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GPS测量定位技术第六章GPS卫星定位测量的设计与实施•学习目标•第一节建立GPS控制网的技术依据•第二节GPS定位网的布设•第三节GPS接收机的选择•第四节GPS定位网测设方案•第五节外业观测•第六节观测成果的外业检核及处理•本章小结•思考题与习题GPS测量定位技术第六章GPS卫星定位测量的设计与实施学习目标•了解最佳GPS接收机应具备的条件。GPS接收机类型的选择：单频、双频。了解美国天宝导航公司、美国阿士泰克公司、瑞士徕卡等公司生产的GPS接收机。•理解GPS网的联测设计中应注意的问题，野外选点埋石的选择与外业成果的记录，野外数据的检核，技术总结与上交资料。•掌握建立GPS网的技术依据和规范要求，GPS测量的精度分级，作业基本技术规定、GPS网的布网原则，卫星空间分布的几何图形强度设计。GPS定位网的测设方案，最佳观测时段的选择，数据处理。GPS测量定位技术第一节建立GPS控制网的技术依据一、GPS测量的精度分级对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以相临点间弦长的标准差来表示，即22()abd(6-1)式中——GPS基线向量的弦长中误差，mm；——GPS接收机标称精度中的固定误差，mm；b——GPS接收机标称精度中的比例误差系数，ppm；d——GPS卫星定位网中相临点间的距离，km。aGPS测量定位技术一、GPS测量的精度分级GPS卫星定位网虽然不存在常规控制网的那种逐级控制问题，但是由于不同的GPS网的应用和目的不同，其精度标准也不相同。根据传统的习惯做法，人们应将GPS卫星定位网划分成几个等级。根据修订后的《规范》规定，GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六级，如表6－1（一）所列。其中AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究、地壳形变测量；B级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量；C级主要用于国家大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E级多用于中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等控制网测量。GPS测量定位技术一、GPS测量的精度分级级别平均距离（km）固定误差a（mm）比例误差b（ppm·D）AA1000≤3≤0.01A300≤5≤0.1B70≤8≤1C10～15≤10≤5D5～10≤10≤10E0.2～5≤10≤20表6-1《规范》规定的GPS测量精度分级（一）GPS测量定位技术一、GPS测量的精度分级为了进行城市和工程测量，《规程》规定其GPS网按相邻点的平均距离和精度划分为二、三、四等和一级、二级，如下表所列。并规定在布网时可以逐级布设、越级布设或布设同级全面网。等级平均距离（km）a（mm）b（ppm·D）最弱边相对中误差二9≤10≤21/12万三5≤10≤51/8万四2≤10≤101/4.5万一级1≤10≤101/2万二级＜1≤15≤201/1万表6-2《规程》规定的GPS测量精度分级（二）注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。GPS测量定位技术二、GPS点的密度各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网点的分布有着不同的要求。例如，国家特级（AA级）基准点主要用于提供国家级基准，有助于定轨、精密星历计算和大范围大地变形监测，希望能以几百公里的平均距离而布满全国。而一般工程测量所需要的网点则应满足测图加密和工程测量的需用，平均边长需要缩短到几公里以内。考虑到这些情况，《规范》和《规程》对GPS网中两相临点间距离视其需要作出了规定：相邻点间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。《规程》还规定，特殊情况下，个别点的间距还允许超出表中规定。由此可以看出，对于城市和工程测量而言，《规程》比《规范》有较大的灵活性。GPS测量定位技术三、测量作业基本技术规定GPS测量的仪器和方法与常规测量的仪器和方法显著不同，所以反映其技术规格的主要指标亦不相同。为了了解外业观测和内业计算，先介绍有关的术语，然后再介绍有关技术指标的概念。1.术语（1）观测时段observationsession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simultaneousobservation两台或两台以上接收机同时对同一组卫星所进行的观测。（3）同步观测环simultaneousobservationloop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。（4）独立观测环independentobservationloop由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。GPS测量定位技术三、测量作业基本技术规定（5）数据剔除率percentageofdatarejection同一时段中，删除的观测值个数与获取的观测值总数的比值。（6）天线高antennaheight观测时接收机天线相位中心至测站中心标志面的高度。（7）国际地球参考框架ITRFYY，InternationalTerrestrialReferenceFrame由国际地球自转服务局推荐的以国际参考子午面和国际参考极为定向基准，以ITRFYY天文常数为基础所定义的一种地球参考系和地心（地球）坐标系。（8）参考站Referencestation在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定站就称为参考站。（9）流动站rovingstation在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。GPS测量定位技术三、测量作业基本技术规定2.《规范》和《规程》规定的技术指标由于卫星的轨道运动和地球的自转，卫星相对于测站的几何图形在不断变化。