《GPS测量原理及应用》课程实验指导书.docx
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《GPS测量原理及应用》课程实验指导书
《GPS测量原理及应用》课程实验指导书
本实验指导书依据《GPS测量原理及应用》课程实验教学大纲编写，供测绘工程、地理信息系统（工科）和遥感科学与技术专业学生学习《GPS测量原理及应用》课程和课间实习实验用。
一、实验课名称：
GPS测量原理及应用
二、适用专业：
测绘工程专业（10学时）
地理信息系统专业（工科）（8学时）
遥感科学与技术专业（8学时）
三、实验项目名称和学时分配
序号
实验项目名称
学时
分配
实验
属性
实验
类型
实验者类别
每组
人数
必开/选开
1
GPS接收机的认识及操作
2
专业类
演示型
本（专）科
5
必开
2
GPS静态相对定位测量
2
专业类
验证型
本（专）科
4
必开
3
RTKGPS接收机及软件的认识与应用
2
专业类
综合型
本（专）科
4
必开
4
GPS接收机随机软件的认识与应用
2
专业类
验证型
本（专）科
1
必开
5
GPS网平差软件的认识与应用
2
专业类
综合型
本（专）科
1
必开
6
GPS静态相对定位测量及其数据处理与分析
16
专业类
综合型
本（专）科
4
选开
7
GPS实时动态测量（RTK）及其数据处理
8
专业类
综合型
本（专）科
4
选开
注：
1、序号1、2、3、4、5、6、7适应测绘工程专业。
2、序号1、2、3、4、5适应地理信息系统专业。
3、序号1、2、4、5、6适应遥感科学与技术专业。
实验一GPS接收机的认识及操作
一、实验原理与方法
GPS信号接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。
由于GPS卫星信号的应用范围非常广泛，而信号的接收和测量又有多种方式，因此GPS信号接收机有许多种不同的类型。
尽管如此，GPS信号接收机的主要结构却大体相同，可分为天线单元和接收单元两大部分。
天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波能转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。
而接收单元的主要功能则是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量。
本次实验主要采用的是AshtechZ—X型双频GPS接收机，它也是由一台主机（接收单元）和一个双频天线（天线单元）构成的。
二、实验目的
1、通过实验认识AshtechZ—X型双频GPS接收机并学会使用；
2、通过实验加深理解GPS双频、单频的概念。
三、实验组织
每班分为若干个小组，每小组5人左右；若有多个班级，则需分批进行实验。
四、实验学时
本次实验课的学时为2。
五、实验所需仪器设备
每班实验仪器：
3台套AshtechZ-X双频GPS接收机。
每组实验仪器：
1、AshtechZ-X双频GPS接收机主机一台套；
2、双频GPS天线一个；
3、测量天线高用的钢卷尺一把；
4、脚架一个；
5、锂电池2块；
6、基座一个；
7、记录表格一套；
8、Ranger电子手簿一个（可选）。
六、实验内容
1、认识AshtechZ-X双频GPS接收机的各个部件；
2、掌握GPS接收机各个部件之间的连接方法；
3、熟悉GPS接收机前面板各个按键的功能；
4、熟悉GPS接收机后面板各个接口的作用；
5、学会查看GPS接收机的工作状态、PDOP值、测站经纬度和大地高；
6、学会使用GPS接收机采集数据；
7、学会GPS接收机中测站名、天线高和有关控制参数的输入方法；
8、初步学会Ranger电子手簿中安装的FDC软件。
七、实验步骤
1、实验课教师进行操作演示和讲解。
内容包括：
GPS接收机各个部件的名称和功用，GPS接收机各个部件之间的连接方法，GPS接收机前、后面板各个按键和接口的功用，GPS接收机主机和Ranger电子手簿上的各个菜单的功能及参数设置等；
