GPS测量原理及应用.docx

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GPS测量原理及应用

《GPS测量原理及应用》学习指导

一、控制网执行的技术标准

1、全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314—2001），中华人民共和国国家标准；

2、《国家三、四等水准测量规范》（GB12898-1991）,中华人民共和国国家标准；

3、技术设计书。

二、使用仪器

测量采用的GPS接收机型号及其标称精度。

三、布网方案

1、 布网要求

GPS网相邻点间基线中误差

按下式计算：

式中

（mm）为固定误差；

（ppm）为比例误差系数；

（km）为相邻点间的距离。

GPS-E级网的主要技术要求应符合表1规定。

相邻点最小距离应为平均距离的1/2～1/3；最大距离应为平均距离的2～3倍。

表1　GPS网的主要技术要求

级　别

平均距离（km）

（mm）

（1×10-6）

最弱边相对中误差

E级

0.2～5

≤10

≤20

1/45000

注：

当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。

2、 布网原则与网形设计

（1）GPS网应根据测区实际需要和交通状况进行设计。

GPS网的点与点间不要求每点通视，但考虑常规测量方法加密时的应用，每点应有1～2个通视方向。

（2）在布网设计中应顾及原有测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，对凡符合GPS-E级网布点要求的旧有控制点，应充分利用其标石。

（3）GPS网应由若干个独立观测环构成，也可采用附合线路构成。

E级GPS网中每个闭合环或附合线路中的边数应符合表2的规定。

非同步观测的GPS基线向量边，应按所设计的网图选定，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。

表2　闭合环或附合线路边数的规定

级　别

E　　级　　

闭合环或附合线路边数（条）

≤10

（4）为求定GPS点在54北京坐标系中的坐标，应与当地54北京坐标系中的原有控制点联测，联测总点数不得少于3个。

（5）为了求得GPS网点正常高，应进行水准测量的高程联测，高程联测采用等级水准测量方法进行，联测的GPS-E级控制点且应均匀分布于网中。

四、选点与标石埋设

1、选点

在了解任务、目的、要求和测区自然地理条件的基础上，进行现场踏勘，最后进行选点。

选点应符合下列要求：

（1）点位的选择应符合技术设计要求，并有利于其它测量手段进行扩展与联测；

（2）点位的基础应坚实稳定，易于长期保存，并应有利于安全作业；

（3）点位应便于安置接收设备和操作，视野应开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于15°；

（4）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不得小于200m，并应远离高压输电线其距离不得小于50m，以避免周围磁场对卫星信号的干扰；

（5）点位附近不应有对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减少多路径效应的影响；

（6）交通应便于作业，以提高作业效率；

（7）应充分利用符合上述要求原有的控制点及其标石，但利用旧点时应检查旧点的稳定性、完好性，符合要求方可利用；

（8）选好点后应按合理的方法给GPS点编号。

此外，有时还需考虑测区内的通讯设施、电力供应等情况，以便于各点之间的联络和设备用电或充电。

综上所述，结合测区的实际情况， GPS控制点宜布设在较高的永久性建筑物、山顶及其它符合要求的地方，或已成型的较宽的城市主干道、路口或其它较开阔而又稳固的建（构）筑物上。

2、标石埋设

（1）E级GPS点的标石及标志规格参见附录D，标石的中心标志用铜材料制作，标志中心应刻有清晰、精细的十字丝；

（2）地面E级GPS点标石可用混凝土预先制作，然后运往各点埋设，埋设时坑底填以沙石，捣固夯实或浇灌混凝土底层，楼顶E级GPS点标石应现场浇灌，浇灌前应将楼面磨出新层、打毛，钉上3～4颗钢钉，再套模浇灌；

