GPS测量的设计与实施.docx
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GPS测量的设计与实施
GPS测量的设计与实施
（TheDesignandImplementofGPSSurveying）
GPS测量与常规测量类似，在实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理等三个阶段。
本章主要介绍GPS测量的技术设计及外业实施各阶段的工作。
考虑到以载波相位观测量为依据的相对定位法是当前GPS测量中普遍采用的精密定位方法，所以在本章内容中主要讨论局域性城市与工程GSP控制网的相对测量的工作程序与方法。
第一节GPS测量的技术设计
GPS测量的技术设计是进行GPS定位的最基本性工作，它是依据国家有关规范（规程）及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的图形、精度及基准等的具体设计。
一、GPS网技术设计的依据
GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。
1．GPS测量规范（规程）
GPS测量规范（规程）是国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，目前GPS设计依据的规范（规程）有：
●国家测绘局发布的测绘行业标准<全球定位系统（GPS）测量规范>；
●建设部发布的行业标准<全球定位系统城市测量技术规程>；
●各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的其它GPS测量规程或细则。
2．测量任务书
测量任务书或测量合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。
这种技术文件是指令的，它规定了测量任务的范围、目的、精度的密度，提交成果的资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。
GPS方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度和密度和经济指标，再结合规范（规程）规定并现场踏勘具体要求确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数，时段长短等布网观测方案。
二、GPS网的精度、密度设计
1．GPS测量精度标准及分类
（1）对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。
用于地壳形变及国家基本大地测量的GPS网可参照<规范>中A、B级的精度分级（如表1）。
用于城市或工程的GPS控制网可根据相信点的平均距离和精度参<规范>中的二、三、四等和一、二级（如表2）。
表1GPS测量精度分级
（一）
级别
主要用途
固定误差a（mm）
比例误差b（ppm*D）
A
地壳形变测量或国家高精度GPS网的建立
5
0.1
B
国家基本控制测量
8
1
表2GPS测量精度分级
（二）
等级
平均距离
（km）
a
（mm）
b
（ppm*D）
最弱边相对中误差
二
9
10
2
1/12万
三
5
10
5
1/8万
四
2
10
10
1/4.5万
一级
1
10
10
1/2万
二级
<1
15
20
1/1万
注：
当边长小于200米时，以边长中误差小于20毫米来衡量。
（2）各等级GPS相邻点间弦长精度用下式来表示：
式中：
为GPS基线向量的弦长中误差（毫米），亦即等效距离误差；
为GPS接收机标称精度中的固定误差（毫米）；
为GPS接收机标称精度中的比例误差系数（ppm*D）；
为GPS网中相邻点间的距离（公里）。
（3）在实际工作中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力情况合理设计，也可参照本部门已有的衙门规程和作业经验适当掌握。
在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设，或布设同级全面网。
2．GPS点的密度标准
各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求也不同。
对于国家特级（A级）基准点及大陆地球动力学研究监测所布设的GPS点，主要用于提供国家级基准、精密定轨、星历计划及高精度形变信息，所以布设时平均距离可达数百公里。
而一般城市和工程测量布设点的密度主要满足测量图加密和工程测量的需要，平均边长往往几公里以内。
因此现行<规程>和<规范>对GPS网中两相邻点间距离、各等级GPS网相邻点的平均距离作出了规定。
表3GPS网中相邻点间距离单位：
公里
A
B
C
D
E
相邻点最小距
100
15
5
2
1
相邻点最大距
2000
250
40
15
10
相邻点平均距
300
70
15-10
10-5
5-2
三、GPS网的基准设计
GPS测量获得的是GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标差，而实际我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。
所以GPS网的技术设计时，必须明确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。
这项工作被称之为GPS网的基准设计。
GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。
方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。
尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定，也可由两个以上的起算点间的距离确定，同时也可以由GPS基线的距离确定。
GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。
因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的位置基准问题。
在基准设计时，应充分考虑以下几个问题：
1．为求定GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干点，用以坐标转换。
在选择联测点时，既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受旧资料精度较低的影响，因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。
小城市或工程控制可以联测2-3个点。
