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1、GPS静态测量的设计与实施,1. GPS测量包括技术设计、外业观测和内业数据处理三个阶段,技术设计针对GPS控制网的用途和用户需求，依据国家相关规范，对GPS测量的网形、精度及基准等的具体设计及其优化设计。,GPS静态测量的设计与实施,其他GPS测量规程与细则 （各部委根据本部门GPS工作的实际情况制订的）,1.GPS测量规范（规程）,2.测量任务书（测量合同）,全球定位系统（GPS）测量规范 （2009版国家标准国家质量技术监督局发布）,全球定位系统（GPS）测量规范 (1992版国家测绘局 颁布实施),全球定位系统城市测量规程 （1998版国家建设部发布）,测量施工单位上级主管部门或合同甲
2、方下达的技术要求文件，规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交成果资料的项目和时间、完成任务的经济指标等。,GPS静态测量的设计与实施,精度指标,基线向量的等效距离中误差(mm),固定误差(mm),比例误差(mm),相邻点间的距离(km),GPS静态测量的设计与实施,GPS网的等级,GPS静态测量的设计与实施,GPS网的概念,应用GPS定位技术建立的控制网叫GPS网，其控制点叫GPS点，相邻GPS点之间的线段叫基线，不少于三条基线构成的闭合图形称为观测环。,GPS控制网的精度、密度设计,根据国标，各级GPS相邻点间平均距离应符合下表的要求，而且相邻点最小距离可为平均距离的1/31/2倍
3、；最大距离可为平均距离的23倍。,通过GPS控制网获得是基线向量，属于WGS84坐标系的三维坐标差。而在实际工作中，需要的是国家坐标系或地方坐标系的坐标。所以在GPS网的技术设计时要明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。,GPS网的基准,位置基准：由给定的起算点确定,方位基准：由给定边的起算起算方 位角确定,尺度基准：测距仪测定的基线边、 GPS基线边或两个起算点 间的距离确定,GPS控制网的基准设计,方位基准控制不使网旋转，必有一个边的方位； 一条边的边长不能发生变化，控制了网的比例；如 果没有尺度的控制，网可以伸展和收缩，平差后的 效果是不一样的。,与常规的
4、平面控制网相同，给控制网提供约束条件： 一个网中必须有（一个以上）坐标已知的点，有了坐标已知点，也就确定了坐标系统；,为求定GPS点在国家或地方坐标系中的坐标，应联测地方控制地方点，用以坐标变换。当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于 3个。工程控制网可以联测2-3个。,GPS控制网的基准设计,GPS网平差后得到的是大地高，为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。联测的高程点需均匀的分布于网中，对丘陵或山区高程点应
5、按照高程拟合曲面的要求进行布设。,GPS高程测量,GPS网图形构成的基本概念,3.同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称同步环，如图所示，当N大于2时，即可构成不同边数的同步环。,N=2，J=1,N=3，J=3,N=4，J=6,N=5，J=10,1.观测时段：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。,2.同步观测：两台及以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。,同步环坐标闭合差理论上应等于0，但由于各GPS接收机间不严格同步，以及模型误差和处理软件的内在缺陷，该量不等于0，其限差应小于下列规定：,基线向量的等效距离中误差（m
6、m）,同步环中的边数,3.同步观测环（续）,同步环闭合差只能说明基线向量的解算是否合格，而不能说明GPS基线向量的精度高低，也不能发现信号是否含有粗差。,GPS网图形构成的基本概念,4.独立基线：由N台GPS接收机同步观测可得到基线总数,其中相互不能构成任何检核条件的基线称为独立基线。,DJ=N-1,在J条基线边中，独立基线DJ的选择有一定的任意性，参加同步观测的接收机的数量越多，选择的方式也越多。,GPS网图形构成的基本概念,N台接收机同步观测图形中独立基线的选择,4.独立基线：,GPS网图形构成的基本概念,5.独立观测环（异步环）：由非同步观测获得的独立基线向量构成的闭合环，简称独立环或异
7、步环。,为了确保GPS成果的精度与可靠性，有效发现粗差，GPS网中的独立基线必须构成构成一些独立环或附合路线，从而形成一些几何检核条件，如构成三角形网、多边形网或附合路线网。,不同时段独立基线连在一起即构成GPS网。对于各级GPS网独立环或附合路线的边数应符合表中的规定。,GPS网图形构成的基本概念,5.独立观测环（异步环）：,独立环或附合路线的坐标闭合差根据规范规定应满足：,GPS网图形构成的基本概念,6、重复基线：同一条GPS边若观测了多个时段，可得到多个基线结果，这种边称为重复基线。,异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件是衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标！,B级以下各级GPS网要求
