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1、返回,卫星定位技术与应用黄张裕河海大学土木工程学院,*,Chapter 6 GPS控制网的建立,主要内容,1 GPS控制网的技术设计2 GPS接收机的检定3 GPS测量的外业工作4 GPS基线向量计算5 高精度GPS测控网的施测技术,6-1 概述,GPS控制网：应用GPS卫星定位技术建立的控制网。,1）国家或区域性的高精度GPS网：AA、A、B等级wuhn(武汉)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉萨)、kumn(昆明)、urum(乌鲁木齐)、twtf（台北）相邻点间距离为数百公里至数千公里。其主要任务是：作为高精度国家大地测量控制网，以求定国家大地坐标系与世界
2、大地坐标系的转换参数，为地学和空间科学等方面的科学研究工作服务；或对GPS网进行重复观测，用于研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。,全球的380个GPS永久跟踪站(2004年11月24日),全国GPS跟踪站,其中已建立永久性跟踪站AA级8个；A级网点33个，并于己1996年进行复测；B级网点818个。,国家高精度GPS网,国家高精度GPS网包括GPS永久性跟踪站AA级和A、B级高精度GPS网。,国家高精度GPS网的布设建立了我国新一代的基于空间技术的地心三维大地控制框架，改善了我国似大地水准面的精度和分辨率，为基础测绘、资源勘探、环境变化监测、国防工程及多种经济的需要提供了新的大地控制基
3、础。,国家高精度GPS网,33个点,818个点,2）国家加密GPS网和局部性的GPS网：,国家C、D、E等级和城市二、三、四等级、一级、二级 包括国家加密GPS网、GPS城市控制网、GPS工程控制网等 相邻点间距离为数公里至数十公里。其主要任务是：直接为基础建设、城市建设和工程建设服务。,3）GPS差分网建设概况,GPS差分定位技术可分为：单基准站差分（微型网，RTKGPS）具有多个基准站的局域差分（局域网，LADGPS）广域差分（广域网，WADGPS）广域外部增强系统（EGNOS、WAAS、MASAS、GDGPS）其中，局域网针对某一特定的应用环境和地理区域，直接提供最有效的GPS导航定位服
4、务，得到了广泛的应用，如测绘、国土规划、地籍管理、工程建设、交通监控、公共安全、工程与地壳形变监测等等。,GPS差分网应用领域需求分析,国内外GPS差分网建设状况,利用GPS精密定位技术，在一个国家、一个地区或一个城市布设分布密度各不相同的、长年运行的GPS卫星永久性跟踪站，通过数据通信网络把这些站的精确坐标和GPS卫星跟踪数据发播给用户，用户只需用一台不同类型的GPS接收机，采用不尽相同的软件和作业延时，就可以进行毫米级、厘米级、分米级乃至米级、十米级、数十米级的实时、准实时、快速或事后定位。这些卫星跟踪站构成一个基准站网络，利用现代化自动控制技术对这些基准站实现无人值守的连续运行，通过有线
5、无线数字通信网络，使系统的数据实现局部或全球性的共享。根据用途，开展公益性和有偿性的服务。当前，在国际上建立这种卫星定位导航服务网络取代传统的静态定位控制网是一个正在兴起的潮流。其原因除了这类系统具有全自动、全天候、实时的定位导航功能外还可以进行天气预报、灾害监测、电网及通信网络的时间同步等多种功能。,Continuous Operation Reference Station System：由美国国家大地测量局（NGS）牵头，包括NGS的跟踪网、美国海岸警备队（USCG）差分网、美国联邦航空局（FAA）的WAAS网、美国工程兵团（USACE）的跟踪网等137个GPS基准站组成。系统计划准备发