2、学生自己进行操作练习。
先认识GPS接收机各个部件的名称和功用，然后将这些部件连接起来，最后熟悉GPS接收机主机和Ranger电子手簿上各个菜单的功能及参数设置，并用GPS接收机采集数据；
3、实验完成后，学生以小组为单位编写相应的实验报告，写出GPS信号接收机各个组成部分的名称、功能和简要的操作过程。
八、实验要求
通过实验，学生要能够认识AshtechZ-X双频GPS接收机的各个组成部分的名称和功用，掌握GPS接收机主机和Ranger电子手簿上的各个菜单的功能及参数设置，能够熟练地操作AshtechZ-X双频GPS接收机。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后每个小组应提交实验报告一份；
2、AshtechZ-X双频GPS接收机是目前技术先进、价格昂贵的测量型GPS接收机，在安置和使用时必须严格遵守精密仪器操作规程，注意爱护仪器。
实验二GPS静态相对定位测量
一、实验原理与方法
用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上的GPS卫星，确定基线两端点的相对位置，这种定位模式称为静态相对定位。
静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，测量精度远高于码相关伪距测量，而且采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效地削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机钟不同步误差对定位结果的影响；同时，天线长时间固定在基线两端点上，可保证取得足够多的观测数据，从而可以准确确定整周未知数
。
上述的这许多优点，使得静态相对定位可以达到很高的精度。
目前，这种高精度的定位方法已在大地测量、地球动力学、地质灾害监测、工程建筑物的安全监测、工程测量、摄影测量、海洋测绘及其他许多领域中得到广泛应用。
二、实验目的
1、掌握GPS静态相对定位测量的原理、方法和步骤；
2、了解GPS控制网的布网方式，理解同步环、异步环和重复基线等基本概念。
三、实验组织
每班分为若干个小组，每小组4人左右；若有多个班级，则需分批进行实验。
四、实验学时
本次实验课的学时为2。
五、实验所需仪器设备
每班实验仪器：
3台套AshtechZ-X双频GPS接收机。
每组实验仪器：
1、AshtechZ-X双频GPS接收机主机一台套；
2、双频GPS天线一个；
3、测量天线高用的钢卷尺一把；
4、脚架一个；
5、锂电池2块；
6、基座一个；
7、记录表格一套；
8、Ranger电子手簿一个（可选）。
六、实验内容
在校内选定的GPS实验场地内，每批3组学生按规定时间同步采集1～2个时段的数据。
七、实验步骤
1、按实验要求，在规定的实验场地做好数据采集的准备工作，安置好GPS接收机，量测出天线高度；
2、开机搜索GPS卫星信号，直到GPS接收机解算出测站点的近似大地坐标（B，L，H）为止，并注意观察PDOP值得大小；
3、在GPS接收机主机中输入测站名和天线高，并进行数据采集前的GPS接收机参数设置（如：
采样间隔15秒钟，卫星截止高度角15°，最小卫星数4颗），三个小组的GPS接收机参数设置要一致；
4、数据采集条件满足后，三个小组约定第一时段同步数据采集的起、止时间，数据采集开始；
5、做好观测期间的GPS数据记录工作；
6、第一时段的数据采集工作结束后，先关闭GPS接收机，需要搬站的小组则要小心地将仪器装箱，搬到下一点上进行第二个时段的数据采集工作。
八、实验要求
在熟悉GPS接收机操作的基础上，要求学生通过实验掌握GPS静态相对定位测量的原理、方法及接收机的操作和设置，会在教师的指导下自行选择和布设GPS控制点，并设计相应的GPS控制网。
此外，学生要学会如何相互配合进行GPS静态相对定位测量，会下载存储在接收机中的静态测量数据，了解GPS静态测量数据文件的格式及命名规则。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后每个小组应提交实验报告一份，同时上交GPS数据采集记录表；