8、，同一条边任意两个时段的边长差应满足：,GPS网图形构成的基本概念,观测时段数计算公式：Cn m/N 式中C为观测时段数；n为网点数；m为每点平均设站次数；N为接收机数。故在GPS网中总基线数：J总 C N（N一1）/2必要基线数：J必n1独立基线数：J独C(N1）多余基线数：J多 C（N1）（n1）依据以上公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。,观测时段数计算公式,2、GPS网特征条件的计算,观测时段数：,C为观测时段数，n为网点数，m为每点设站次数，N为接收机数。,例：n=4，m=3，N=3,GPS网中：,总基线数：,必要基线数：,独立基线数：,多余基线数：,例：某GPS网
9、由80个站组成，现准备用5台接收机 来进行观测，每点设站次数为4次，试计算 GPS网特征条件。,全网的观测时段数：,总基线数：,独立基线数：,必要基线数：,多余基线数：,对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的基线（或简称GPS边）数为： J N*(N1)/2；但其中仅有N1条是独立边，其余为非独立边。 当同步观测的GPS接收机数N3时，同步闭合环T的最少个数应为 TJ(N1)(N1)(N2)2,GPS网特征条件的计算,（1）理论上，同步闭合环中各GPS 的坐标差之和即闭合差应为零，但实际上由于不严格同步，应适当放宽此项限差。（2）同步闭合环的闭合差较小只能说明基线向量的计算合格，
10、并不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。 为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立边构成一定的几何图形。这种几何图形可以是由数条独立边构成的非同步多边形（亦称非同步闭合环）当GPS网中有若干个起算点时，也可以是由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。,对于同步环和异步环的几点说明,GPS控制网图形设计,概述,GPS网图形设计就是将各同步图形合理衔接，以改善GPS网的精度、增强其可靠性并提高其效率,连接方式的选择取决于工程精度需求、外业观测条件以及GPS接收机数量等因素。,GPS基线向量网的布网形式,跟踪站
11、式会战式多基准站式同步图形扩展式单基准站式,GPS控制网图形设计,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，这种观测方式很像是跟踪站，因此被称为跟踪站式，数据处理通常采用精密星历。,缺点： 需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。,优点： 精度极高，具有框架基准特性。,适用范围： 一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（ 如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。,1. 跟踪站式的布网,GPS控制网图形设计,2. 会战式的布网,形式： 在布设GPS网时，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。 在作业时，观测分阶段进
12、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。,适用范围： 用于布设A、B级网。,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。,GPS控制网图形设计,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。,3.多基准站式的布网,适用范围：C，D。,GPS控制网图形设计,优点： 各个基准站之间进行了长时间的
13、观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。 进行同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得更强的图形结构。,3.多基准站式的布网,GPS控制网图形设计,4.同步图形扩展式的布网,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