6、展到250个基准站左右，平均站距为100200km（个别400km），覆盖全美，构成美国新一代动态国家参考系统。系统的所有基准站都配置双频全波型GPS接收机和抑径圈天线。每一天卸载当天的数据，数据记录格式为30s RINEX格式。通过因特网向全美和全球用户提供基准站坐标和GPS卫星跟踪观测站数据。此外，还提供其它如大地水准面、坐标系转换等服务。,1）美国的连续运行参考站网系统（CORS）,用户用一台GPS接收机在美国任一位置观测，然后通过因特网卸载CORS若干基准站数据，即可进行事后精密定位。目前，NGS地学实验室正在研究长距离动态定位软件，其目标是100200km距离上的GPS相对定位，几分
7、钟或更短的时间即可达到1cm级的相对定位精度水平。CORS是一个多功能网，除满足用户精密定位要求外，还可满足气象、地球动力学、地震监测、实时广域差分等多项服务。其服务方式原则上是公益性的。,1）美国的连续运行参考站网系统（CORS）,CUE和ACCQPOINT公司是美国、加拿大地区的两个卫星无线网络通信公司，也是最早在北美开展商业广域差分导航服务的公司，他们利用调频副载波（FM）广播广域差分修正信号。公司在美国和加拿大有20余个GPS永久跟踪站，通过FM提供亚米级到十米级的广域差分有偿服务，最近，这个公司开发了利用FM副载波发送GPS载波相位观测修正数据进行实时动态精密定位副（RTK FMTM
8、）技术，有效作用距离可达70km，在2040km的多条实验基线上，24min的初始化时间，十个历元左右，动态定位精度可达1cm左右。这是个应用前景非常广阔的技术。利用这一技术，可以实现GPS广域差分和广域RTK技术的集成，使过去分设的定位与导航系统完全有机地统一成一个系统。此外，美国Satlog等组织也有实时广域差分服务。该机构有14个在美国沿边境分布的永久跟踪站，构成服务网络系统。,2）美国CUE、ACCQPOINT公司广域定位导航服务网络,加拿大大地测量局将该国目前以建成的十几个永久GPS卫星跟踪站构成一个主动控制网（CACS），作为简单大地测量的动态参考框架。其目的同样是通过因特网提供网
9、络地心坐标和相应GPS卫星跟踪观测数据，供测量、地球物理和其他用户采用GPS单机即可进行事后精密定位。该系统提供精密星历、卫星钟差、电离层模型等广域差分修正，其实际定位精度从1m到10m是可变的，取决于用户采用的GPS接收机的抗干扰和抗多路径效应的性能。加拿大一些公司目前目前采用FM广播和中波信标广播网开展实时定位服务。,3）加拿大的主动控制网系统（CACS）,目的是把当前德国各部门的差分GPS计划协调统一起来，建立一个长期运行的、覆盖全国的多功能差分GPS定位导航服务体系，作为国家的空间数据基础设施。把德国的差分GPS服务按精度、时间响应和目的分成四个级别：实时定位服务（EPS）、高精度实时
10、定位服务（HPS）、精密大地定位服务（GPPS）、高精度大地定位服务（GHPS）。,4）德国的卫星定位导航服务计划（SAPOS）,四种服务的精度、时间特性、通信方式、数据格式及用途：,6-2 GPS控制网的技术设计,一、GPS控制网技术设计一般原则,1、充分考虑建立GPS控制网的应用范围2、采用分级布网的建设方案3、确定GPS测量精度标准4、GPS网的基准设计：位置基准：与测区的坐标系统一致，通常由给定的起算点坐标确定。方位基准：通过给定的起算方位角确定，或直接选用GPS基线向量的方位角。尺度基准：由地面电磁波测距边确定，或由给定的起算点坐标确定，或直接选用GPS基线向量的距离。,5、GPS高
11、程基准6、确定选点原则：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。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。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1015。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。对于基线较长的GPS网，还应考虑观测站附近，应有良好的通信设施和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电。点位选定后（包括方位点），均应按规定绘制点之记，包括点位及点位略图、点位的交通情况以及选点情况等。,二、GP