2、AshtechZ-X双频GPS接收机是目前技术先进、价格昂贵的测量型GPS接收机，在安置和使用时必须严格遵守精密仪器操作规程，注意爱护仪器。
实验三RTKGPS接收机及软件的认识与应用
一、实验原理与方法
载波相位差分GPS定位的基本原理是：
在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将观测数据及站坐标信息传送给用户站；用户站一方面通过接收机接收GPS卫星信号，同时还通过无线电接收设备接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地进行处理数据，并实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标。
载波相位差分GPS有两种定位方法，一种与伪距差分相同，基准站将载波相位的修正量发送给用户站，以对用户站的载波相位进行改正实现定位，该方法称为修正法。
另一种是将基准站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标解算，这种方法称为求差法。
一般来说，实时动态（RTK—RealTimeKinematic）测量系统的构成，主要包括GPS接收设备、数据传输系统、软件系统3部分。
二、实验目的
1、掌握载波相位差分GPS定位的基本原理和方法；
2、了解RTKGPS接收机及相关软件的操作和参数设置；
3、能用RTKGPS测量系统进行简单的数据采集和放样工作。
三、实验组织
每班分为若干个小组，每小组4人左右；若有多个班级，则需分批进行实验。
四、实验学时
本次实验课的学时为2。
五、实验所需仪器设备
每班实验仪器：
3台套AshtechZ-X双频GPS接收机（带RTK所需的附件，包括发射电台、接收电台、蓄电池、天线延长杆和相应的软件等）。
每组实验仪器：
1、AshtechZ-X双频GPS接收机主机一台套；
2、双频GPS天线一个，天线延长杆一个，接收电台一套；
3、测量天线高用的钢卷尺一把；
4、脚架一个；
5、锂电池2块；
6、基座一个；
7、Ranger电子手簿一个。
六、实验内容
在校内选定的GPS实验场地内，分组进行RTKGPS接收机及软件的认识与操作，并用RTKGPS测量系统进行数据采集和放样操作。
七、实验步骤
1、按实验要求，在规定的实验场地做好实验的准备工作，选定三个以上的已知点，检查仪器设备及其附件是否齐全，安置好基准站上的GPS接收机；
2、将发射电台和发射天线与基准站GPS接收机连接起来，并检查连线是否正确；
3、打开基准站GPS接收机和发射电台的电源开关，注意要先开GPS接收机，后开电台，并检查电台工作是否正常；
4、将Ranger电子手簿与基准站GPS接收机连接起来，运行FDC软件，进行基准站上的相关设置，设置完成后将电子手簿取下，到流动站上进行相关的设置；
5、将接收电台与流动站GPS接收机连接起来，打开流动站GPS接收机，将Ranger电子手簿与流动站GPS接收机连接起来，运行FDC软件，进行流动站上的相关设置；
6、基准站和流动站设置好之后，就可以在三个以上的已知控制点上进行控制点联测，求得WGS-84至国家或独立坐标系的转换参数；
7、利用求得的转换参数，在已知控制点上进行检验，看转换后的已知坐标是否正确，若不正确则须重新进行控制点联测和参数求解；
8、若坐标转换无误，则进行RTK数据采集和放样操作；
9、实验结束后，先关闭发射电台，然后再关闭基准站GPS接收机。
八、实验要求
要求学生通过实验掌握载波相位差分GPS定位的基本原理、方法及RTKGPS接收机的操作与设置。
在实验课教师的指导下，学生首先学会RTKGPS接收机的参数设置和电台设置，然后自行设计或选择实验方案，通过实际操作掌握RTKGPS接收机的采数测量和简单的放样，并会将存储在接收机控制器中的动态测量数据传送至计算机中。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后每个小组应提交实验报告一份，对载波相位差分GPS定位的基本原理、方法及RTKGPS接收机的操作和设置做一总结；
