GPS控制网设计

1第五章GPS测量的技术设计与外业工作2目录第一节GPS测量中的几个基本概念第二节GPS技术设计的依据第三节GPS网的精度和密度设计第四节GPS网的基准设计第五节GPS网的图形设计第六节GPS测量的外业工作3内容概要•观测时段和时段长度•同步观测、基线向量和GPS基线向量网•同步观测基线•闭合环和环的闭合差•同步观测环（同步环）和同步环检验•独立基线向量•独立观测环（异步环）和独立观测环检验4观测时段和时段长度•观测时段–从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段。–是GPS测量的基本单位。•时段长度–观测时段所持续的时间。5同步观测、基线向量和GPS基线向量网•同步观测–两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测。•基线向量–利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差。–与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统。•GPS基线向量网–采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成。6同步观测基线•定义–利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量。•一个时段中，同步观测基线的数量–若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线。n=3n=2n=4n=578闭合环和环的闭合差•闭合环–由多条基线向量首尾相连所构成的图形。n=5由5条基线向量所构成的闭合环9闭合环和环的闭合差•环的闭合差–闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）的矢量和。–分量闭合差：组成闭合环的基线向量按同一方向（顺时针或逆时针）矢量的各个分量的和。–全长闭合差：分量闭合差的平方和开方。分量闭合差XYZXYZ环的闭合差1B2B3BnB1niiB222sXYZ全长闭合差10同步观测环（同步环）和同步环检验•同步观测环（同步环）–三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量（完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环。同步环与非同步环11同步观测环（同步环）和同步环检验•同步环检验–定义：检验同步环的闭合差大小。–特性•理论上：采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。（构成同步环的基线向量之间是线性相关的）•实践中：如果算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小。–结论：同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求12独立基线向量•定义：线性无关的一组基线向量。•满足下面条件之一的为独立基线向量。–未构成闭合环的一组基线向量（例如：一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观测基线）。–虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同一观测时段。•提示–完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的，是一组非独立基线向量。–GPS网应由相互独立的基线向量构成。13独立基线向量•同步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式14独立观测环（异步环）和独立观测环检验•独立观测环（异步环）–定义：由相互函数独立（线性无关）的基线向量所构成的闭合环。（就是前面的非同步环）独立环与非独立环15独立观测环（异步环）和独立观测环检验•独立观测环检验–定义：检验独立观测环的闭合差大小–特性：与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量–结论：独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标16第二节技术设计的依据17内容概要•测量任务书或测量合同书•GPS测量规范及规程•其他规范及规程18测量任务书或测量合同书①•发布单位–上级主管部门–甲方•作用–明确项目的目标和要求19测量任务书或测量合同书②•内容–点位要求•分布、密度、数量、标志及观测设施–精度要求•等级、点位误差、相邻点间距离误差–进度要求•提交成果的时间–成果要求•坐标参照系、是否需要高程成果、提交资料的内容20GPS测量规范及规程•发布单位–国家相关机构或行业主管部门•技术监督局•国家测绘局•建设部–作用•规定测量成果的质量•规范实施的步骤、要求21GPS测量规范及规程①•现有规范、规程–全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T18314-2001，国家质量技术监督局，国家标准，2001–全球定位系统（GPS）测量规范，CH2001-92，国家测绘局，1992–全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程CH8016-1995–全球定位系统城市测量技术规程，CJJ73-97，建设部，行业标准，1997–…22GPS测量规范及规程②23GPS测量规范及规程③•规范的内容–国家测量规范的内容24GPS测量规范及规程③•规范的内容–城市测量技术规程25其他规范及规程•若暂无与工程相对应的GPS规范时，可参照与该工程对应的常规测量规范中的质量要求，然后以此为依据，套用GPS规范26第三节GPS网的精度和密度设计27内容概要•GPS测量的等级及其用途•各级GPS测量的精度指标•各级GPS点的密度指标28GPS测量的等级及其用途①•我国GPS测量规范所规定的网的等级级别用途实例AA全球参考框架、全球性地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨IGS永久跟踪站网A国家参考框架、区域性地球动力学研究和地壳形变测量国家A级网B国家大地控制、地方参考框架、局部形变监测和各种精密工程测量国家B级网C大中城市及工程的基本控制网DE中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