12、S定位精度标准确定,1、GPS定位精度与用户需求关系,2、GPS相对定位精度指标,国家等级GPS控制网,2、GPS相对定位精度指标,城市等级GPS控制网,3、美国GPS相对定位精度指标,1、基本网形：（1）三角形网（2）环形网（多边形或符合导线）（3）星形网,三、GPS控制网图形设计,2、同步图形连接方式：,（1）点连式（2）边连式,（3）网连式（4）混合式,控制网形式,纯导线型网,纯点连式网,3、GPS同步观测,（1）单基线数：,同步图形：,二台接收机 nk=2,三台接收机 nk=3,四台接收机 nk=4,五台接收机 nk=5,（3）同步观测环数：,（2）独立基线数：,4、GPS非同步观测,
13、5、举例：1）nk=4时，ng=6，np=3，nr=3,三边形个数：,多时段观测时，独立基线应以构成闭合图形为优。,2）nk=6时，ng=15，np=5，nr=10,N=4,N=2,N=3,仪器台数 同步图形 独立基线,N=5,GPS控制网的网形设计,6-3 GPS接收机的检定,一、一般性检视 主机、天线、附件、处理软件的完好性。,二、通电检视 键盘按键、显示系统和仪器自检工作的正常性。,三、接收机内部噪声水平测试,1、接收机内部噪声：接收机钟差、信号通道时延、延迟锁相环误差及机内噪声所引起的定位误差的综合反映。2、测试方法 1）零基线测试法：基本原理：采用“功率分配器”将同一天线输出的信号分
14、成功率、相位相同的两路或多路信号送到不同的GPS接收机中，然后对观测数据进行双差处理，求解三维坐标差，以检验接收机的固定误差。2）超短基线测试法：基本原理：在平坦地区选择长度为510m的已知基线（或用鉴定后的钢尺量距），同步观测进行静态定位，解算基线值与已知基线值比较，求定仪器的固定误差。,四、天线相位稳定性测试,1、天线相位中心稳定性：天线在不同方位下的实际相位中心位置与厂家提供的天线几何中心位置的重合程度。2、相对定位法测试：旋转天线位置：90、180、270。,五、GPS接收机野外作业性能和精度指标测试,1、短基线直接比较法检验,标准检定场,仪器标称中误差：,GPS 观测中误差：,2、野
15、外检定网上检验,1）解算边长与相应已知边长之差：,2）多边形闭合环坐标分量闭合差：,3）不同时段观测得到的重复边的边长和坐标分量互差：,六、接收机频标稳定性和数据测量评价,接收机频标稳定性：主要是短周期频率稳定特性，考核接收机性能和潜在的可能达到的精度水平的一项重要指标。检验方法：通过对不同测程、分别连续观测较长时间段的观测数据结果进行残差统计分析，确定数据的平均噪声水平、周跳出现频率以及低高度角情况下观测数据质量变化和多路径效应的影响等。,七、接收机附件的检验 电池、电缆、接头、基座、气象仪表等,转到,6-4 GPS测量的外业工作,一、GPS相对定位作业模式,1、静态相对定位2、快速静态相对
16、定位3、准动态相对定位4、动态相对定位,二、GPS测量基本技术规定,GPS测量基本技术规定,三、GPS卫星预报和观测调度计划,四、GPS静态外业观测,（1）观测仪器：采用3台美国Ashtech Z12型GPS双频接收机进行观测，其标称精度为5mm+1ppmD，配备有可抑止多路径效应的扼流圈天线。（2）作业模式：采用静态相对定位模式，以同步三角形连接，扩展成空间GPS网。（3）观测前的准备工作：利用Ashtech GPS随机软件(Winprism软件)，编制测区卫星可见性预报表、卫星出现的方位等，合理选择最佳观测时段。（4）观测要求：卫星高度切割角15，有效观测卫星个数4，采样间隔为20，时段观