14、，D。,GPS控制网图形设计,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； 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。,5.单基准站（星形网）式的布网,优点：效率高。,缺点：图形强度弱,适用范围：D，E。,GPS控制网图形设计,同步图形的连接方式,点连式边连式网连式混连式,GPS控制网图形设计,1. 点连式,形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。优点：作业效率高，图形扩展迅速。缺点：图形强度低，如果连
15、接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,同步图形的连接方式,GPS控制网图形设计,同步图形的连接方式,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。优点：作业效率较高，图形强度较强。,GPS控制网图形设计,同步图形的连接方式,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。优点：图形强度最强。缺点：作业效率低。,GPS控制网图形设计,同步图形的连接方式,（4） 混连式,形式： 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
16、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。,GPS控制网图形设计,GPS网网形设计原则,5. GPS点应选择在交通便利、视野开阔、容易到达的地方,1.GPS网中不应存在自由基线,2.GPS网中的闭合条件中基线数不可过多,3.每个点至少独立设站观测两次,4. GPS网至少应与地面网有2个重合点,自由基线不构成闭合图形，不具备发现粗差的能力。,可能导致粗差相互抵消，不利于发现粗差；为确保检核条件，各点最好有3条以上的基线分支。,保证不同接收机观测量构成网的精度和可靠性指标比较接近。,以实现GPS网与地面网之间的坐标转换,方便观测，减少多路径影响，并
17、便以经典方法进行扩展,GPS控制网图形设计,2.GPS网是一种非层次结构，可一次扩展到所需的密度。,GPS测量的特点,1.GPS各点之间不需通视。,3.GPS网的精度比较均匀。网中的基线向量均含有长度和方位观测值，不存在误差传递与积累问题。,结论： （1）GPS网需要一个点的坐标为定位基准，而此点的精度高低直接影响到网中个基线向量的精度和网的最终精度。 （2）由于GPS网的尺度含有系统误差以及与地面网的尺度匹配问题，所以有必要提供精度较高的外部尺度基准。,GPS控制网图形设计,技术设计书的编写,项目来源测区概况工程概况技术依据现有测绘成果施测方案作业要求观测质量控制数据处理方案提交成果要求,G
18、PS技术设计书编写,设备的准备与人员安排,（3）GPS点埋标的施工材料以及其他耗材的准备；,根据技术设计书，进行设备准备与人员组织：,（1）观测仪器、数据处理设备的筹备；,（2）交通、通讯设施的准备；,（4）组织测量队伍，并进行必要的培训、教育。,GPS静态测量外业施测,观测计划的拟订,测区交通状况、交通设备状况、后勤保障等。,1.拟定原则,网的精度要求确定所需的观测时间、时段数；,网的规模大小；,作业期间的卫星星历状况；,接收机的数量；,结合观测要求、各点的周围环境、交通状况等情况制定详细的工作计 划、工作日程、人员调度表、观测要求一览表等。,2.观测计划的内容,利用星历预报软件，编制测区卫
19、星可见性预报表、卫星出现的方位、观测时卫星几何强度因子等，选择最佳的观测时段；,GPS静态测量外业施测,GPS控制点的选埋,GPS外业观测工作,GPS相对定位作业模式,GPS静态测量外业施测,GPS控制点的选埋,1.选点要求,附近不应有强烈反射卫星信号的物件（如大型建筑物等）；,周围便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15；,远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等）；,充分利用符合要求的旧控制点，应对旧点的稳定性、完好性、以及觇标是否安全可用性作一检查，符合要求方可利用。,交通方便，并有利于其他测量手段扩展和联测；,地面基础稳定，易于点的保存；,GPS静态测
20、量外业施测,GPS控制点的选埋,2.标志埋设,所有点位埋石结束后，应认真绘制点之记，并待埋石点稳定一段时间，方可进行观测。,GPS点应埋设具有中心标志的标石，以精确标定点位；,点的标志与标石必须稳定、坚固，以利于长久保存与利用；,对于用于变形监测的GPS点，更应该建立便于长久保存的标志，以获得两期变化的精确量；,为了提高GPS测量的精度，减少对中误差，方便使用，可以建造强制对中观测墩；,GPS静态测量外业施测,GPS外业观测工作观测时依据的技术指标,GPS静态测量外业施测,1、观测工作的技术指标 见表,GPS外业观测工作开机观测,3.注意事项,观测过程中应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位
