全球卫星定位系统GPS.ppt

,全球卫星定位系统GPS,1.GPS（Global Positioning System）简介,即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 计划始于1973 年，已于1994 年进入完全运行状态。GPS 的整个系由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：,1.1 GPS 系统的组成,空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息,地面控制部分：中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨,用户部分：接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,空间部分,24颗卫星（21+3）6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期5个多小时出现在地平线以上（每颗星）,1.2 GPS定位测量特点,一、GPS特点：1、定位精度高 应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达，100-500KM可达，1000KM可达。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm。2、观测时间短 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观 测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3、测站间无须通视 4、可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。,5、操作简便 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积 越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。6、全天候作业 目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。,1.3 GPS 定位的误差源,（1）与GPS卫星有关的因素 SA政策 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度、在GPS 基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。卫星星历误差 在进行GPS 定位时，计算在某时刻GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差 卫星钟差是GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS 标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。,电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。,（2）与传播途径有关的因素,（3）与接收机有关的因素,接收机钟差 接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时与GPS 标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS 接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。,（4）其它,GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。,2 坐标系、基准和坐标系统,2.1 坐标系,测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。,空间直角坐标系,空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z 轴指向参考椭球的北极，X 轴指向起始子午面与赤道的交点，Y 轴位于赤道面上，且按右手系与X 轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。,空间大地坐标系,空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。,平面直角坐标系,平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM 投影、Lambert 投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。,2.2 基 准,所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭球的长、短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。,2.3 GPS 测量中常用的坐标系统,WGS-84 坐标系是目前GPS 所采用的坐标系统，GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z 轴指向BIH1984.0 定义的协议地球极方向，X 轴指向BIH1984.0的零子午面和赤道的交点，Y 轴与X 轴和Z 轴构成右手系。,1954 年北京坐标系,1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955 年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956 年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO 极，也不指向目前我国使用的JYD 极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2 米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,1954 年北京坐标系存在着很多缺点,1980 年西安大地坐标系,1978 年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980 年西安大地坐标系统。1980 年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975 年的推荐值，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD 地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956 年黄海平均海水面为高程起算基准。,高程系统,*一）、大地高系统H 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。*二）、正高系统Hg 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。*三）、正常高H 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用H表示。,高程系统之间的转换关系,大地水准面到参考椭球面的距离，称为大地水准面差距，记为hg。大地高与正高之间的关系可以表示为：H=Hg+hg 似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为。大地高与正常高之间的关系可以表示为：H=H+,高程异常或大地水准面差距hg的确定方法,1、等值线图法 从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距，然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。正常高:H=H-正高：Hg=H-hg,2、地球模型法 地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采的地球模型有EGM96、OSU91A等。带入经纬度坐标即可得到 或hg。