17、测时间45分钟，PDOP4。,五、归心改正,对于双维标或复合标等，必须进行偏心观测 归心元素测定 归心计算方法,6-5 GPS基线向量计算,一、GPS数据处理流程：,二、数据下载：“download”,GPS接收机采集的数据是记录在接收机的PC卡上。数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。具体为：,（1）A*.day-卫星可见性预报文件：卫星状态、DOP值（2）B*.day-接收机位置数据文件：卫星个数、高度角、位置、信噪比等（3）E*.day-卫星星历数据文件：卫星轨道参数等（4）S*.day-测站信息数
18、据文件：测站号、天线高、天线半径、气象元素等,三、空间基线解算,采用Ashtech接收机随机提供的商用软件Winprism进行及时处理。对解算结果不好的基线进行单独解算，通过增删卫星、重选基星、改变时段和高度角等方法改善基线解算结果，对于单独解算不满意的基线作重测或删除处理。基线解算成果中有五种文件，具体为：,1）I*.*-输入信号文件2）L*.*-基线向量文件3）O*.*-基线向量数据文件4）P*.*-卫星残差分布文件5）Summary.out-基线解算向量文件,四、基线解分析：,1）观测值残差分析2）基线长度的精度3）基线向量环闭合差检核4）双差固定解和双差实数解,五、空间基线向量的质量检
19、核,为提高GPS测量的精度与可靠度，需要对基线解算质量进行检核。同步环闭合差是检验一个时段观测质量好坏的标志。同步环闭合差超限，可能是因为同步环上各测站没有完全同步，或是各测站周跳修复不同，也可能是软件本身的缺陷所至。异步环闭合差超限，可能因各种观测条件较差（如多路径误差影响、强辐射、电离层、对流层的影响）。基线解算后，必须进行数据预处理，计算同步环闭合差、非同步环闭合差以及重复基线的检查，各环闭合差符合规范要求。,（2）非同步环坐标分量及全长相对闭合差,（3）重复基线的长度较差：,坐标分量闭合差限差：,坐标分量闭合差限差：,（1）同步环坐标分量及全长相对闭合差,全长相对闭合差限差：,全长相对
20、闭合差差：,6-6 高精度GPS测控网的施测技术,一、工程概况南京地铁1#线工程南起小行，北至迈皋桥，西延至奥体中心，线路总长度21.72公里，其中地下线14.43km，地上线7.02km，过渡段0.27km，线路贯穿主城区的中心腹地，把城市中心区商业、金融、文化、综合服务等繁华区及对外交通口等客流集散点连接起来，形成主城区中轴线的快速轨道交通走廊。GPS控制网是地铁工程施工的全线总控制网，其网点的稳定、准确直接关系到工程施工的质量和隧道的贯通。因此，必须对全线控制网统一规划，并进行定期复测，以满足工程建设的需要。,南京市快速轨道线网规划图,二、网形优化分析,1、GPS控制网测区：位于东经11
21、84211850，北纬31573207，东起紫金山、土山，西至棉花堤、水佐岗，南起韩府山，北至劳山。2、测区中心线自南向北贯穿繁华市区，居民密集，高楼林立，大气能见度差，各种电磁波干扰严重，对控制测量工作极为不利。3、GPS控制网的覆盖范围广，精度要求特殊，网形设计时必须做到网点位布设合理、精度高且有很高的可靠性。4、GPS控制网既要考虑与原城市二等网的联系，又要考虑地铁网的独立性，充分体现GPS控制网的高精度。,4、GPS控制网选取,在测区范围内可供选择的高级联测点城市二等三角点有6个：DT22DT27DT28DT29DT30DT31,GPS控制网设计要求,按设计要求将地铁GPS网沿地铁线路
22、布设城市二等网：南起DT28，北至DT31，中间与DT29、DT27、DT22、DT30等三角点相连。,地铁GPS控制网共有26个控制点，全网包括起算点2个，检查点4个（根据平差结果分析可以任选起算点），选取待定点20个，以同步三角形连接、用边连式扩展成空间GPS锁网。在地铁GPS网形确定后，对观测纲要进行优化设计，在已知城市二等三角点DT28、DT31上各有5条独立基线，DT30上有3条独立基线，DT27、DT29 上各有4条独立基线，而DT22 上有7条独立基线，这样充分保证与已知点的坚强连结，同时为加强地铁南北线一期工程控制点的图形强度，通过直接与已知点连接或构成小三角形以提高精度和可靠