一些卫星从地平线升起至一定高度，可以投入观测作业，另一些卫星观测高度角越来越小，无法继续观测。考虑到作业中尽可能选取图形强度较好的卫星进行观测，因而在一个观测时段要几次更换跟踪的卫星。我们将时段中任一卫星有效观测时间符合要求的卫星，称为有效观测卫星。测量等级越高，有效观测卫星总数需要越多，时段中任一卫星有效观测时间需要越长，观测时段应该越多，时段长度也应越长。GPS测量定位技术2.《规范》和《规程》规定的技术指标在地球上的任何地点和时间，用一台GPS信号接收机，均能够以±120m左右的精度测定它的所在位置。但是如果用基线两端的两台接收机同时观测4颗以上的共视卫星，两者所采集的GPS定位数据又经过求差处理，此时相对定位精度可以达到毫米级。试验表明，在静态相对定位环境下进行载波相位测量，对于3000km以内的站间距离D，可以达到（5mm+10-8D）的精度，三维位置精度能够达到±3cm。因此，以载波相位观测量为根据的静态相对定位，是建立GPS控制网的基本方式。《规范》中的各项规定，就是针对这一基本方式做出的。各级GPS测量作业的基本技术规定列于表6-3和表6-4。GPS测量定位技术级别项目AAABCDE卫星截止高度角（°）101015151515同时观测有效卫星数≥4≥4≥4≥4≥4≥4观测有效卫星总数≥20≥20≥9≥6≥4≥4观测时段数≥10≥6≥4≥2≥1.6≥1.6时段长度min静态≥720≥540≥240≥60≥45≥40快速静态双频+P(Y)码——————≥10≥5≥2双频全波——————≥15≥10≥10单频或双频半波——————≥30≥20≥15采样间隔S静态30303010～3010～3010～30快速静态——————5～155～155～15静态≥15≥15≥15≥15≥15≥15快速静态双频+P(Y)码——————≥1≥1≥1双频全波——————≥3≥3≥3单频或双频半波——————≥5≥5≥5注：1在时段中观测时间符合表6～3中第七项规定的卫星，为有效观测卫星；2计算有效观测卫星总数时，应将各时段的有效观测卫星数扣除其间的重复卫星数；3观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段；4观测时段数≥1.6，指每站观测一时段，至少60%测站再观测一时段。时段中任一卫星有效观测时间min表6-3《规范》规定的各级GPS测量基本技术要求规定GPS测量定位技术2.《规范》和《规程》规定的技术指标项目等级观测方法二等三等四等一级二级卫星截止高度角（°）静态≥15≥15≥15≥15≥15快速静态有效观测卫星数静态≥4≥4≥4≥4≥4快速静态——≥5≥5≥5≥5平均重复设站数静态≥2≥2≥1.6≥1.6≥1.6快速静态——≥2≥1.6≥1.6≥1.6时段长度（min）静态≥90≥60≥45≥45≥45快速静态——≥20≥15≥15≥15数据采样间隔（S）静态10～6010～6010～6010～6010～60快速静态PDOP静态、快速静态＜6＜6＜6＜6＜6表6-4《规程》规定的GPS测量各等级的作业的基本技术要求GPS测量定位技术第二节GPS定位网的布设一、技术设计中应考虑的因素1.测站因素同测站布设有关的技术因素有：网点的密度；网的图形结构；时段分配、重复设站和重合点的布置等。2.卫星因素同观测对象卫星有关的一些因素有：卫星高度角与观测卫星的数目；图形强度因子；卫星信号质量。大部分接收机具有解码并记录来自卫星的广播星历表的能力。3.仪器因素同仪器有关的一些因素有：接收机，用于相对定位至少应有两台；天线质量；记录设备。4.后勤因素后勤保障方面的因素有：使用的接收机台数、来源和使用时间；各观测时段的机组调度；交通工具和通讯设备的配置等。GPS测量定位技术二、GPS网的布网原则为了用户的利益，GPS网图形设计时应遵循以下原则：（1）GPS网应根据测区实际需要和交通状况，作业时的卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。（2）GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。（3）GPS网的点与点之间不要求通视，但应考虑常规测量方法加密时的应用，每点应有一个以上通视方向。GPS测量定位技术二、GPS网的布网原则（4）在可能条件下，新布设的GPS网应与附近已有的GPS点进行联测；新布设的GPS网点应尽量与地面原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便可靠地确定GPS网与原有网之间的转换参数。（5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。C级网每隔3~6点联测一个高程点，D和E级网视具体情况确定联测点数。A和B级网的高程联测分别采用三、四等水准测量的方法；C至E级网可采用等外水准或与其精度相当的方法进行。GPS测量定位技术三、GPS网的联测设计1.联测点（公共点）的精度要求联测点作为GPS成果转化到常规地面坐标系的基准点，在GPS测量数据处理中具有重要的意义。联测点的地面实用坐标是将GPS定位结果的WGS—84坐标系转换至地面坐标系时的起算数据，所以要求联测点的地面坐标具有较高的精度。为此，联测点应是下列几种点之一：（1）测区内现有的最高等级的常规地面控制点；（2）地方坐标系中控制网定位、定向的起算点；（3）联接国家坐标系和地方坐标系的联接点；（4）水准点。GPS测量定位技术三、GPS网的联测设计2.联测点的密度和分布GPS网与地面网的联测点最少应有两个。其中一个作为GPS在地面网坐标系内的定位起算点，两个点间的方位和距离作为GPS网在地面坐标系内定向、长度的起算数据。显然，为了更好地解决GPS网与地面网两者成果的转换问题，应有更多的联测点。分析研究和作业实践表明，一个GPS网应联测3~5个精度较高、分布合理的地面点作为GPS网的一部分。当测区较大时，还应适当增加联测点。GPS测量定位技术三、GPS网的联测设计3.GPS网中水准点的选择和分布GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为大地高，而实际应用的高程系统为正常高系统。为此，通常是在GPS网中施测或重合少量的几何水准点，用数值拟合法拟合出测区的似大地水准面，继而内插出其它GPS点的高程异常，再求出其正常高。根据研究，在平原地区