,2.4采用载波相位观测值,发自卫星的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度，同时消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,组成星际站际两次差分观测值,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,载波相位差分原理,载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正值发送给用户站，以改正其载波相位，从而解算坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台，用户台结合来自卫星的载波相位求差解算坐标。,3 GPS测量的设计与实施,GPS测量的技术设计GPS测量的外业准备及技术设计书编 写GPS测量的外业实施GPS测量的作业模式数据预处理及观测成果的质量技术总结与上交资料,3.1.1 GPS网技术设计的依据 GPS布网设计与数据采集的技术依据主要是GPS测量规范和测量任务书。二者同时也是数据处理等后续工作的技术依据。一、测量任务书 测量任务书是测量施工单位上级主管部门下达的技术文件。这种技术文件是指令性文件，它规定了测量任务的范围和目的，进度和密度的要求，完成任务并上交成果资料的项目和时间安排以及完成测量任务的经济指标。二、GPS测量规范 是国家测绘主管部门或行业部门制定的技术法规。主要有：2001年国家测绘局颁布的全球定位系统（GPS）的测量规范 1998年建设部发布的行业标准全球定位系统城市测量技术规程 各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的其他GPS测量规程和细则。,3.1 GPS测量的技术设计,3.1.2 GPS网的精度、密度设计,1、精度设计 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,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。,规范规定的GPS测量精度分级（一）,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。,2、GPS点的密度标准,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1/21/3；最大距离应为平均距离的23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。,3.1.3 GPS网的基准设计 GPS网的基准包括位置基准、尺度基准、方位基准。在基准设计时应考虑：1、为求定GPS点在地面坐标系的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干，用以坐标转换（2个点）。2、为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家控制点，除未知点联结图形观测外，对它们也要适当的构成长边图形。,3、GPS网经平差计算后,可以得到GPS点在地面参照系中的大地高,为求得GPS点的正常高,可根据具体情况联测高程点,联测的高程点需均匀分布于网中,对丘陵或山地应按高程拟和曲面的要求进行布设4、新建GPS网的坐标系应尽量与测区过去采用的坐标系统一致,如果采用地方或工程坐标系,一般还应注意（1）所采用的参考椭球；（2）坐标系 的中央子午线经度；（3）纵、横坐标加常数；（4）坐标系投影面高程及测区平均高程异常值；（5）起算点的坐标值.,3.1.4 GPS图形设计 网的图形设计，虽然主要决定于用户的要求，但是有关经费、时间和人力的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与网的图形设计有关。对此应当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下，尽量减少消耗。,一、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。,（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36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。,3.1.5 GPS基线向量网的布网形式,GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式、同步图形扩展式、单基准站式。1、跟踪站式：1）、布网形式：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，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。2）、特点：由于在采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时，接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。,每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。,2、会战式,1）、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，所有接收机在若干天的时间里分别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进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。2）、特点 采用会战式布网形式所布设的GPS网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，所以可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。,3、多基准站式,1）布网形式：所谓多基准站式的布网形式就是有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。,2）、特点：采用多基准站式的布网形式所布设的GPS网，由于在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。另外一方面，其余的进行了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。,4、同步图形扩展式,1）、布网形式：所谓同步图形扩展式的布网形式，就是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。2）、特点：同步图形扩展式的布网形式具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式，在本书中将着重介绍此种布网形式。*3）、采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种式：点连式、边连式、网连式、混连式。,（1）点连式,所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有3台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得2个新点，当这些仪器观测观测了n个时段后，就可以最多测得2n个新点。特点：点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。,（2）边连式,观测作业方式：所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有3台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得1个新点，当这些仪器观测观测了n个时段后，就可以最多测得n个新点。特点：边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。,（3）网连式,观测作业方式 所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有n台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得n-3个新点.特点 采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。