23、性。全网布设最长边长8.3km，最短边长0.8km，平均边长3.5km，并保证每地铁车站附近有一对GPS控制点。,5、观测纲要设计,三、GPS控制网精度分析,对GPS控制网优化设计后，为保证地铁GPS控制网的精度和可靠性，便于地铁的施工，确保隧道施工贯通和工程建设质量，对优化设计的地铁GPS网进行了必要的精度估算，做到网点位布设合理、精度高且有很好的可靠性，实践表明网点精度比较均匀，估算精度点位误差均小于1.0cm，满足地下铁道、轻轨交通工程测量规范要求，能很好地为南京地铁建设服务。经过优化设计后，地铁GPS控制网结构较强，并有多个由非同步独立边构成的多边形闭合环，具有良好的粗差检测能力。,四
24、、GPS控制网外业测量,1、外业测量采用GPS静态相对定位模式，整网由三台Ashtech Z12型GPS接收机（5mm+1ppm）以同步三角形连接，扩展成空间GPS网。为了保证地铁施工质量，考虑到该GPS控制网的要求与用途，提高GPS观测的精度与可靠性，GPS点间必须构成一定数量独立边组成的非同步闭合环，使GPS网有足够的多余观测。为增加多余观测边数，保证平均每点设站2次以上，这样可以构成尽量多的多边形非同步闭合环，提高网的可靠度。,2、观测数据预处理,1）空间基线向量解算对每天的观测数据及时进行处理，对解算结果不好的基线进行单独解算，通过增删卫星、重选基星、改变时段和高度角等方法改善基线解算
25、结果，对于单独解算不满意的基线作重测或删除处理。外业基线解算采用广播星历、相位观测值双差分技术，解算数据采用率达99%以上。基线结果采用双差固定解，表示精度的残差（Rms）均小于1.0cm，满足规范规定要求，表示固定解可靠程度因子（Ratio）达98%以上。,2）基线解算质量检核,为提高GPS测量的精度与可靠度，基线解算结束后，利用商用软件进行数据预处理，计算检查同步环闭合差、非同步环闭合差以及重复基线，各环闭合差必须符合GPS测量规范要求。通过检核，舍去不合格的基线，保证非同步环的边数不大于6。这样，GPS控制网共构成独立观测基线83条，组成同步闭合环27个，非同步闭合环17个（三角形），重
26、复基线25条。,GPS控制网闭合环闭合差,五、观测数据处理,1、GPS网三维无约束平差为了全面考察GPS网的内部符合精度，探测可能存在的粗差，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差。在基线解算质量检核的基础上，进一步评定GPS网的内部符合精度与外业观测的质量，利用基线向量改正数进行粗差的检验：三维无约束平差对基线向量质量的检查一般可以通过分析基线向量三个分量的残差、最弱点点位误差、最弱边相对中误差以及验后单位权中误差等来判断。,2、GPS起算基准选取,GPS控制网的建设，要依托现有城市控制网。如果起算点与拟建的GPS网不兼容，将会引起GPS控制网的扭曲和变形，损害GPS网精度。因此，如何选取
27、合适的城市高等级控制点作为GPS扩展网的起算数据会直接影响扩展网的精度，或导致GPS控制网的失控和相对超控。根据城市控制网布设原则，选取地面起算点必须充分分析已有地面控制网的资料，综合考虑控制网网形结构，进行优化选取。,3、GPS网二维约束平差,GPS网二维约束平差分别采用54抵偿坐标系和92南京地方坐标系进行计算，选定中央子午线11850，投影面为正常高10m（56黄海高程系）。,作业：,转到,（1）说明GPS控制网技术设计一般性原则？（2）GPS网的基准设计包括哪些？GPS网点选点原则有哪些？（3）国家等级GPS控制网包括哪些等级？城市等级GPS控制网又包括哪些等级？（4）GPS控制网图形设计基本网形有哪些？同步观测图形连接方式又有哪些？（5）GPS控制网外业观测成果应进行哪些检验？（6）用3台GPS接收机进行静态测量，建立一个大地四边形，至少需要观测几个时段？可以组成几个相互独立的同步环？,