（3）埋石结束后应填写GPS点之记；

（4）待标石埋设稳定，没有下沉，或现场浇灌的标石凝固后2～3天方可观测。

五、作业要求

1、 基本技术要求

为保证GPS测量精度，采用载波相位静态相对定位作业模式，E级GPS测量作业的基本技术要求应符合表3的规定。

表3　E级GPS测量作业的基本技术要求

级　别

卫星截止高度角（°）

有效观测卫星数

平均重复设站数

时段长度（min）

数据采样间隔（s）

PDOP值

E级

≥15

≥4

≥1.6

≥40

15

＜10

注：

1、观测时段长度应视点位周围障碍物情况、基线长短而作调整，

2、可不观测气象要素，但应记录雨、晴、阴、云等天气状况。

2、 GPS卫星预报和观测调度计划

（1）保证GPS作业观测工作顺利进行，保障观测成果达到预定的精度，提高作业工效，在进行GPS外业观测之前，应事先编制GPS卫星可见性预报表。

预报表应包括可见卫星号、卫星高度角和方位角、最佳观测卫星组、最佳观测时间、点位图形几何强度因子等内容。

（2）编制预报表所用概略位置应采用测区中心位置的经、纬度。

（3）作业组在观测前应根据参加作业的GPS接收机台数、网形及卫星预报表编制作业调度表，其内容应包括观测时间、测站号、测站名称以及接收机号等项内容。

3、 观测准备

（1）每天出发工作前应检查电池容量是否充足，仪器及其附件是否携带齐全。

（2）作业前应检查接收机内存是否充足。

（3）天线安置应符合下列要求：

①　作业员到测站后应先安置好接收机使其处于静置状态，然后再安置天线；

②　天线可用脚架直接安置在测量标志中心的铅垂线方向上，对中误差应小于3mm。

天线应整平，天线基座上的圆水准所泡应居中；

③　天线定向标志应指向正北，定向误差不宜超过±5°。

4、 观测作业要求

（1）观测组应严格按调度表规定的时间进行作业，以保证同步观测同一卫星组。

当情况有变化需修改调度计划时，应经作业队负责人同意，观测组不得擅自更改计划。

（2）接收机电源电缆和天线应连接无误，接收机预置状态应正确，然后方可启动接收机进行观测。

（3）各观测时段的前后各量取天线高一次，两次量高之差不大于3mm。

取平均值作为最后天线高，记录在手簿。

若互差超限，应查明原因，提出处理意见记入手簿备注栏中。

天线高是指观测时天线平均相位中心至测站中心标志面的高度，分为上、下两段：

上段是指相位中心至天线底面的高度，这是常数hc，由厂家给出；下段是从天线底面至测站中心标志面的高度，由观测员在现场采用倾斜测量方法直接量取。

具体方法是：

从三脚架三个空档（互成120°）测量天线底盘下表面至测站中心标志面的距离，互差应小于3mm，取平均值为L，天线底盘半径为R，再利用厂家提供的hc，按天线高 

求出。

（4）接收机开始记录数据后，作业人员可使用专用功能键选择菜单，查看测站信息、接收卫星数、卫星号、各通道信噪比、实时定位结果及存贮介质记录情况等。

（5）仪器工作正常后，作业员及时（每隔15min）逐项填写测量手簿中各项内容。

（6）一个时段观测过程中不得进行以下操作：

关闭接收机以重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星截止高度角；改变数据采样间隔；改变天线位置；按动关闭文件和删除文件等功能。

（7）观测员在作业期间不得擅自离开测站，并防止仪器受震动和被移动，防止人和其它物体靠近天线，遮挡卫星信号。

（8）接收机在观测过程中不应在接收机近旁使用对讲机和手机等通讯设备；雷雨过境时应关机停测，并卸下天线以防雷击。

（9）观测中应保证接收机工作正常，数据记录正确，每日观测结束后，应及时将数据下载到计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。