,（4）混连式,观测作业方式：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，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种观测作业方式就是所谓的混连式。特点：混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。,5、单基准站式（星状网）,1）、布网形式：单基准站式的布网方式有时又称作星形网方式，它是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，这样，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。流动的接收机有时也称为流动站。2）、特点：单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。,3.1.6 GPS测量的技术指标,观测时段observation session：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。同步观测simultaneous observation：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星所进行的观测。,同步观测环simultaneous observation loop：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。独立观测环independent observation loop：由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。,3.1.7 提高GPS网可靠性的方法,增加观测期数（增加独立基线数):在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有宜的。保证一定的重复设站次数:保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。,3.1.8 提高GPS网精度的方法,为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；精心制定一个子区和子环路的实测方案。在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应竟可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。,3.2GPS测量的外业准备及技术设计书编写,3.2.1测区踏勘交通情况水系分布情况植被情况控制点分布情况居民地分布情况当地风俗民情,3.2.2 资料收集各类图件各类控制点成果测区有关的地质、气象、交通、通信等方面的资料城市及其乡村行政区划表,3.2.3 设备、器材筹备及人员组织筹备器材、计算机及配套设备筹备机动设备及通信设备筹备施工器材，计划油料，材料的消耗组建施工队伍，拟订施工人员名单及岗位进行详细的投资预算,3.2.4 拟定外业观测计划拟订观测计划的主要依据GPS网的规模大小点位精度要求GPS卫星星座几何图形强度参加作业的接收机数量交通、通信及后勤保障,观测计划的主要内容应包括：编制GPS卫星的可见性预报图选择卫星的几何图形强度选择最佳的观测时段观测区域的设计与划分编排作业调度表,相关观测的概念数据剔除率percentage of data rejection：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。天线高antenna height：观测时接收机天线相位中心至测站中心标志面的高度。国际地球参考框架ITRF Y International Terrestrial Reference Frame：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ITRF Y Y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。,参考站Reference station：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。流动站roving station：在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。,1、编制GPS卫星的可见性预报图 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。,时段中任一卫星有效观测时间min,表 规范规定的各级GPS测量基本技术要求规定,表 规程规定的GPS测量各等级的作业的基本技术要求,2、选择卫星的几何图形强度,GPS定位精度同卫星与测站构成的图形强度有关，与能同步跟踪的卫星数和接收机使用的通道数有关。若接收机有观测到5颗卫星以上的能力，就应该把所有可能观测到的卫星都进行跟踪观测，若只有观测到4颗卫星的能力，应在所有可见星中选取PDOP值最小的那一组卫星进行观测，这是根据伪距定位时求解公式推算出的选星原则。,规范对图形强度因子PDOP值没有要求；规程对点的空间位置图形强度因子PDOP值要求不应超过上表所列值。,表 图形强度因子（PDOP）规定值,3、选择最佳观测时段,GPS卫星的观测，是待GPS卫星升离地平线一定的角度才开始的，这个角度就是卫星高度截止角。高度角愈小，愈有利于减小三维位置图形强度因子,（PDOP），从而延长最佳观测时间；但是卫星高度角愈小，对流层影响愈显著，测量误差随之增大。在精密定位测量时，卫星高度截止角宜选定在15左右。当卫星高度角15时，某测站上在视GPS卫星的PDOP随时间变化曲线的例子如左图所示。,图 PDOP变化曲线图,该图是用测站概略经纬度和现有GPS卫星星历所做出的PDOP预报，用以选择最佳观测时段。由图可知，整个作业时段上除10：17至10：33间16min只有4颗卫星外，均有5颗以上卫星可供观测；除8：42至8：53约11min内PDOP8外，其余时间的几何图形处于良好状态或一般状态。通常用一个子环路的平均经纬度和最接近观测时日的GPS卫星星历绘制PDOP变化曲线，以此选择测量该子环路的公共观测时段，而不是依每一个测站选择最佳观测时段。,四、编排作业调度表,作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网的设计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业调度表，以提高工作效益。,表GPS作业调度表,3.2.5、设计GPS网与地面网的联测方案,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WGS84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。,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。,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，在平原地区布测的GPS网中，只要用三等实测或重合全网五分之一GPS点的几何水准，用数值拟合法求定GPS点的正常高，即可代替四等水准测量。所实测的水准点，大部分应布设在网的周围点上，少量放在网的中间，以求获得最佳效果。,3.2.6 GPS接收机的选择和检验,一、接收机的类型选择,1.单、双频接收机的选择1）单频接收机 单频接收机只能接收经调制的L1 信号。它虽然可以利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响的改正，但由于改正模型的不完善，误差较大，所以单频接收机主要用于基线较短（例如10km）的精密定位工作。但是，单频接收机的优点是工艺成熟，所用的电子元件较少，对微处理器的要求较低，不需要昂贵的互相关器，不受P 码保密的限制，产量大，价格比双频接收机便宜的多。,2）双频接收机 双频接收机可以同时接收L1和 L2信号，利用双频技术可以消除或减弱电离层折射对观测量的影响，所以定位精度较高，基线长度不受限制。其次，解算整周未知数的时间较短，约为单频机的一半，所以作业效率较高。,GPS接收机是完成测量定位的关键设备，可根据需要按规范和规程选用。,表 接收机选用（规范）,表 接收机选用（规程）,二、接收机的检验 GPS测量工作所采用的接收设备，都必须对其性能和可能达到的精度水平进行检验，合格后方能参加作业。