2．为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。
3．GPS网经平差计算后，可以得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高，为求得GPS点的正常高，可根据具体情况联测高程点，联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。
具体联测宜采用不低于四等水准或其精度相等的方法进行。
4．新建GPS网的坐标系应尽是与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般还应该了解以下参数：
a）所采用的参考椭球；
b）坐标系的中央子午线经度；
c）纵横坐标加常数；
d）坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；
e）起算点的坐标值。
四、GPS网构成的几个基本概念及网特征条件
在进行GPS网图形设计前，必须明确有差GPS网构成的几个基本概念，掌握网的特征条件计算方法。
1．GPS网图形构成的几个基本
a）观测时段：
测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。
b）同步观测：
两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
c）同步观测环：
三台或三台以上接收机观测获得的基线向量所构成的闭合环。
d）独立观测环：
由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。
e）异步观测环：
在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫作异步观测环，简称异步环。
f）独立基线：
对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。
g）非独立基线：
除独立上的其它基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线。
2．GPS网特征条件的计算
按R。
Asany提出的观测时段数计算公式：
式中：
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。
故在GPS网中：
总基线数为：
；
必要基线数：
；
独立基线数：
多余基线数：
依据上述公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。
3．GPS网同步图形及独立边的选择
按上面的公式，对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数为：
但只有N-1条是独立的GPS基线，其余为非独立的GPS基线。
当同步观测的GPS接收机数
时，同步闭合环的最少个数应为：
理论上，同步闭合环中各GPS边的坐标差之和（即闭合差）应为0，但由于有时各台GPS接收机并不是严格同步的，同步闭合环的闭合差并不等于零。
有的GPS规范规定了同步闭合差的限差。
对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求，但当由于某种原因，同步不是很好的，应知觉放宽此项限差。
值得注意，当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明GPS基线向量的计算合格，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GPS独立边构成的非同步多边形（或称非同步闭合环）。
当GPS网中有若干个起算点时，也可以由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。
GPS网的图形设计，也就是根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求，设计出由独立GPS边构成的多边形网。
对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定，必要时也可根据具体情况适当调整。
五、GPS网的图形设计
常规测量中对控制网的图形设计是一项非常重要的工作。
而在GPS图形设计时，因GPS同步观测不要求通视，所以其图形设计具有较大的灵活性。
GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。
根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式，边连式，网连式及边点混合连接四种基本方式。
也有布设成星形边接、附合导航连接、三角锁形连接等。
选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
1．点连式
点连式是指相邻同步图形之间公有一个公共点的连接。
以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。
2．边连式
边接式是指同步图形之间由一条公共基线连接。
这种布网方案，网的几何强度较高，有较多的复测边和非同步图形闭合条件。
在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。
3．网连式
网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上的接收机。
显然，这种密集的布网方法，它的几何强度和可靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。
4．边点混合连接式
边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成的GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠性指标，双能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
5．三角锁（或多边形）连接
用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形，此连接形式适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。
6．导线网形连接（环形图）
将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式的GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核GPS点的可靠性。
