GPS控制网设计.ppt

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1、1,第五章 GPS测量的技术设计与外业工作,2,目录 第一节 GPS测量中的几个基本概念 第二节 GPS技术设计的依据 第三节 GPS网的精度和密度设计 第四节 GPS网的基准设计 第五节 GPS网的图形设计,第六节 GPS测量的外业工作,3,内容概要,观测时段和时段长度 同步观测、基线向量和GPS基线向量网 同步观测基线 闭合环和环的闭合差 同步观测环（同步环）和同步环检验 独立基线向量 独立观测环（异步环）和独立观测环检验,4,观测时段和时段长度,观测时段 从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段。 是GPS测量的基本单位。 时段长度 观测时段所持续的时间。,5,同

2、步观测、基线向量和GPS基线向量网,同步观测 两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测。 基线向量 利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差。 与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统。 GPS基线向量网 采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成。,6,同步观测基线,定义 利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量。 一个时段中，同步观测基线的数量 若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线。,7,8,闭合环和环的闭合差,闭合环 由多条基线向量首尾相连所构成的图形。,由5条

3、基线向量所构成的闭合环,9,闭合环和环的闭合差,环的闭合差 闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）的矢量和。 分量闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）矢量的各个分量的和。 全长闭合差：分量闭合差的平方和开方。,分量闭合差,全长闭合差,10,同步观测环（同步环）和同步环检验,同步观测环（同步环） 三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量（完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环。,同步环与非同步环,11,同步观测环（同步环）和同步环检验,同步环检验 定义：检验同步环的闭合差大小。 特性 理论上：采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否

4、含有误差，其环闭合差必为零。（构成同步环的基线向量之间是线性相关的） 实践中：如果算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小。 结论：同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求,12,独立基线向量,定义：线性无关的一组基线向量。 满足下面条件之一的为独立基线向量。 未构成闭合环的一组基线向量（例如：一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观测基线）。 虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同一观测时段。 提示 完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的，是一组非独立基线向量。 GPS网应由相互独立的基线向量构成。,13,独立基线向量,同

5、步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式,14,独立观测环（异步环）和独立观测环检验,独立观测环（异步环） 定义：由相互函数独立（线性无关）的基线向量所构成的闭合环。（就是前面的非同步环）,独立环与非独立环,15,独立观测环（异步环）和独立观测环检验,独立观测环检验 定义：检验独立观测环的闭合差大小 特性：与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量 结论：独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标,16,第二节 技术设计的依据,17,内容概要,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,

6、18,测量任务书或测量合同书,发布单位 上级主管部门 甲方 作用 明确项目的目标和要求,19,测量任务书或测量合同书,内容 点位要求 分布、密度、数量、标志及观测设施 精度要求 等级、点位误差、相邻点间距离误差 进度要求 提交成果的时间 成果要求 坐标参照系、是否需要高程成果、提交资料的内容,20,GPS测量规范及规程,发布单位 国家相关机构或行业主管部门 技术监督局 国家测绘局 建设部 作用 规定测量成果的质量 规范实施的步骤、要求,21,GPS测量规范及规程,现有规范、规程 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（

7、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CH8016-1995 全球定位系统城市测量技术规程，CJJ 73-97，建设部，行业标准，1997 ,22,GPS测量规范及规程,23,GPS测量规范及规程,规范的内容 国家测量规范的内容,24,GPS测量规范及规程,规范的内容 城市测量技术规程,25,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,26,第三节 GPS网的精度和密度设计,27,内容概要,GPS测量的等级及其用途 各级GPS测量的精度指标

8、 各级GPS点的密度指标,28,GPS测量的等级及其用途,我国GPS测量规范所规定的网的等级,29,GPS测量的等级及其用途,我国城市测量规程所规定的网的等级,30,各级GPS测量的精度指标,相邻点间基线长度标准差,标准差，单位mm,固定误差，单位mm,比例误差，单位ppm,相邻点间的距离，单位Km,31,各级GPS测量的精度指标,相邻点间基线长度的精度要求,32,各级GPS测量的精度指标,点位及基线长度年变化率的精度要求,33,各级GPS点的密度指标,GPS网中相邻点间的平均距离,34,第四节 GPS网的基准设计,35,GPS网的基准,GPS网的基准包括 位置基准 尺度基准 方位基准,36,