2、AshtechZ-X双频GPS接收机是目前技术先进、价格昂贵的测量型GPS接收机，在安置和使用时必须严格遵守精密仪器操作规程，注意爱护仪器；
3、RTKGPS接收机的发射电台属易损设备，使用时务必小心，要注意防潮、防震、防晒，尤其注意不要将电源线的正负极接错。
实验四GPS接收机随机软件的认识与应用
一、实验原理与方法
在GPS外业测量工作完成之后，最重要的工作就是内业数据处理，它包括数据传输、数据分流、数据的预处理、基线向量解算和GPS网平差等工作，这部分工作主要借助于相关的软件来完成。
AshtechSolution是Ashtech系列GPS接收机的一款随机软件，是一种GPS数据自动后处理软件包，它的界面友好、操作简便，主要功能包括：
选星计划，接收机设置，数据传输，基线向量处理，网平差，质量分析，坐标转换，报表生成，结果输出和Rinex格式转换等。
AshtechSolution软件集快速后处理引擎与优异的粗差探测工具于一体，确保数据处理准确无误。
一旦启动处理引擎，AshtechSolution便会连续刷新网图显示，最后提供外业实测的GPS网图。
二、实验目的
1、通过实验认识AshtechGPS接收机的随机软件Solution并学会使用；
2、通过实验加深理解GPS测量的原理和方法、GPS网的布设形式及同步环、异步环和重复基线等基本概念，掌握GPS基线向量解算的基本步骤。
三、实验组织
每班一批，每人1组，上机时要确保每人有一台电脑；若有多个班级，则需分批进行实验。
四、实验学时
本次实验课的学时为2。
五、实验所需仪器设备
每班实验仪器：
30台左右预装了AshtechSolution软件和实验数据的电脑。
每组实验仪器：
1台预装了AshtechSolution软件和实验数据的电脑。
六、实验内容
1、了解AshtechSolution软件的各项功能；
2、掌握AshtechSolution软件的使用方法，能用该软件解算出合格的基线向量，会用该软件查看同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线闭合差等。
七、实验步骤
1、实验课教师进行操作演示和讲解。
内容包括：
AshtechSolution软件的主要功能，操作步骤，数据处理中的关键参数设置和数据处理结果的查看等；
2、学生自己进行操作练习。
先认识AshtechSolution软件的界面和主要功能，然后结合事先准备好的实验数据练习软件的操作，最后要熟练地解算出合格的基线向量，并会查看同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线闭合差，对数据处理结果进行质量分析和精度检验；
3、实验结束后，学生以小组为单位编写相应的实验报告，写出AshtechSolution软件的功能、特点、参数设置和简要的操作过程。
八、实验要求
要求学生通过实验掌握GPS测量的原理、方法及GPS测量数据预处理的原理与方法，能够熟练地使用GPS接收机随机软件。
并会将存储在接收机中的测量数据传送至计算机中，对测量数据进行预处理，解算出基线向量并进行测量成果的质量分析。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后每个小组应提交实验报告一份；
2、注意机房的上机秩序，爱护电脑。
实验五GPS网平差软件的认识与应用
一、实验原理与方法
由GPS定位技术所获得的测量数据，同样需要经过数据处理，方能成为合理而实用的成果。
同其他定位技术的测量数据处理一样，平差计算仍是GPS测量数据处理的主要任务之一。
由于GPS测量数据是空间三维坐标系下的成果，所以对其进行的平差应该是三维平差。
另外，为了能和已有常规测量数据联合使用或处理，还需考虑GPS测量数据的二维平差。
GPS空间三维基线向量网平差常采用以下三种平差类型：
（1）三维无约束平差。
因为GPS基线向量本身已隐含了尺度基准和方位基准，所以在三维平差中可只选某一点的固定坐标进行网平差，即所谓的无约束平差。
三维无约束平差在GPS网平差有十分重要的作用，它可发现基线向量中存在的粗差或系统误差。
通过检验发现基线向量随机模型误差，可客观评价GPS网本身的内符合精度。
（2）三维约束平差。
以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的固定坐标，以及固定边长和固定方位为网的基准，将其作为平差中的约束条件，并在平差中考虑GPS网与地面网之间的转换系数。
因此，这种形式的平差是在地面参考坐标系中进行的，故称为GPS三维约束平差。
平差后获得网的坐标已是国家大地坐标系或地方坐标系的坐标，因而约束平差是目前GPS网成果转换行之有效的方法。
（3）三维联合平差。
平差中除了GPS基线向量观测值和地面基准约束数据外，还包含了地面常规网观测值，如边长、方向、天文方位角、天顶距、水准高差乃至天文经纬度，将这些数据一并进行平差，也就是GPS网和地面观测数据的联合平差，平差后网中各点的坐标仍属于地面坐标系框架下的坐标。
GPS基线向量网二维平差应在某一参考椭球面上，或是在某一投影平面坐标系上进行。
因此，平差前首先须将GPS三维基线向量观测值及其协方差阵转换投影至二维平差计算面。
也就是从三维基线向量中提取二维信息，在平差计算面上构成一个二维GPS基线向量网。
GPS基线向量网二维平差也可分为无约束平差、约束平差和联合平差三类，平差原理及方法均与三维平差相同。
由二维约束平差和联合平差获得的GPS平面成果，就是国家坐标系下或地方坐标系下具有传统意义的控制成果。
GPS网平差工作仍主要借助于AshtechSolution软件来完成。
AshtechSolution是Ashtech系列GPS接收机的一款随机软件，也是一种GPS数据自动后处理软件包，它的主要功能包括：
选星计划，接收机设置，数据传输，基线向量处理，网平差，质量分析，坐标转换，报表生成，结果输出和Rinex格式转换等。
在上次实验的基础之上，本次实验主要掌握用AshtechSolution软件进行GPS网的三维平差和二维平差计算，并给出相应的计算结果。
二、实验目的
1、通过实验进一步认识AshtechGPS接收机的随机软件Solution，并熟练使用之；
2、通过实验进一步加深对GPS网的布设形式、同步环、异步环和重复基线等基本概念的理解，掌握GPS网三维平差和二维平差的基本原理；
3、掌握Solution软件中GPS网平差的基本方法，熟悉GPS基线向量解算方法和GPS网平差的基本步骤。
三、实验组织
每班一批，每人1组，上机时要确保每人有一台电脑；若有多个班级，则需分批进行实验。
四、实验学时
本次实验课的学时为2。
五、实验所需仪器设备
每班实验仪器：
30台左右预装了AshtechSolution软件和实验数据的电脑。
每组实验仪器：
1台预装了AshtechSolution软件和实验数据的电脑。
六、实验内容
1、掌握AshtechSolution软件的使用方法，能用该软件解算出合格的基线向量，会用该软件查看同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线闭合差；
2、能用AshtechSolution软件进行GPS网的三维平差和二维平差计算，输出基线向量解算成果和网平差结果，并对成果的质量做出评价。
七、实验步骤
1、按实验要求，准备实验数据（由实验课教师提供，或由学生从GPS接收机上下载）；
2、在计算机上安装GPS基线向量解算和网平差软件；
3、实验课教师进行操作演示和讲解。
内容包括：
AshtechSolution软件的网平差功能，操作步骤，平差过程中的关键参数设置和数据处理结果的查看等；
4、学生按照实验课教师讲解或软件说明书提供的方法进行GPS基线向量解算；
5、GPS基线解算完成后，进行GPS网的三维和二维平差计算，并对成果的质量做出评价；
6、将平差结果及平差总结报告以文本文件形式输出，结束本次实验。
八、实验要求