适用于精度较低的GPS布网。
该布网方法也可与连式结合起来布设。
7．星形布设
星形图的几何图形简单，其直接观测边间不构成任何闭合图形，所以其检查发现粗差的能力比点连式更差，但这种布网只需要两台仪器就可以作业。
若有三台仪器，一个可作为中心站，其它两台可流动作业，不受同步条件条件限制。
由于方法简便，作业速度快，星形布网广泛地应用于精度较低的工程测量、地质、地球物理测点、边界测量、地籍测量和碎部测量等。
在实际布网设计时还要注意以下几个原则：
a）GPS网的点与点间尽管不要求通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个以上通视方向。
b）为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。
对凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。
c）GPS网必须由非同步独立观测边构成若干闭合环或附合路线。
各级GPS网中每个闭合环附合路线中的边数应符合下表的规定。
等级
二
三
四
一级
二级
闭合环或附合路线的边数
6
8
10
10
10
第二节GPS测量的外业准备及技术设计书的编写
在进行GPS外业工作之前，必须做好实施前的工区踏勘、资料收集、器材筹备，观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。
一、测区踏勘
接受下达任务或签定GPS测量合同后，就可依据施工设计图踏勘、调查工区。
主要调查下列情况，为编写技术，施工设计，成本预算提供依据。
1．交通情况：
公路、铁路、乡村便道的分布及通行情况；
2．水系分布情况：
江河、湖泊、池塘、水渠的分布、桥梁、码头及水路交通情况；
3．植被情况：
森林、草原、农作物的分布及面积；
4．控制点分布情况：
三角点、水准点、GPS点、多普勒点、导线点的等级、坐标、高程系统，点位的数量及分布，点位标志的保存状况等；
5．居民点分布情况，测区内城镇、乡村居民点的分布，食宿及供电情况；
6．当地风俗民情：
民族的分布，习俗及地方方言，习惯及社会治安情况。
二、资料收集
根据踏勘工区掌握的情况，收集下列资料：
1．各类图件：
1：
1万~1：
10万比例尺地形图，大地水准面起伏图，交通图；
2．各类控制点成果：
三角点、、水准点、GPS点、多普勒点、导线点及各控制点坐标系统、技术总结等有关资料；
3．测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料；
4．城市及乡、村行政区划表；
三、设备、器材筹备及人员组织
设备、器材筹备及人员组织包括以下内容：
1．筹备仪器、计算机及配套设备；
2．筹备机动设备及通讯设备；
3．筹备施工器材，计划油料，材料的消耗品；
4．组建施工队伍，拟定施工人员名单及岗位；
5．进行详细的投资预算。
四、拟定外业观测计划
观测工作是GPS测量的主要外业工作。
观测开始之前，外业观测计划的拟定对于顺利完成数据采集任务，保证测量精度，提高工作效益都是极为重要的。
拟定观测计划的主要依据是：
a）GPS网的规模大小；
b）点位精度要求；
c）GPS卫星星座几何图形强度；
d）参加作业的接收机数量；
e）交通、通讯及后勤保障（食宿、供电等）；
观测计划的主要内容应包括：
1．编制GPS卫星的可见性预报图：
在高度角大于15度限制下，输入测区中心某一测站的概略坐标，输入日期的时间，应使用不超过20天的星历文件，即可编制GPS卫星的可见性预报图。
2．选择卫星的几何图形强度：
在GPS定位中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度因子可用空间位置因子（PDOP）来代表，无论是绝对定位还是相对定位，PDOP值不应大于6。
3．选择最佳的观测时段：
在卫星大于4颗且分布均匀，PDOP值小于6的时段就是最佳时段。
4．观测区域的设计与划分：
当GPS网的点数较多，网的规模较大，而参加观测的接收机数量有限，交通和通讯不便时，可实行分区观测。
为了增强网的整体性，提高网的精度，相邻分区应设置公共观测点，且公共点数量不得少于3个。
5．编排作业调度表：
作业组在观测前应根据测区的地形、交通状况，网的大小。
精度的高低。
仪器的数量、GPS网设计、卫星预报表和测区的天时、地理环境等编制作业调度表，以提高工作效益。
作业调度表包括观测时段、测站号、测站名称及接收机号等。
6．当作业仪器台数、观测进段数及点数较多时，要根据测量实际情况及时调整作业计划。
五、设计GPS网与地面网的联测方案
GPS网与地面网的联测，可根据测区地形变化和地面控制点的分布而定。
一般在GPS网中至少要重合三个以上的地面控制点作为约束点。
约束点的选择原则可参见GPS网基准设计部分。
六、GPS接收机选型及检验
GPS接收机是完成测量任务的关键设备，其性能、型号、精度、数量与测量的精度有关。
观测中所选有的接收机，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。
1．一般检验：
主要检查接收机设备各部分及附件是否齐全、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。
另外天线底座的圆水准器和光学对中器，应在测试前进行检验和校正。
对气象测量仪表（通风干湿表、气压表、温度表）等应定期送气象部门检验。
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；相位中心检验等。
以上各项测试检验应按作业时间的长短，至少每年测试一次。
a）用零基线检验接收机内部噪声水平
用零基线检验采用“GPS功率分配器”，将同一天线输出信号分成相同的两路或多路信号送到接收机，将后将观测数据进行双差处理求得坐标增量，以检验固有误差。
由于这种方法所测得的坐标增量可以消除卫星几何图形的影响、天线相位中心偏移、大气传播延迟、信号多路径效应误差及仪器对中误差等，所以检验接收机钟差、信号通道时延、延迟锁相环误差及机内噪声等电性能所引起的定位误差的一种有效方法。
零基线测试方法如下：
●选择周围高度角10度以上无障碍物的地方安放天线，用“GPS功率分配器”连接GPS接收机。
●连接电源，GPS接收机同步接收四颗以上卫星1~1.5个小时。
●交换功分器与接收机接口，再观测一个小时。
●用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。
基线误差应小于1毫米。
否则应送厂检修或降低级别使用。
b）天线相位中心稳定性检验
该项检验可在标准基线、比较基线场或GPS检测场上进行。
●检测时可以将GPS接收机带天线两两配对，置于基线的两端点。
天线要精确对中，定向指标指向下北，观测一个时段。