9、GPS网的位置基准,位置基准的确定 自由网平差或拟稳平差 对网的尺度无影响 固定一点（最小约束平差） 对网的尺度无影响 固定多点（约束平差） 对网的尺度有影响,37,GPS网的尺度基准,尺度基准的确定 GPS基线向量 测距边 已知点间的固定边 固定多个已知点 其他空间技术观测量（VLBI、SLR等）,38,GPS网的方位基准,方位基准的确定 GPS基线向量 起始方位 固定多个已知点 其他空间技术（如VLBI）提供的方位,39,第五节 GPS网的图形设计,40,内容概要,GPS网形设计的内容* GPS网的基本图形 图形设计中的注意事项 GPS网的特征条件,41,GPS网图形设计的内容*,一般控制

10、网图形设计的内容 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网图形设计的内容 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）,42,GPS网图形设计的内容*,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,43,GPS网图形设计的内容*,两点重要提示 GPS网的图形强度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,44,GPS网图形设计的内容*,GPS网

11、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,45,GPS网的基本图形,三角形网 多边形网 附和导线网 星形网,46,三角形网 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,GPS网的基本图形,47,GPS网的基本图形,多边形网 定义：以多边形（边数4）作为基本图形所构成的GPS网 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,48,GPS网的基本图形,附和导线

12、网 定义：附和导线（或称附和路线）作为基本图形所构成的GPS网 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,49,GPS网的基本图形,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（待定点间一般无任何联系）所构成的GPS网 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：Go and Stop，RTK,50,GPS网的基本图形,多基准站 定义：两台以上的接收机（基

13、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）所构成的GPS网 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：Go and Stop，RTK 提高可靠性的方法：适当复测,51,图形设计中的注意事项,布网形式 AA、A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘点外，每点至少应与3个点相连， C、D、E级GPS网可布设成多边形或附和导线。,52,图形设计中的注意事项,各级GPS网中最大独立闭合环或附和导线的边数满足下表要求,53,图形设计中的注意事项,AA、A、B级GPS网点应与永久GPS跟踪站联测。联测站数满足下表要求,54,图形设计中的注意事项,AA、

14、A、B级GPS网点应与参加过全国天文大地网整体平差的三角点、导线点及一、二等水准点重合 新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不少于2个 大陆、岛、礁之间的A、B级GPS网的边长可视实际情况变通。重要岛礁与大陆之间的联测点数不得少于3个,55,图形设计中的注意事项,为求得GPS点在某一参考坐标系中的坐标，应与该坐标系中的原有控制点进行联测，联测点数不得少于3个,56,图形设计中的注意事项,框架网的采用 当控制网的范围较大时，可采用分级布设的方法，即首先布设点数较少但等级较高的框架网，然后再部分项目所要求等级的全面网*,57,图形设计中的注意事项,确定正常高时的注意事

15、项 为求得GPS点的正常高，应进行高程联测，联测应满足下表要求,58,GPS网的特征条件,总基线数 独立基线数 必要基线数 多余基线数,59,GPS网的特征条件,若某GPS网由n个点组成，每点的设站次数为m，用N台GPS接收机进行观测 观测时段数C： 总基线数J总： 独立基线数J独： 必要基线数J必： 多余基线数J多：,60,GPS网设计书,编写提纲 概述：测区位置，项目概况 技术依据：规范、标准 坐标系统与起算数据 网形设计 质量检核 选点埋石 外业观测 数据处理：软件、处理方法（包括基线解算与网平差） 成果资料,61,第六节 GPS测量的外业工作,62,选点与埋设标志 注意事项： （1）点

16、位应紧扣测量目的布设。 （2）便于联测和扩展。 （3）点位交通方便，便于安置设备，视野开阔。 （4）点位远离大功率无线电发射源和高压输电线。 （5）点位附近避免有对电磁波发射强烈的物体。 （6）点位应选于地面基础好的地方。 （7）点位选好后，按规定绘制点记。,63,2.GPS接收机的检验,观测中所选用的接收机，必须对其性能与可靠性进行检验，合格后方可参加作业。对新购和经修理后的接收机，应按规定进行全面的检验。接收机全面检验的内容，包括一般性检视、通电检验和实测检验。 1、一般性检验 主要检查接收机设备各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部分是否松动与脱落，使用手册及资料是否齐全等。另外，天线底座

17、的圆水准器和光学对中器，应在测试前进行检验和校正。 2、通电检验 接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，以及自测试系统的工作情况，当自测正常后，按操作步骤检验仪器的工作情况。 3、实测检验 测试检验是GPS接收机检验的主要内容。其检验方法有：用标准基线检验；已知坐标、边长检验；零基线检验；相位中心偏移量检验等。,64,3. GPS卫星预报与观测调度 卫星几何分布及可接收卫星数与精度息息相关。根据软件可预报。,65,编排作业调度表 作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网的设计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业调度表，以