5、 外业观测记录

（1） 录项目应包括下列内容：

①　测站名、测站号；

②　观测月、日/年积日、天气状况、时段号；

③　观测时间应包括开始与结束记录时间，宜采用协调世界时UTC，填写至时、分；

④　接收机设备应包括接收机类型及号码，天线号码；

⑤　近似位置应包括测站的近似经、纬度和近似高程，经、纬度应取至1′，高程应取至0.1m；

⑥　天线高应包括测前、测后量得的高度及其平均值，均取至0.001m；

⑦　观测状况应包括电池电压、接收卫星号及其信噪比（SNR）、故障情况等。

（2）记录应符合下列要求

①　原始观测值和记事项目应按规格现场记录，字迹要清楚、整齐、美观，不得涂改、转抄；

②　外业观测记录各时段结束后，应及时将每天外业观测记录结果录入计算机硬、软盘；

③　接收机内存数据文件在下载到存贮介质上时，不得进行任何剔除与删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。

六、数据处理方案

1、基线解算及其质量检验

（1）基线解算以双差固定解作为最终结果，双差固定解的可靠性由以下两项指标来判别，即固定解的单位权中误差（Rms）和整周模糊度检验倍率（Ratio），其检验值见表4。

根据表4判别时，Rms必须首先符合要求，而Ratio值越大表示固定值越可靠。

表4　静态GPS基线固定解可靠性判别表

基线长度（km）

≤5

5～10

＞10

Rms（m）

≤0.010

≤0.012

≤0.015

Ratio

≥2.5

≥2.1

≥2.0

（2）同步多边形闭合差检验

对于采用同一种数学模型的基线解，其同步时段中任一三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不宜超过表5的规定。

对于采用不同数学模型的基线解，其同步时段中任一三边同步环的坐标分量闭合差和全长相对闭合差按独立环闭合差要求检核。

同步时段中的多边形同步环，可不重复检核。

表5　同步环坐标分量及环线全长相对闭合差的规定（1×10-6）

等　级

限差类型

E　   级　　

坐标分量相对闭合差

6.0

环线全长相对闭合差

10.0

（3）重复基线边检验

重复基线的长度较差不宜超过下式的规定：

式中：

为E级GPS控制网规定的精度（按实际平均边长计算）

（4）独立环闭合差检验

无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网中选取的独立基线构成独立环，各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式的规定：

式中:

:

为闭合环边数；

:

为E级GPS控制网规定的精度（按实际平均边长计算）

=

2、补测与重测

（1）无论何种原因造成一个控制点不能与两条合格的独立基线相连接，则在该点上应补测或重测不得少于一条独立基线。

（2）可以舍弃在重复基线较差、同步环闭合差、独立环闭合差中超限的基线，但应保证舍弃基线后的独立环所含基线数不超过表2的规定，否则应重测该基线或者有关的同步图形。

（3）由于点位不符合GPS测量要求而造成一个测站多次重测仍不能满足各项技术规定时，可按技术设计要求另增选新点进行重测。

3、GPS网平差

（1）起算数据与坐标系统

首先要了解测区中央子午线经度，起算数据的带号，采用的坐标系等。

如岳麓山校区的起算数据为3度带的1954北京坐标，则中央子午线经度为114°，故采用1954北京坐标系，取中央子午线经度L0＝114°的3°带高斯投影。

即有：

参考椭球为克拉索夫斯基椭球，长半径a=6378245m，扁率α=1/298.3；中央子午线经度L0＝114°00′00″。

高程系统采用1985国家高程基准。

（2）三维无约束平差

当GPS基线各项质量检验符合要求时，应以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS－84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的三维无约束平差。