然后交换接收机与天线再观测一个小段。
●按上述方法在与该基线垂直的基线上（不具备此条件，可憎针一个接收机天线固定指北，其它接收机天线绕轴顺时针转动90度，180度，270度）进行同样观测。
●观测结束，用随机软件解算各时段三维坐标。
计算各时段坐标差和基线长。
其误差不应超过仪器标称精度的2倍固定误差，否则应送厂检修或降低级别使用。
c）GPS接收机不同测程精度指标的测试
该项测试应在标准检定场进行。
检定场应在有短边和中长边。
基线精度应达到
。
检测时天线应严格整平对中，对中误差小于
。
天线指向正北、天线高量至
，测试结果与基线长度比较，应优于仪器标称精度。
d）仪器的高低温实验
对于有特殊要求需对GPS接收机进行高、低温测试。
其测试方法可将天线架设在室外，GPS接收机主机放在高低温箱中进行测试者在野外实地高、低温测试。
e）用于天线基座的光学对点器在作业中应经常检验，确保对中的准确性，其检校参照控制测量中光学对点器检校方法。
七、技术设计书的编写
资料怀念完毕后，编写技术设计，主要编写内容如下：
1．任务来源及工作量
包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义；GPS测量点的数量（包括新定点数、约束点数、水准数、检查点数）；GPS点的精度指标及坐标、高程系统。
2．测区概况
测区隶属的行政管辖、测区范围的地理坐标，控制面积；测区的交通状况和人文地理；测区的地形及气候状况；测我控制点的分布及对控制点的分析、利用和评价。
3．布网方案
GPS网点的图形及基本连接方法；GPS网结构特征的测算位布设图的绘制。
4．选点与埋标
GPS点位的基本要求；点位标志的选用及埋设方法；点位的编号等。
5．观测
对观测工作的基本要求；观测纲要的制定；对数据采集提出注意的问题。
6．数据处理
数据处理的基本方法及使用的软件；起算点坐标的决定方法；闭合差检验及点位精度的评定指标。
7．完成任务的措施
要求措施具体，方法可靠，能在实际工作中贯彻执行。
第三节GPS测量的外业实施
GPS测量外业实施包括GPS点的选埋、观测、数据传输及数据预处理等工作。
一、选点
由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视，而且图形结也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。
但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好状况，决定其适宜的点位外，选点工作还应遵守以下原则：
1．点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上；
2．点位目标要显著，视场周围15度以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或障碍物吸收。
3．点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等）其距离不小于200米；远离高压输电线，其距离不得小于50米。
以避免电磁场对GPS信号的干扰。
4．点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。
5．点位应选择在交通方便、有利于其它观测手段扩展与联测点位。
6．地面基础稳定，易于点位的保存。
7．选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定位。
8．网形应有利于同步观测边、点联结。
9．当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。
10．当利用旧点时，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。
二、标志埋设
GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长期保存和利用。
在基岩露头地区，也可直接在基岩上嵌入金属标志。
每个点位标石埋设结束后，应提供如下资料：
1．点之记
2．GPS网的选点网图；
3．土地占用批准文件与测量标志委托保管书；
4．选点与埋石工作技术总结。
点名一般取村名、山名、地名、单位名，应向当地政府部门或群众进行调查后确定。
利用原有旧点时点名不宜更改，点名编排应适应计算机使用。
三、观测工作
1．观测工作依据的主要技术指标
GPS观测与常规测量在技术要求上有很大差别，对城市及工程GPS控制在作业中应按胡关技术指标执行。
2．天线安装
●在正常点位，天线应架设在三脚架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座的圆水准气泡必须整平。
●在特殊点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时，应先将觇标顶拆除，以防止对GPS信号的遮挡。
这时可将标志中心反投影到观测台或回光台，作为安置天线的依据。
如果觇标顶部无法拆除，接收天线若安置在标架内观测，就会造成卫星信号中断，影响GPS测量精度。
在这种情况下，可进行偏心观测。
偏心点选在离三角点100米以内的地方，归心元素应以解析法精密测定。
●天线的定向标志线应指向正北，并顾及当地磁偏角的影响，以减弱相位中心偏差的影响。
天线定向误差依定位精度不同而异，一般不应超过
度。
●刮风天气安置天线时，应将天线进行三方向固定，以防倒地碰坏。
雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防雷击天线。
●架设天线不宜过低，一般应距地面1米以上。
天线架设好后，在圆盘天线间隔120度的三个方向分别量取天线高，三次测量结果之瘥不应超过3毫米，取其三次结果的平均值记入观测手簿中，天线高记录取值0.001米。
●测量气象参数：
在高精度GPS测量中，要求测定气象元素。
每时段气象观测应不少于3次（时段开始、中间、结束）。
气压读至0.1mbar，气温读至0.1度，对不平衡城市及工程测量只记录天气状况。
●复查点名并记入观测手簿中，将天线电缆与仪器进行联接、经检查无误后，方能通电启动仪器。
3．开机观测
观测作业的主要的是捕获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。
天线安置完成后，在离开天线适当位置的地面上安放GPS接收机主机，接通接收机与电源、天线、控制器的联接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。
接机锁定卫星并开始记录数据后，观测员可按照仪器随机提供的操作手册进行
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