GPS静态测量的设计与实施

GPS静态测量的设计与实施1.GPS测量包括技术设计、外业观测和内业数据处理三个阶段技术设计针对GPS控制网的用途和用户需求，依据国家相关规范，对GPS测量的网形、精度及基准等的具体设计及其优化设计。GPS静态测量的设计与实施其他GPS测量规程与细则（各部委根据本部门GPS工作的实际情况制订的）1.GPS测量规范（规程）2.测量任务书（测量合同）《全球定位系统（GPS）测量规范》（2009版国家标准国家质量技术监督局发布）《全球定位系统（GPS）测量规范》(1992版国家测绘局颁布实施)《全球定位系统城市测量规程》（1998版国家建设部发布）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，规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交成果资料的项目和时间、完成任务的经济指标等。GPS静态测量的设计与实施•精度指标22)(Dba基线向量的等效距离中误差(mm)固定误差(mm)比例误差(mm)相邻点间的距离(km)GPS静态测量的设计与实施•GPS网的等级测量分类固定误差a(mm)比例误差b(ppm)相邻点距离(km)用途AA≤3≤0.011000为全球性的坐标框架和地球动力学测量A≤5≤0.1300为区域或国家框架网、区域动力学网B≤8≤170为国家大地控制网或地方框架网C≤10≤510-15为地方控制网和工程控制网D≤10≤105-10为工程控制网E≤10≤200.2-5为测图网GPS静态测量的设计与实施GPS网的概念应用GPS定位技术建立的控制网叫GPS网，其控制点叫GPS点，相邻GPS点之间的线段叫基线，不少于三条基线构成的闭合图形称为观测环。GPS控制网的精度、密度设计根据国标，各级GPS相邻点间平均距离应符合下表的要求，而且相邻点最小距离可为平均距离的1/3—1/2倍；最大距离可为平均距离的2－3倍。通过GPS控制网获得是基线向量，属于WGS—84坐标系的三维坐标差。而在实际工作中，需要的是国家坐标系或地方坐标系的坐标。所以在GPS网的技术设计时要明确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。GPS网的基准位置基准：由给定的起算点确定方位基准：由给定边的起算起算方位角确定尺度基准：测距仪测定的基线边、GPS基线边或两个起算点间的距离确定GPS控制网的基准设计方位基准控制不使网旋转，必有一个边的方位；一条边的边长不能发生变化，控制了网的比例；如果没有尺度的控制，网可以伸展和收缩，平差后的效果是不一样的。与常规的平面控制网相同，给控制网提供约束条件：一个网中必须有（一个以上）坐标已知的点，有了坐标已知点，也就确定了坐标系统；•为求定GPS点在国家或地方坐标系中的坐标，应联测地方控制地方点，用以坐标变换。当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于3个。•工程控制网可以联测2-3个。GPS控制网的基准设计GPS网平差后得到的是大地高，为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。联测的高程点需均匀的分布于网中，对丘陵或山区高程点应按照高程拟合曲面的要求进行布设。GPS高程测量GPS网图形构成的基本概念3.同步观测环：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，简称同步环，如图所示，当N大于2时，即可构成不同边数的同步环。N=2，J=1N=3，J=3N=4，J=6N=5，J=101.观测时段：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：两台及以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。niixnxW151niiynyW151niiznzW151n同步环坐标闭合差理论上应等于0，但由于各GPS接收机间不严格同步，以及模型误差和处理软件的内在缺陷，该量不等于0，其限差应小于下列规定：基线向量的等效距离中误差（mm）同步环中的边数3.同步观测环（续）同步环闭合差只能说明基线向量的解算是否合格，而不能说明GPS基线向量的精度高低，也不能发现信号是否含有粗差。GPS网图形构成的基本概念4.独立基线：由N台GPS接收机同步观测可得到基线总数2)1(NNJ其中相互不能构成任何检核条件的基线称为独立基线。DJ=N-1在J条基线边中，独立基线DJ的选择有一定的任意性，参加同步观测的接收机的数量越多，选择的方式也越多。GPS网图形构成的基本概念N=2，J=1N=3，DJ=2N=4，DJ=3N=5，DJ=4N台接收机同步观测图形中独立基线的选择4.独立基线：GPS网图形构成的基本概念5.独立观测环（异步环）：由非同步观测获得的独立基线向量构成的闭合环，简称独立环或异步环。级别ABCDE独立环或附合路线的边数566810—为了确保GPS成果的精度与可靠性，有效发现粗差，GPS网中的独立基线必须构成构成一些独立环或附合路线，从而形成一些几何检核条件，如构成三角形网、多边形网或附合路线网。—不同时段独立基线连在一起即构成GPS网。对于各级GPS网独立环或附合路线的边数应符合表中的规定。GPS网图形构成的基本概念5.独立观测环（异步环）：独立环或附合路线的坐标闭合差根据规范规定应满足：niixnxW13niiynyW13niiznzW13nGPS网图形构成的基本概念6、重复基线：同一条GPS边若观测了多个时段，可得到多个基线结果，这种边称为重复基线。22sd异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件是衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标！B级以下各级GPS网要求，同一条边任意两个时段的边长差应满足：GPS网图形构成的基本概念观测时段数计算公式：C＝n·m/N式中．C为观测时段数；n为网点数；m为每点平均设站次数；N为接收机数。