18、提高工作效益。,66,GPS作业调度表,67,4. 观测作业 观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。,68,5.观测成果的外业检核 观测成果的外业检核是外业工作的最后一个环节。每当观测任务结束，必须对观测数据的质量进行分析并作出评，以确保观测成果和定位结果的预期精度。外业检核的主要内容： 1每个时段同步边观测数据的检核 1）数据剔除率； 2）平差值的中误差。 2重复观测边的检核 3环闭合差的检核 4同步观测环检核,69,1.GPS观测成果的检验 （1）基线长度中误差 基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内。对于20 km以内的短

19、基线，双差求解模型可有效地消除电离层的影响，其相应的中误差小于0.010.02 m。若超过此项限差，基线解算成果的可信性就较差。 同时基线的单位权方差主要反映偶然误差，一般也应小于0.01 m。,70,（2）基线求解的整周参数的整周性 对于20 km以内的短基线，其求解的整周模糊度应具有良好的整数特性，若在基线平差解算中，有一两个模糊度与相近整数相差到0.150.20，则该成果较好，当差值超过0.30时 ，所求的结果往往不太可靠。此时，可采用换基准参考卫星，以及去掉周跳出现较多的某颗卫星或截去信号条件较差的一段时间的信号等措施，重新再求解基线。,71,（3）基线观测值残差分析 一些基线解算的软

20、件中，通常都具有以图或表的形式给出一个测段中每颗卫星与基准参考卫星之间观测值残差的功能。若每颗卫星的残差图形均在纵坐标零周附近，则该基解算较好。 若某颗星的残差起伏较大，则表明该星的单差可能有问题，可考虑删去该星；若残差图中出现突然的跳跃或尖峰时，表明周跳未完全消除；若所有星的残差图形都不好，很可能是基准参考星的问题，可改用另一颗卫星作为基准参考星。,72,（4）基线浮点解与固定解之差 以平差解算的实数作为整周未知参数获得的解为浮点解(实数解)，而将实数取整后的整数作为整周未知参数获得的解为固定解，两者之间的基线向量坐标应符合良好，在短基线情况下，两者的基线向量坐标差达分米级时，则处理结果可能

21、有问题。 （5）同步多边形闭合差检查 采用单基线处理模式，对于采用同一种数学模型获得的基线解，由其同步时段若干基线组成的同步多边形环的坐标分量相对闭合差和全长闭合差应满足：,73,式中n为多边形的边数，为GPS网相应级别规定的观测精度。,74,（6）异步环多边形闭合差检查 由若干条独立基线边构成的异步闭合环，其闭合差应符合下式规定：,异步环多边形闭合差的大小，是基线向量质量检核的主要指标。如果闭合差超限，应及时分析原因，对其中部分成果进行重测。,75,（7）重复基线边较差检查 同一条GPS基线边若观测了多个时段，可得多次基线边观测结果，同一条基线边任意两个时段结果的互差不宜超过下式的规定：,7

22、6,2. GPS测量的技术总结与上交资料 技术总结的内容一般包括： (1) 测区范围与位置，自然地理条件，气候特点，交通及经济等情况。 (2) 任务来源，测区已有测量成果的情况，施测目的和基本精度要求。 (3) 施测单位，施测起止时间，技术依据，作业人员情况，使用接收机类型和数量以及检验情况，观测方法，重测、补测情况，作业环境，重合点情况，工作量与工作日情况。 (4) 野外数据检核情况和分析，起算数据和坐标系统，数据后处理内容、方法及软件情况，精度分析。,77,(5) 外业观测数据质量分析与野外检核情况。 (6) 方案实施与规范执行情况。 (7) 工作量与定额计算。 (8) 提交成果中尚存在的

23、问题和需要说明的其他问题。 (9) 上交资料清单。 (10) 各种附表与附图。,78,GPS测量任务完成后，应提交下列资料 ： (1) 测量任务书。 (2) 技术设计书。 (3) 新设或重建的GPS点的点之记和测量标志委托保管书。 (4) 外业观测记录(含软盘)、测量手簿及其他记录资料。 (5) GPS控制点网图。 (6) 数据处理中生成的文件、资料和成果表。 (7) GPS接收机设备的检验资料。 (8) 技术总结报告。 (9) 成果验收报告。,79,80,81,作业,（1）名词解释：观测时段，同步观测，同步环观测，独立观测环，异步观测环，独立基线 。 （2）GPS外业选点应注意哪些事项？ （3）简述GPS基线向量解算的基本过程。 （4）GPS测量技术总结报告的内容及提交的成果资料有哪些？ （5）有4台GPS接收机同步作业，网点数为8，采用边连式组网。试问：该网的观测时段数为多少？总基线数、必要基线数、独立基线数、多余基线数分别是多少？,