制网29GPS测量的等级及其用途②•我国城市测量规程所规定的网的等级30各级GPS测量的精度指标•相邻点间基线长度标准差标准差，单位mm22abd固定误差，单位mm比例误差，单位ppm相邻点间的距离，单位Km31各级GPS测量的精度指标•相邻点间基线长度的精度要求级别固定误差(mm)比例误差(ppm)AA≤3≤0.01A≤5≤0.1B≤8≤1C≤10≤5D≤10≤10E≤10≤2032各级GPS测量的精度指标•点位及基线长度年变化率的精度要求级别点位的地心坐标精度基线长度年变化率精度AA≤0.05m≤0.01A≤5≤0.133各级GPS点的密度指标•GPS网中相邻点间的平均距离级别平均距离(km)AA1000A300B70C10~15D5~10E0.2~534第四节GPS网的基准设计35GPS网的基准•GPS网的基准包括–位置基准–尺度基准–方位基准36GPS网的位置基准•位置基准的确定–自由网平差或拟稳平差•对网的尺度无影响–固定一点（最小约束平差）•对网的尺度无影响–固定多点（约束平差）•对网的尺度有影响37GPS网的尺度基准•尺度基准的确定–GPS基线向量–测距边–已知点间的固定边–固定多个已知点–其他空间技术观测量（VLBI、SLR等）38GPS网的方位基准•方位基准的确定–GPS基线向量–起始方位–固定多个已知点–其他空间技术（如VLBI）提供的方位39第五节GPS网的图形设计40内容概要•GPS网形设计的内容*•GPS网的基本图形•图形设计中的注意事项•GPS网的特征条件41GPS网图形设计的内容*①•一般控制网图形设计的内容–与精度和可靠性有关的点位设计–观测设计（观测点、测回数等）•GPS网图形设计的内容–观测设计（同步观测图形、重复观测次数、观测参数设置、观测时长要求）–注意：GPS网无与精度和可靠性直接相关的图形设计问题（点位观测环境方面的问题除外）42GPS网图形设计的内容*②•如果假定对应基线向量的质量一样，则在下面两个图形中，对应各点的可靠性和精度是完全一样的123451234543GPS网图形设计的内容*③•两点重要提示–GPS网的图形强度与基线向量的数量和分布有关–GPS点的精度和可靠性与与其相连的基线向量数密切相关，相连的基线向量数越多，精度和可靠性越高44GPS网图形设计的内容*④•GPS网布设时的重复设站次数（观测时段数）–GPS点反复进行设站观测的次数•复测边（重复边）的布置–复测边：同一基线向量不同时段的观测结果45GPS网的基本图形①•三角形网•多边形网•附和导线网•星形网46•三角形网–定义：以三角形作为基本图形所构成的GPS网–特点•优点：几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高•缺点：工作量大–提高图形强度的方法•加测对角线GPS网的基本图形②47GPS网的基本图形③•多边形网–定义：以多边形（边数≥4）作为基本图形所构成的GPS网–特点：•效率高，工作量较小，•图形强度虽不如三角形网–保证及提高图形强度的方法•对多边形边数加以限制48GPS网的基本图形④•附和导线网–定义：附和导线（或称附和路线）作为基本图形所构成的GPS网–特点•效率高，工作量较小，•图形强度虽不如三角形网和多边形网–保证及提高图形强度的方法•对多边形边数加以限制，仍能保证一定的强度49GPS网的基本图形⑤•星形网（单基准站）–定义：从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位（待定点间一般无任何联系）所构成的GPS网–特点：作业速度快，但抗粗差能力极差–提高可靠性的方法：从两个已知点（基准站）上对同一待定点（流动站）进行观测；适当复测–应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）–工作模式：GoandStop，RTK50GPS网的基本图形⑥•多基准站–定义：两台以上的接收机（基准站）固定不间断观测，其余接收机流动观测（待定点间一般无联系）所构成的GPS网–特点：抗粗差能力较差–应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）–工作模式：GoandStop，RTK–提高可靠性的方法：适当复测51图形设计中的注意事项①•布网形式–AA、A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘点外，每点至少应与3个点相连，–C、D、E级GPS网可布设成多边形或附和导线。52图形设计中的注意事项②•各级GPS网中最大独立闭合环或附和导线的边数满足下表要求级别闭合环和附和导线的边数AA-A≤5B≤6C≤6D≤8E≤1053图形设计中的注意事项③•AA、A、B级GPS网点应与永久GPS跟踪站联测。联测站数满足下表要求级别联测永久GPS跟踪站的最少站数AA≥4A≥3B≥254图形设计中的注意事项③•AA、A、B级GPS网点应与参加过全国天文大地网整体平差的三角点、导线点及一、二等水准点重合•新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不少于2个•大陆、岛、礁之间的A、B级GPS网的边长可视实际情况变通。重要岛礁与大陆之间的联测点数不得少于3个55图形设计中的注意事项④•为求得GPS点在某一参考坐标系中的坐标，应与该坐标系中的原有控制点进行联测，联测点数不得少于3个56图形设计中的注意事项⑤•框架网的采用–当控制网的范围较大时，可采用分级布设的方法，即首先布设点数较少但等级较高的框架网，然后再部分项目所要求等级的全面网*框架网全面网57图形设计中的注意事项⑥•确定正常高时的注意事项–为求得GPS点的正常高，应进行高程联测，联测应满足下表要求级别高程联测点密度要求高程联测点的等级AA逐点联测二等水准A逐点联测二等水准B每隔2~3点联测1个三等水准C每隔3~6点联测1个四等或精度相当D视情况四等或精度相当E视情况四等或精度相当58GPS网的特征条件•总基线数•独立基线数•必要基线数•多余基线数59GPS网的特征条件•若某GPS网由n个点组成，每点的设站次数为m，用N台GPS接收机进行观测–观测时段数C：–总基线数J总：–独立基线数J独：–必要基线数J必：–多余基线数J多：CnmN12JCNN总1JCN独1Jn必JJJ必独多60GPS网设计书•编写提纲–概述：测区位置，项目概况–技术依据：规范、标准…–坐标系统与起算数据–网形设计–质量检核–选点埋石–外业观测–数据处理：软件、处理方法（包括基线解算与网平差）–成果资料61第六节GPS测量的外业工作621.选点与埋设标志注意事项：（1）点位应紧扣测量目的布设。（2）便于联测和扩展。（3）点位交