故在GPS网中总基线数：J总＝C·N·（N一1）/2必要基线数：J必＝n－1独立基线数：J独＝C·(N－1）多余基线数：J多＝C·（N－1）－（n—1）依据以上公式，就可以确定出一个具体GPS网图形结构的主要特征。观测时段数计算公式2、GPS网特征条件的计算观测时段数：/CnmN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。例：n=4，m=3，N=3/43/34CnmN123412314323412412341234123143234124GPS网中：总基线数：(1)/2JCNN总43(31)/212J总必要基线数：1Jn必413J必12341234独立基线数：(1)JCN独4(31)8J独多余基线数：(1)(1)JCNn多4(31)(41)5J多例：某GPS网由80个站组成，现准备用5台接收机来进行观测，每点设站次数为4次，试计算GPS网特征条件。/804/564CnmN全网的观测时段数：总基线数：(1)/26454/2640JCNN总独立基线数：(1)644256JCN独必要基线数：179Jn必多余基线数：25679177JJJ必多独－＝对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的基线（或简称GPS边）数为：J＝N*(N－1)/2；但其中仅有N－1条是独立边，其余为非独立边。当同步观测的GPS接收机数N＞3时，同步闭合环T的最少个数应为T＝J－(N－1)＝(N－1)(N－2)／2GPS网特征条件的计算（1）理论上，同步闭合环中各GPS的坐标差之和即闭合差应为零，但实际上由于不严格同步，应适当放宽此项限差。（2）同步闭合环的闭合差较小只能说明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独立边构成的非同步多边形（亦称非同步闭合环）当GPS网中有若干个起算点时，也可以是由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。对于同步环和异步环的几点说明GPS控制网图形设计•概述GPS网图形设计就是将各同步图形合理衔接，以改善GPS网的精度、增强其可靠性并提高其效率连接方式的选择取决于工程精度需求、外业观测条件以及GPS接收机数量等因素。•GPS基线向量网的布网形式•跟踪站式•会战式•多基准站式•同步图形扩展式•单基准站式GPS控制网图形设计•形式：若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年不间断的观测，这种观测方式很像是跟踪站，因此被称为跟踪站式，数据处理通常采用精密星历。•缺点：需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。•优点：精度极高，具有框架基准特性。•适用范围：一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），永久性的的监测网（如用于监测地壳形变、大气物理参数等的永久性监测网络）。1.跟踪站式的布网GPS控制网图形设计2.会战式的布网•形式：在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，观测分阶段进行，在同一阶段中，所有的接收机，在若干天的时间里分别各自在同一批点上进行多天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上采用相同方式，进行另一阶段的观测，直至所有点观测完毕。•适用范围：用于布设A、B级网。•优点：可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。GPS控制网图形设计•形式：若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。3.多基准站式的布网•适用范围：C，D。GPS控制网图形设计•优点：各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。进行同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得更强的图形结构。3.多基准站式的布网GPS控制网图形设计4.同步图形扩展式的布网•形式：多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。•优点：扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单。•适用范围：C，D。GPS控制网图形设计•形式：以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测；其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步；流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。5.单基准站（星形网）式的布网•优点：效率高。•缺点：图形强度弱•适用范围：D，E。基准站流动站GPS控制网图形设计•同步图形的连接方式•点连式•边连式•网连式•混连式GPS控制网图形设计1.点连式•形式：相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。•优点：作业效率高，图形扩展迅速。•缺点：图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。12•同步图形的连接方式GPS控制网图形设计•同步图形的连接方式2.边连式•形式：相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。•优点：作业效率较高，图形强度较强。12GPS控制网图形设计•同步图形的连接方式3.网连式•形式：相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。•优点：图形强度最强。•缺点：作业效率低。12GPS控制网图形设计•同步图形的连接方式（4）混连式•形式：在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有