要求学生通过实验掌握GPS定位的原理、方法及GPS测量数据处理的原理与方法，熟练使用网平差软件。
同时，要掌握GPS测量数据处理的整体流程，熟练地进行各种坐标系之间的坐标转换，计算出与已知坐标点所属坐标系相应的坐标成果并进行网平差成果的质量分析和精度检验。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后，每个小组应提交GPS三维和二维网平差计算结果以及实验报告一份；
2、注意机房的上机秩序，爱护电脑。
实验六GPS静态相对定位测量及其数据处理与分析
一、实验原理与方法
GPS定位测量的高精度、高效率和低成本是以测前科学的技术设计和测后精确可靠的数据处理为基础的。
GPS测量的技术设计就是按照GPS测量规范要求，兼顾精度、可靠性、经济性等指标，在测量前制定严格、科学、切实可行的布网及观测方案。
GPS网的设计包括网形构造、精度、基准等方面的设计，此外，对于外业工作的具体实施，还应考虑观测时段、时间、测站位置的选择，接收机的类型及数量，交通后勤等因素。
GPS测量的外业工作完成之后，最重要的工作是数据处理。
只有经过数据处理，方能使GPS外业测量数据成为合理而实用的成果。
而GPS基线向量解算和网平差是GPS测量数据处理的主要任务，GPS基线向量解算和网平差工作主要借助于相关的软件来完成，其基本原理同实验四和实验五。
在前几次实验的基础之上，本次实验主要掌握GPS静态测量内外业工作的全部过程，并将控制测量学、大地测量学基础、误差理论与测量数据处理等课程的内容与GPS测量原理及应用课程的内容融会贯通。
二、实验目的
1、通过本项实验，学生可以全面掌握GPS静态测量的原理、方法及GPS测量数据处理的原理与方法，将控制测量学、大地测量学基础、误差理论与测量数据处理等课程的内容与GPS测量原理及应用课程的内容融会贯通，为学生以后从事相应的测绘工作奠定基础；
2、熟练掌握GPS基线向量解算和网平差软件的使用方法；
3、加深对GPS网的布设形式、同步环、异步环和重复基线等基本概念的理解，掌握GPS基线向量解算和GPS网平差的基本原理。
三、实验组织
本次实验属于选开和选做实验，学生在办理好有关手续后即可到相应的实验室做实验，每组4~5人，若人数过多则需分批进行。
实验指导教师由所在实验室安排。
四、实验学时
本次实验课的学时为16。
五、实验所需仪器设备
每组需要GPS接收机3~4台套，笔记本电脑或台式电脑两台套，GPS基线向量解算和网平差软件一套。
六、实验内容
1、学生自己设计一个合适的GPS控制网，然后对其进行静态相对定位测量；
2、对所获得的静态相对定位测量数据进行处理与分析，包括GPS基线向量解算、网平差和成果质量分析等。
七、实验步骤
1、学生撰写出实验设计方案，经实验指导教师审查合格后方可进入下一步；
2、按实验要求，领取相关的实验仪器设备；
3、在设计好的实验场地上进行GPS静态相对定位测量；
4、从GPS接收机中下载实验测量数据并转储；
5、在计算机上安装GPS基线向量解算和网平差软件；
6、进行GPS基线解算和GPS网平差计算，并对成果的质量做出评价；
7、将基线向量解算结果、平差结果及平差总结报告以文本文件形式输出，结束本次实验。
八、实验要求
要求学生通过实验全面掌握GPS静态测量的原理、方法及GPS测量数据处理的原理与方法，熟练使用随机软件和网平差软件，对GPS静态测量的内外业工作有较全面的认识；会对测量数据进行预处理和后处理，熟练地进行数据传输、坐标转换，计算出与已知坐标点所属坐标系相应的坐标成果并进行网平差成果的质量分析。
全部实验方案均由学生自己设计，在实验进行前应写出实验的方案设计，经实验指导教师审查合格后方可进行实验。
实验指导教师要对实验过程中出现的问题进行解答，学生在做完实验后应编写相应的实习报告，对实验的各个环节进行全面的总结和分析。
九、上交资料及其它注意事项
1、实验结束后，每个小组应提交实验报告一份；
2、注意保护好GPS接收机，在安
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