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1第五部分GPS测量与数据处理国家注册测绘师考试培训教程第一篇大地测量2空间部分地面监控部分用户部分GPS一、GPS测量原理回顾1、GPS系统及其构成拥有者:美国系统构成:空间部分、地面控制部分、用户部分作用:定位、测速、授(守)时信号:载波、测距码、导航电文GPS测量原理32、GPS定位原理距离交会GPS测量原理43、GPS观测值码伪距载波相位多普勒SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtSGPS测量原理54、GPS的误差源与卫星有关的:卫星钟差、卫星星历误差、相对论效应、SA与传播途径有关的:大气折射(电离层折射、对流层折射)、多路径效应、其他电磁波干扰与接收设备有关的:天线相位中心偏移及变化、接收机钟差、接收机噪声其他GPS测量原理6单差双差三差5、GPS定位原理中的若干基本概念伪距测量载波相位测量整周计数、周跳、整周模糊度差分观测值零差(非差)、单差、双差、三差载波相位观测值的线性组合宽巷、窄巷、无电离层折射影响和无几何关系组合N0Fr0N0Int()iFrit0tiGPS测量原理76、GPS的定位模式根据运动状态动态定位、静态定位根据时效实时定位、事后定位根据定位模式绝对定位、相对定位、差分定位GPS测量原理8定位方法观测值卫星星历观测时间精度单历元20-40m测码伪距广播星历数小时米级单历元分米级单点定位载波相位精密星历一天厘米级测码伪距广播星历单历元D15km分米级、亚米级15kmD200km米级差分GPS载波相位广播星历单历元厘米级广播星历数小时短边:5mm10-6D相对定位载波相位精密星历数小时~数十小时中边:5mm10-7D长边:3mm10-8D3mm10-9D7、导航定位方法及精度GPS测量原理9作业范围:全球地面覆盖,无须通视作业时间:实时,全天候成果精度:精度高劳动强度:自动化程度高三维坐标:真三维坐标8、GPS的特点GPS测量原理105.1GPS测量的技术设计115.1.1GPS测量中的几个基本概念12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13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14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=515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16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1B2B3BnB1niiB222sXYZ全长闭合差17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18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19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20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21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22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235.1.2技术设计的依据24测量任务书或测量合同书内容点位要求分布、密度、数量精度要求等级、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255.1.3GPS网的精度和密度设计26GPS测量的等级及其用途级别用途实例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27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mm22610abd固定误差,单位mm比例误差,单位ppm相邻点间的距离,单位mm285.1.4GPS网的基准设计29GPS网的基准GPS网的基准包括位置基准尺度基准方位基准30GPS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31GPS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其他空间技术观测量(VLBI、SLR等)32GPS网的方位基准方位基准的确定GPS基线向量起始方位其他空间技术(如VLBI)提供的方位335.1.5GPS网的图形设计34GPS网图形设计的内容*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)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)35GPS网图形设计的内容*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36GPS网图形设计的内容*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这两点也可看作时GPS网测量的要求37GPS网的基本图形三角形网多边形网附和导线网星形网38三角形网定义: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:工作量大进一不提高图形强度的方法加测对角线GPS网的基本图形39GPS网的基本图形多边形网定义: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,但若对多边形边数加以限制,仍能保证一定的强度40GPS网的基本图形附和导线网定义: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,但若对多边形边数加以限制,仍能保证一定的强度41GPS网的基本图形星形网定义: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:抗粗差能力极差应用:界址点、碎部点和低等级控制点(图根dian)工作模式:GoandStop,RTK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42图形设计中的注意事项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。43图形设计中的注意事项各级GPS网中最简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≤1044图形设计中的注意事项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≥245图形设计中的注意事项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46图形设计中的注意事项为求得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47图形设计中的注意事项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,然后再布设项目所要求等级的全面网*框架网全面网48图形设计中的注意事项为求得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49GPS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50GPS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:CnmN12JCNN总1JCN独1Jn必JJJ必独多51GPS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525.2数据采集535.2.1外业观测的流程*54GPS测量的作业流程测绘资料收集整理仪器检验、检定踏勘、选点、埋石作业队进驻卫星状态预报观测计划制定作业调度及外业观测数据传输、转储、备份基线解算及质量控制555.2.2外业观测进度和费用预算*56问题要布设一个100个点的C级网,若某个外业测量对计划采用4台接收机进行观测,问题:外业观测需要进行多少天?外业观测费用是多少?57最少观测时段数定义根据规范要求,布设一GPS网,需要观测的最少时段数。特性最少观测时段数与网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量有关。计算公式:)INT(minmnRs最少观测期数网的点数参与观测的接收机数最少平均重复设站次数58外业观测进度及费用预算用于估算工程进度最少观测期数/单天观测期数+机动天数用于估算外业观测作业成本观测天数单天成本595.2.3选点与埋石60图上设计应收集的资料现有测量控制(平面控制点、水准点、GPS点)资料,包括:点之记、网图、成果表、技术总结等地形图、交
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