尤其对于新购置的设备，应按规定进行全面的检验。接收机全面检验的内容，包括一般检视、通电检验、试测检验和随机数据后处理软件的检测。,1.一般性检视,主要检查接收设备的各部件及其附件是否齐全、完好，紧固部件有否松动与脱落，设备的使用手册及随机软件等资料是否齐全。,2.通电检验,检验的主要项目包括：设备通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况，以及自测试系统的工作情况。当自测试正常后，按操作步骤进行卫星的捕获与跟踪，以检验接收机捕获卫星的时间，接收信号的信噪比及信号的锁定等情况。,3.实测检验,实测检验应在不同长度的标准基线上，或专设的GPS测量检验场上进行。标准基线的相对精度，应不低于被检验接收设备的标称精度。实测检验是接收设备检验的主要内容之一，凡是用于精密定位的接收设备，都应按作业时间的长短，至少在每年出测前进行一次。实测检验的主要内容包括：接收机野外作业的性能，接收机的内部噪声水平，天线相位中心的稳定性，以及对不同测程的基线测量所能达到的精度等。另外，天线底座的圆水准器和光学对中器，也都要在每年出测前进行检验和校正。对于作业中所使用的气象测量仪表（通风干湿表、气压表、温度计），也应定期送气象部门检验，以保障其正常工作。,3.2.7 技术设计书的编写1、任务来源及工作量2、测区概况3、布网方案4、选点与埋标5、观测6、数据处理7、完成任务的措施,一、野外选点,1.GPS选点应符合下列要求：（1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地方，视野应开阔。被测卫星的地平高度角一般应大于10-15，以减弱对流层折射的影响。（2）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GPS卫星信号的干扰。（3）点位附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影响。（4）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他测量手段联测或扩展。（5）地面基础稳定，利于点位保存。（6）应充分利用符合要求的旧有控制点。,3.3 GPS测量的外业实施,2.选点作业,选点人员在实地选定的点位上，打一木桩或以其它方式加以标定，同时树立测旗，以便埋石及观测人员能迅速找到点位，开展后续工作。选点人员还应按技术设计的要求，最后确认该点是否进行水准联测，并应实地踏勘水准路线，提出有关建议。GPS点名可取村名、山名、地名、单位名、应向当地政府部门或群众进行调查后确定。当利用符合要求的旧有控制点时，点名不宜更改。不论是新选定的点或利用原有点位，均应按规范或规程中规定的格式在实地绘制GPS点点之记，如表6-7所示。点位周围有高于10的障碍物时；应用平板仪和罗盘仪绘制点的环视图。测区选点完成后，还应绘制GPS网选点图。测区选点完成后，还应绘制GPS网选点图。最后，要对选点工作写出总结，包括详细的交通情况，车的种类、车次以及通讯、供电、充电情况等。,标石说明（单、双层、类型）旧点,相临点（名、号、里程、通视否）,日期：20 年 月 日 记录者：绘图者：校对者：,表 GPS点点之记,3.选点记录,GPS网选点图,4、标石埋设,表 标石类型及其适用级别,点位选定后（包括方位点），均应按规定绘制点之记，其主要内容包括：点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。选点工作结束后，应提交的技术资料主要包括：点之记及点的环视图GPS网选点图；选点工作技术总结。,二、观测工作,1、观测工作依据的主要技术指标,2、天线安置,天线要尽量利用脚架安置，直接在点上对中。当控制点上建有寻常标时，应在安置天线之前先放倒觇标或采取其它措施。只有在特殊情况下，方可进行偏心观测，此时归心元素应以解析法精确测定。天线的定向标志线应指向正北。其中A与B级在顾及当地磁偏角修正后，定向误差不应大于5。天线底盘上的圆水准气泡必须居中。天线安置后，应在每时段观测前、后各量取天线高一次。对备有专门测高标尺的接收设备，将标尺插入天线的专用孔中，下端垂准中心标志，直接读出天线高。对其它接收设备，可采用倾斜测量方法。从脚架互成120的三个空挡测量天线底盘下表面至中心标志面的距离，互差小于3mm时，取平均值L，若天线底盘半径为R，再利用厂方提供的平均相位中心至底盘下表面的高度hc，按求出天线高。,测量气象参数：在高精度测量中，要求测定气象元素，每时段气象元素的测定不应少于3次，气压读至0.1mabar，气温读至0.1复查点明并计入测量手簿,3、开机观测 观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。对于一些品牌的接收机，接收机开始记录数据后，观测员可使用专用功能键和选择菜单，查看测站信息、接收卫星数量、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化、存储介质记录情况等。观测员要细心操作，静置和观测期间防止接收设备震动，防止人员和其它物体碰动天线和阻挡信号。,4、观测记录,在外业观测过程中，所有信息资料和观测数据都要妥善记录。记录的形式主要有以下两种：（1）观测记录 观测记录由接收设备自动完成，均记录在存储介质（如磁带、磁卡等）上，记录项目主要有：载波相位观测值及其相应的GPS时间；GPS卫星星历参数；测站和接收机初始信息（测站名、测站号、时段号、近似坐标及高程、天线及接收机编号、天线高）。存储介质的外面应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段号、采集日期、测量手簿编号等。,接收机内存数据文件转录到外存介质上时，不得进行任何剔除和删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。（2）测量手簿 测量手簿是在接收机启动前与作业过程中，由测量员随时填写的。整个观测过程出现的重要问题及其处理情况，亦应如实地填写在记事栏内。观测记录和测量手簿都是GPS精密定位的依据，必须按照规定妥善保管。,工程GPS外业观测手簿,GPS外业观测手簿,3.4 GPS测量的作业模式,1.静态定位（1）作业方法 采用两套接收设备，分别安置在一条基线的两个端点，同步观测4颗卫星1h左右，或同步观测5颗卫星20min左右。（2）精度 基线的相对定位精度可达5mm+1ppmD，D为基线长度（km）。,一、常用的定位方法,（3）适用范围 建立全球性或国家级大地控制网、建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位。（4）注意事项 所有观测过的基线应组成一系列封闭图形，以利于外业检核，提高成果可靠度。并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。,图 经典静态相对定位,2.快速静态定位,（1）作业方法 在测区中部选择一个基准站，并安置一套接收设备连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测12min。（2）精度 流动站相对于基准站的长度中误差为5mm+1ppmD。,（3）应用范围 控制网的建立及其加密、工程测量、地籍 测量、大批相距百米左右的点位定位。（4）注意事项 在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km；流动站上的接收机在转移时，不必保持对所测卫星连续跟踪，可关闭电源以降低能耗。,图 快速静态相对定位模式,基准站,观测基线,迁站路线,流动站,3.准动态定位,（1）作业方法 在测区选择一个基准站，安置接收机连续跟踪所有可见卫星；将另一台接收机先置于1号站观测12min；在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机分别在2、3、4各点观测数秒钟。,（2）精度 基线的中误差约为12cm。,（3）应用范围 开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及路线测量等。（4）注意事项 应确保在观测时段上有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点距离不超过20km；观测过程中流动接收机不能失锁，否则应在失锁的流动点上延长观测时间12min。,4.往返式重复设站,（1）作业方法 建立一个基准点安置接收机连