21、测量残差，实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。,一个时段观测中，不允许进行以下操作：,关闭又重新启动,进行自测试（发现故障除外）,改变卫星高度角,改变天线位置,改变数据采样间隔,按动关闭文件和删除文件等功能键,观测过程中应注意供电情况，听到低压报警应及时处理，防止内部数据破坏或丢失。,GPS静态测量外业施测,GPS外业观测工作观测记录,2.观测手簿,观测手簿在GPS接收机启动前和观测过程中，由观测者实时填写。,观测手簿记录格式可参照现行规范执行。,观测记录和观测手簿都是GPS精密定位的依据，必须实时填写，坚决杜绝事后补记或追记。,GPS静态测量外业施测,GPS相对定位作业模式,GPS测量
22、的作业模式就是利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式，主要包括：,1.静态相对定位,2.快速相对定位,3.准动态相对定位,4.动态相对定位（差分相对定位）,GPS静态测量外业施测,GPS相对定位作业模式静态相对定位,作业方式,主要应用于全国性或国家级大地控制网的建立、地壳运动或工程变形监测网的建立、精密工程控制网的建立等。,将两台或多台GPS接收机分别安置在一条或多条基线的两端，同步观测4颗以上卫星,观测时间,观测时间在45分钟以上,定位精度,使观测基线构成一系列的闭合环，用于外业检核，基线相对定位精度可达5mm+1ppm。,适用范围,GPS静态测量外业施测,GPS相对定位
23、作业模式快速相对定位,作业方式,主要应用于一般控制网的测量与加密、工程测量、地籍测量及碎部测量等。,一般在测区中央选择一基准站，并安置一台接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各流动站，每点观测几分钟即可。接收机移动过程中，可关闭电源。,观测时间,应用双频接收机只需同步观测5-10分钟，单频接收机观测15分钟左右，即可达到与静态相对定位相当的精度。,定位精度,优点是速度快、精度高、能耗低，缺点是构不成闭合环，可靠性差。,适用范围,GPS静态测量外业施测,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核,一般将每天的观测数据及时下载到计算机，然后用随机软件进行基线解算，进行同步环、异步环等的外业数
24、据检核，发现不合格的数据，根据情况及时重测或补测。,外业检核目的,GPS外业观测成果的检核是确保外业观测质量、提高观测精度的重要环节。,外业检核程序,外业检核内容,外业数据检核,重测或补测,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核 外业数据检核,同一条边任意两个时段的边长差应满足规范的要求。,同一时段观测值的数据剔除率,同一时段观测值的数据剔除率是指同一时段中删除的观测值个数与获取的观测值总数之比。其值不超过10%。,同步观测环,同步环坐标闭合差应小于规范要求。,独立观测环,独立环或附合路线的坐标闭合差根据规范规定应满足规范的要求。,重复基线,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核 重测或补测,
25、必须保证舍弃基线后的独立环所含基线数，不超过规范的规定，否则应重测该基线有关的同步图形。,当出现不合格的数据情况时，应根据具体情况进行重测与补测：,补测要求,未按施测方案要求，外业缺测、漏测，或数据处理后，观测数据不满足规范的规定，有关成果应及时补测。,重测要求,允许舍弃在重测基线边长较差、同步环闭合差、独立环或附合路线闭合差检验中超限的基线，而不必进行该基线或该基线有关的同步图形的重测。,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核 技术总结与上交资料,在GPS测量成果完成后，应按要求编写技术总结，内容包括：,内业技术总结,外业技术总结,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核 外业技术总结,外业观
26、测数据质量分析与野外数据检核情况,测区及其位置，自然地理条件，交通，通讯及供电情况,任务来源，项目名称，测区已有测量成果情况，本次施测的目的及基本精度要求,施工单位，施测时间，技术依据，作业人员的数量及技术状况等。,作业仪器类型、精度、检验及使用状况,点位观测质量的评价，埋石与重合点情况,联测方法，完成各级点数量，补测与重测情况以及作业中存在问题的说明。,GPS测量技术设计与外业施测 外业检核 上交资料,（5）数据处理中生成的文件，资料和成果表以及GPS网及点图,（1）测量任务及技术设计书,（2）点之记，环视图，测量标志委托保管书，选点资料与增石资料,（3）接受设备，气象及其他仪器的检验资料,（4）外业观测记录，测量手薄及其他记录,（6）技术总结和成果验收报告,
