果的平均值作为起算数据，可以满足相对定位的精度要求；,30、多基线解算模式和单基线解算模式的主要区别是什么？,多基线解算模式和单基线解算模式的主要区别是，前者顾及了同步观测图形中独立基线之间的误差相关性，后者没有顾及。大多数商业化软件基线解算只提供单基线解算模式，在精度上也能满足工程控制网的要求。因此，规定两种解算模式都是可以采用的；,31、为什么要采用双差固定解？,由于基线长度的不同，观测时间长短和获得的数据量将不同，所以，解算整周期模糊度的能力不同。能获得全部模糊度参数整数解的结果，称为双差固定解；只能获得双差模糊度参数实数解的结果，称为双差浮点解；对于较长的基线，浮点解也不能得到好的结果，只能用三差分相位解，称为三差解。 基于对工程控制网质量和可靠性的要求，规定基线解算结果应采用双差固定解。,32、为什么应对同步环闭合差进行检验？,由同步观测基线组成的闭合环称为同步环。同步环闭合差理论上应为零。但由于观测时同步环基线间不能做到完全同步，即观测的数据量不同，以及基线解算模型的不完善，即模型的解算精度或模型误差而引起同步环闭合差不为零。因此，应对同步环闭合差进行检验；,33、为什么要进行异步环检验？,由独立基线组成的闭合环称为异步环。异步环闭合差的检验是GPS控制网质量检核的主要指标。计算公式是按误差传播规律确定的，并取2倍中误差作为异步环闭合差的限差；,34、舍弃不合格基线后是否重测的原则是什么？,在异步环检核和复测基线比较检核中，允许舍去超限基线而不予重测或补测，但舍去超限基线后，异步环中所含独立基线边数不宜多于6条，反之就需重测。,35、如何进行无约束平差？,1 无约束平差的目的，是为了提供GPS网平差后的WGS84坐标系三维坐标，同时也是为了检验GPS网本身的精度及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差； 2 无约束平差是在WGS84坐标系中进行。通常以一个控制点的三维坐标作为起算数据进行平差计算，实为单点位置约束平差或最小约束平差，其与完全无约束的亏秩自由网平差是等价的，因此称之为无约束平差。起算点坐标可选用控制点30分种的单点定位结果（规范3.2.10条）或已知控制点的GPS坐标；,35、如何进行无约束平差？,3 基线向量改正数的绝对值限差的提出，是为了对基线观测量进行粗差检验。即基线向量各坐标分量改正数的绝对值，不应超过相应等级的基线长度中误差的3倍。超限时，认为该基线或邻近基线含有粗差，应采用软件提供的自动方法或人工方法剔除含有粗差的基线，并符合规范3.2.12条的规定。,36、如何进行约束平差？,1 约束平差的目的，是为了获取GPS网在国家或地方坐标系的控制点坐标数据；这里的地方坐标系是指除标准国家坐标系统以外的其他坐标系统，即本规范3.1.4条25款所采用的坐标系统。 2 约束平差是以国家或地方坐标系的某些控制点的坐标、边长和坐标方位角作为约束条件进行平差计算。必要时，还应顾及GPS网与地面网之间的转换参数；,36、如何进行约束平差？,3 对已知条件的约束，可采用强制约束，也可采用加权约束； 强制约束，是指所有已知条件均作为固定值参与平差计算，不需顾及起算数据的误差。其要求起算数据应有很好的精度且精度比较均匀。否则，将引起GPS网发生扭曲变形，显著降低网的精度。 加权约束，是指顾及所有或部分已知约束数据的起始误差，按其不同的精度加权约束，并在平差时进行适当的修正。定权时，应使权的大小与约束值精度相匹配。否则，也会引起GPS网的变形，或失去约束的意义。,36、如何进行约束平差？,平差时，在约束点间的边长相对中误差满足本规范表3.2.1相应等级要求的前提下，如果约束平差后最弱边的相对中误差也满足相应的要求，可以认为网平差结果是合格的。 4 对已知条件的约束，有三维约束和二维约束两种模式。三维约束平差的约束条件是控制点的三维大地坐标或三维直角坐标、空间边长、大地方位角；二维约束平差的约束条件是控制点的平面坐标、水平距离和坐标方位角。,谢谢大家 2011年9月21日2时43分,