以提供各GPS控制点在WGS－84坐标系下的三维坐标，各基线向量三个坐标差观测值的改正数，基线边长以及点位和边长的精度信息，并生成GPS高程拟合的数据文件。

在三维无约束平差中，基线向量的改正数（Vδx、Vδy、Vδz）绝对值应满足下式要求：

Vδx≤3

Vδy≤3

Vδz≤3

式中：

为E级GPS控制网规定的基线的精度。

　　当超限时，可认为该基线或其附近存在粗差基线，应采用软件提供的方法或人工方法剔除粗差基线，直至符合上式要求。

（3）二维约束平差

在无约束平差确定的有效观测量基础上，以起算数据中提供的已知点作为强制约束的固定值，进行二维约束平差。

平差结果就输出各GPS控制点在前述的坐标系统中的二维平面坐标，基线向量改正数，基线边长、方位以及坐标、基线边长、方位的精度信息，转换参数及其精度信息。

约束平差中，应将已知坐标点组合成不同的约束条件，以发现作为约束的已知坐标与GPS网不兼容（即约束平差结果严重扭曲GPS无约束平差结果的精度）。

4、水准联测

为满足GPS控制网高程拟合的需要， GPS-E级控制点应联测一定比例的四等水准。

联测水准的GPS点均匀分布在测区，水准路线连接成水准网。

5、GPS点高程拟合计算

要精确计算各GPS点的正常高

，目前主要有GPS水准高程、GPS重力高程和GPS三角高程等方法。

其中GPS水准高程是目前GPS作业中是常用的方法。

用于GPS高程拟合计算的方法主要是曲面拟合法（包括平面拟合法、多项式曲面拟合法、多面函数拟合法、曲面样条拟合法、非参数回归曲面拟合法和移动曲面法）。

七、提交成果

GPS控制网的外业工作和数据处理工作结束后，应及时编写技术总结报告，并上交资料。

1、技术总结报告应包含以下内容：

（1）工程概况，包括测区的范围与位置、自然地理条件、气候特点以及任务来源、测区已有测量情况、项目名称、施测目的和基本精度要求等；

（2）施测单位，施测起止时间，技术依据，作业人员情况，接收机类型、数量及检验情况，观测方法，重测、补测情况，作业环境，重合点情况，工作量与工日情况；

（3）野外数据检核情况与分析，起算数据与坐标系统说明，数据后处理内容、方法与软件情况，平差结果精度分析；

（4）方案实施与规范执行情况；

（5）各种附表与附图；

（6）提交成果中尚存问题和需要说明的其它问题。

2、GPS测量任务完成后，应提交下列资料：

（1）E级GPS控制网技术设计书；

（2）GPS控制点的点之记，见附录B；

（3）GPS控制网展点图及通视图；

（4）GPS野外观测原始数据及平差计算资料；

（5）GPS野外测量作业调度表，见附录C；

（6）GPS外业观测记录手簿，见附录D；

（7）GPS-E级控制点成果表；

（8）E级GPS控制网技术总结报告。

附录B   GPS点点之记

GPS点  点之记

日期：

    年　 月　 日      记录者：

　    绘图者：

　    校对者：

点

名

及

等

级

点  名

土  质

点  号

等  级

标石说明

通视点列表

旧点名

概略位置

（L，B）

纬  度

经  度

所　在　地

交　通　路　线

选  点  情  况

点  位  略  图

单位

选点员

日期

联测水准情况

联测水准等级

点

位

说

明

GPS测量作业调度表

测量日期         

时

段

编

号

观

测

时

间

观测者

观测者

观测者

机号

机号

机号

点名

备注

点名

备注

点名

备注

点号

点号

点号

              工程GPS外业观测手簿

第       页

测站号

测站名

天气状况

观测员

记录员

观测日期

接收机名称

及编号

天线类型

及编号

数据文件名

近似经度

°    ′

近似纬度

°  ′

近似高程

m

预热时间

h    min

开录时间

h    min

结束时间

h   min

天线高（m）

测前：

　　　　　　测后：

　　　　　　　平均值：

气温（℃）

测前：

　　　　　　测后：

　　　　　　　平均值：

测　站　跟　踪　作　业　记　录

时间（UTC）

跟踪卫星号（PRN）、高度角（ELEV）

及信噪比（SNR）

纬度

°  ′

经度

°  ′

高程

（m）

PDOP

PRN

ELEV

AZMH

SNR

PRN

ELEV

AZMH

SNR

PRN

ELEV

AZMH

SNR

PRN

ELEV

AZMH

SNR

记事

                                                                          记录员: