GPS控制网布设.ppt
工程控制测量学(Engineering Control Surveying),测 量 工 程 与 装 备 系 范 百 兴,第十九讲 GPS控制网布设原理与方法Principles&Method of GPS Control Network Layout,本次课程内容,一、GPS控制网的技术设计二、GPS控制网的网形设计三、GPS控制网布设四、GPS控制网测量五、GPS观测成果检核六、GPS控制网平差七、GPS测量技术总结八、GPS平面坐标转换九、GPS高程拟合,一、GPS控制网的技术设计,1、工程GPS控制网测量规范 全球定位系统（GPS）测量规范 国家测绘局 全球定位系统城市测量规范 国家建设部 总参测绘局 各个部委制定的GPS测量规程与细则,2、GPS控制网测量精度 GPS控制网按照测量精度分为AA、A、B、C、D、E六级，相邻点间的基线长度精度计算公式为：其中：-相邻点间距离中误差 a固定误差（mm）b比例误差（ppm）D相邻点间的距离（km）,GPS各级控制网精度指标,一、GPS控制网的技术设计,GPS各级控制网用途,一、GPS控制网的技术设计,3、GPS控制网的基准设计,原因 GPS测量得到WGS84坐标系下的基线向量，而通常采用的是国家坐标系或独立坐标系，应该首先确定GPS成果所采用的坐标系统合起算数据，即GPS网基准设计。,GPS网基准分类 位置基准 根据给定的起算点坐标确定 方位基准 常根据给定的起算方位或GPS基线向量确定 长度基准 根据起算点反算边长、EDM测距边长或GPS边长,一、GPS控制网的技术设计,3、GPS控制网的基准设计,注意事项 若GPS测量成果需要进行坐标转换，应该选择或联 测足够多的两坐标系的公共点，一般大于3，以保证 坐标系转换参数的精度和可靠性；起算点数目越多，GPS网和原有网的吻合越好，但 会损失现有GPS网的测量精度，起算点为35个时，既能保证两坐标系的一致，又可保证GPS网的测量精度；起算点在GPS网中应该均匀分布，避免分布在网中的一 侧；EDM测距边作为起算边长时，数量在35条为宜，但是 EDM边的两端点高差不应过大；,一、GPS控制网的技术设计,3、GPS控制网的基准设计,注意事项 起算方位不宜过多，可以布设在网中的任意位置 GPS网得到大地高，联测水准高程后才能将高程转换为正常高，联测规定为：AA、A级网应按照二等水准联测高程 B级网应按照三等水准每隔23点联测高程 C级网应按照三等水准每隔36点联测高程 D、E级网应按照四等水准联测高程 水准联测点应均匀分布整个测区，未知点正常高程的求解因采用内插的方法,一、GPS控制网的技术设计,二、GPS控制网的网形设计,1、GPS网形设计特点 由于点间不需要通视，且点位精度主要取决于卫星与测站间的几何网形、观测数据质量和数据处理方法，因此GPS网的设计主要取决于用户的要求和用途。,2、GPS测量的基本概念 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 同步观测 两台以上的接收机同时对同一组卫星进行的观测,2、GPS测量的基本概念,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所构成的闭合环。同步环各边的坐标差分量分量之和即为同步环闭合差。,独立基线 GPS控制网中相互之间不能构成检核条件的边，称为独立基线。N台GPS同步观测可得到基线边条数J为：J=N(N-1)/2独立基线为：DJ=N-1,二、GPS控制网的网形设计,独立基线,二、GPS控制网的网形设计,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。AA、A、B级GPS网中每点的连接点数不少于3，C、D、E级GPS网应布设成多边形或复合路线。,重复基线 同一条GPS边观测多个时段，可得到多个基线结果。,二、GPS控制网的网形设计,三、GPS控制网布设,1、跟踪站式 将数台GPS接收机长期固定在不同测站上，进行不间断连续观测。特点 观测时间长、数据量大、多余观测较多、精度高、框架基准特性好。但成本较高，多用于AA级网。,2、会站式 多台GPS接收机在同一批点上多天长时间同步观测，然后再迁移到另外一批点上进行同样观测，直至全部观测完成。具有精度较高（尺度精度特高）等优点，多用于A、B级网。,3、同步图形扩展式 GPS网以同步图形的形式连接扩展，构成具有一定数量独立环的布网形式，不同的同步图形间有若干公共点连接，具有测量速度快、方法简单、图形强度较好等优点，是主要的GPS布网形式。可以分为点连式、边连式、网连式和混连式。,点连式 相邻两个同步图形只通过一个公共点连接，但图形强度较低，易有连环影响，一般不单独使用。,三、GPS控制网布设,边连式 相邻两个同步图形只通过一条边连接，具有较多的重复基线和独立环，图形条件较强，作业效率较高，被广泛采用。,三、GPS控制网布设,网连式 相邻两个同步图形通过三个以上的公共点连接，至少需要4台GPS接收机，图形条件很强，成本较高，多用于高精度的控制网。,三、GPS控制网布设,混连式 相邻两个同步图形可能通过点、边、网等形式连接，自检性和可靠性较好，能有效发现粗差，在GPS工程控制网中广采用。常见的有三角形和环形网等布网形式。,三、GPS控制网布设,三角形网,优点：图形几何结构强，具有较多的检核条件，平差后网中相邻点间基线向量的精度比较均匀。缺点：观测工作量大。一般只有在网的精度和可靠性要求比较高时，才单独采用这种图形。,三、GPS控制网布设,环形网,优点：观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性。缺点：非直接观测基线边(或间接边)精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。是大地测量和精密工程测量中普遍采用的图形，通常采用上述两种图形的混合图形。,三、GPS控制网布设,星形网,优点：观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。缺点：几何图形简单，检验和发现粗差能力差。广泛用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,三、GPS控制网布设,四、GPS控制网测量,1、外业测量准备 测区踏勘 资料收集 技术设计书的编写 项目、测区和测量概述 作业依据 技术要求、布网方案 测区资料、选点埋石、数据处理、保证措施 设备的准备与人员安排 观测计划的拟定 GPS仪器的选择与检验,2、选点要求 点位周围+15以上天空无障碍物 避免周围有强烈反射无线电信号的物体，如玻璃幕墙、水面、大型建筑等 远离电台、发射塔等大功率无线电发射源，距离应大 于200米，离高压线、变电所等的距离应大于50米；交通方便，有利于其他测量和联测 地面基础条件稳定，便于点的保存,选点埋石完成后应提交:点之记,GPS网选点图,选点工作总结,四、GPS控制网测量,3、GPS观测的技术规定,四、GPS控制网测量,4、GPS观测过程,天线安置 在控制测量中，天线应该用三角架或强制对中装置直接 安装在标石中心垂直上方，对中误差小于3mm，特殊情 况进行偏心观测，需要精确测定归心元素；,在觇标顶部安置天线进行测量时，卸掉觇标顶，按照投 影点安置天线，投影示误三角形边长小于5mm;,有寻常标的控制点安置天线前，应先放到寻常标；,天线指北定向误差小于35，以消除相位中心偏差；,圆水准气泡应该居中；,天线高 1.5m，在三个不同方向上量高误差小于3mm，时段测量前后分别量取,取平均结果作为天线高；,四、GPS控制网测量,观测作业,观测小组严格严格按照调度指令，按照规定时间进行作业；,检查接收机和主机连接无误后，方可开机测量,测量过程应该严格填写测量手薄；,开始测量后和测量过程中，测量人员不得离开测站，并且应该随时检查接收卫星状态和测量信息；,各时段开始和结束时，应记录观测卫星号、天气、PDOP等；,测量过程中，应严防被接收机碰撞、信号遮挡等事情发生；,观测过程中，50m内不准使用电台，10米内不准使用对讲机；,接收机的防热很困难，但应该防止电子手薄和主机直接被太阳照射；,四、GPS控制网测量,5、GPS作业模式,静态相对定位,作业方法 将两台或多台GPS接收机安置在基线的两端，同步观测4颗以上卫星，观测时间在45min以上。,精度 基线相对定位精度可达5mm+1ppmD。,特点 观测精度和可靠性较高，主要用于国家级大地控制网的建立、地壳运动或工程变形监测网、精密工程控制网。,四、GPS控制网测量,快速静态定位,作业方法 在测区中央的某一基准站上，安置接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各站进行测量。,观测时间 双频接收机同步观测510min，单频观测15min,接近静态相对定位测量模式的精度。,特点 具有速度快、精度高、能耗低等特点，但构不成闭合环，可靠性底，主要用于一般控制网的建立和加密、工程测量、地籍测量和碎步测量。,四、GPS控制网测量,准动态定位,作业方法 在测区中央的某一基准站上，安置接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机首先到第一点观测2min，然后在不失锁的情况下到其他站观测几秒钟即可。,精度 基线解算精度为12cm。,应用 主要用开阔地区的一般控制网测量、工程测量、地籍测量和碎步测量等。,四、GPS控制网测量,动态定位,作业方法 在测区中央的某一基准站上，安置接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机安装在运动载体上，出发前先观测几分钟，然后随着载体的运动按照指定时间间隔进行测量即可。,精度 相对于基准点的精度为12cm。,应用 主要用轨迹测量、剖面测量、航道测量和路线中线测量等。距离小于20km，同步观测五颗以上卫星。,四、GPS控制网测量,实时动态定位（Real Time Kinematic,RTK）,作业方法 在某一基准站上，安置接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机接收基准站数据，实时显示和计算流动站坐标。,应用 主要用导航测量、航空测量、航道测量和路线中线测量等。距离小于20km。,四、GPS控制网测量,五、GPS观测成果检核,同一时段观测数据的剔除 应该剔除观测时间过短、信噪比过大的观测数据，数据剔除率小于10%。,同步环检测 同步环各边的坐标差分量之和应满足：,其中：为由仪器标称精度得到的基线距离中误差。,异步环检测 异步环各边的坐标差分量之和应满足：,其中：为由仪器标称精度得到的基线距离中误差。,五、GPS观测成果检核,重复基线检测,B级网以下各级GPS网，同一条边任意两时段的边长之差d 应满足：其中：为由仪器标称精度得到的基线距离中误差。,成果检核不合格者，应该根据情况重测一条基线边或一个网,五、GPS观测成果检核,六、GPS控制网平差,1、GPS测量数据粗加工,数据传输 将存储在接收机内存或数据卡上的数据通过电缆线或读卡器，传输到计算机上。,数据分流 将观测数据按照类别归入不同的数据文件中，主要有以下四种文件：观测值文件 包含观测历元、C/A码伪距、载波相位、积分多普勒计数、信噪比等信息。,六、GPS控制网平差,星历参数文件 包含被测卫星的轨道信息，据此可以计算任意观测时刻的卫星轨道位置信息。电离层参数和UTC参数文件 电离层参数可用于改正观测值的电离层影响，UTC参数文件将GPS时间转换为UTC时间；测站信息文件 包含测站信息和观测信息，如测站名、概略坐标、天线高、观测起止时间等信息。,六、GPS控制网平差,2、GPS测量数据的预处理,目的 对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差删除无效无用数据；统一数据格式，将不同接收机的数据转换为彼此兼容的 数据格式；GPS卫星轨道方程的标准化，用多项式拟合星历数据；探测并修复周跳；对观测值进行各种模型改正，如电离层改正等；,六、GPS控制网平差,2、GPS测量数据的预处理,内容 GPS卫星轨道方程的标准化 卫星时钟多项式的拟合和标准化 初始整周模糊度的预计和整周跳变的发现与修复 观测值文件的标准化 记录格式、记录类型、记录项目的标准化 采样密度标准化 数据单位标准化目前，GPS观测文件标准化尚无统一标准，不同处理软件提供不同技术标准。,六、GPS控制网平差,3、基线向量解算和网平差,将载波相位观测值进行线性组合，以双差值作为观测值，组成误差方程 根据误差方程求出法方程，进行基线平差解算；解算以基线的坐标差为未知参数进行解算；将解算得到的WGS84坐标，通过公共点坐标转换，归算到国家或地方坐标系内。,六、GPS控制网平差,七、GPS测量技术总结,1、技术总结 项目名称、测量目的、施测单位、作业时间和人员情况 测区范围、位置、地理和人文条件、交通、气象等 测区已有测量资料的检核、使用情况 坐标系统与起算数据的选定，作业依据和测量精度要求 GPS接收机的类型、数量和技术参数、仪器检验情况 选点埋石的情况、点之记等 观测情况、补测和重测情况 观测数据质量分析和野外检核 数据处理方法、平差软件和精度分析 成果相关问题说明和附表,2、成果验收 测量方案是否符合规定和技术设计要求 补测、重测和数据剔除是否合理 数据处理软件是否符合要求，处理项目是否齐全，起 算数据是否正确；各项技术指标是否达到要求 验收报告的质量评定,七、GPS测量技术总结,3、上交资料 测量任务书和技术设计 GPS网展点图 GPS控制点的点之记、测站环视图 卫星可见性图、预报表和观测计划 原始数据文件、观测手薄和相关记录 外业观测数据的质量评价和外业检核资料 数据处理资料和成果表 技术总结和成果验收报告,七、GPS测量技术总结,八、GPS平面坐标转换,1、GPS定位成果至国家/地方参考椭球的二维转换,GPS定位成果是三维的基线向量，它又构成GPS基线网。,二维转换的目的 将三维GPS基线向量网投影到国家大地坐标系或地方独立坐标系，使二者之间相互兼容。,二维转换的要点 使两个坐标系之间的原点重合，起始方位一致，通过尺度的缩放使边长和坐标一致。简单的讲，就是七参数坐标转换：三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度因子。,1、GPS定位成果至国家/地方参考椭球的二维转换,GPS三维基线向量网的平移变换 设原点在国家大地坐标系和WGS84下的坐标为(X0,Y0,Z0)和(X0,Y0,Z0),则两个坐标系之间的平移参数:X=X0-X0 Y=Y0-Y0 Z=Z0-Z0然后根据三个平移量将两个坐标系原点平移到重合位置.,八、GPS平面坐标转换,GPS网在国家大地坐标系内的二维投影变换,利用克里斯托夫第一类微分方程可得:,由于dB0=0,dL0=0并忽略尺度差异(dS/S=0),则方位角差异:dA0=A0-A0则克里斯托夫第一类微分方程可简化为:,八、GPS平面坐标转换,GPS网投影变换到地方独立坐标系,地方参考椭球可以认为与国家椭球只存在长半径的差异,则引入测区平均高程面带来的大地经纬度微小变化:,其中为国家参考椭球长半径,e为第一偏心率:,则GPS点在地方参考椭球上的坐标:,八、GPS平面坐标转换,1、GPS定位成果至国家/地方参考椭球的三维转换,三维转换就是使GPS网在原点和空间起始方位上完全重合,其平移变换和二维网平移变换一致.,GPS网的旋转和变换,三维转换公式为:,其中:,八、GPS平面坐标转换,GPS网的旋转和变换,其中:,其中、分别为两个坐标系下起始方向上的方位角和高度角。,八、GPS平面坐标转换,（一）高程系统,九、GPS高程拟合,1、大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。,（一）高程系统,2、正高系统 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。3、正常高 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Hr表示。,九、GPS高程拟合,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。似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为。,大地高与正高之间的关系可以表示为：,大地高与正常高之间的关系可以表示为：,4、高程系统之间的转换关系,九、GPS高程拟合,（二）GPS高程转换,1、地球重力场模型直接求高程异常,高程异常的求取 根据重力场长波分量、已知点大地数准面高差、球谐函数表达式、地面重力测量结果。,高程异常的精度 取决于重力场的精度、重力测量的密度和精度、内插求重力的高程精度。,应用 对于水准测量困难地区重力测量方法比较可靠，可以达到厘米级的精度，但其对重力测量要求较高，一般无法满足工程要求。,九、GPS高程拟合,2、数学模型拟合法,基本原理 通过水准联测求得若干GPS点的正常高高程，则可以得到这些点的高程异常，然后通过数学内插的方法求出GPS网中任意一点的高程异常，从而求出GPS点的正常高。,数学模型 加权平均法、多面函数法、曲面拟合法,GPS高程转换的其他方法：数学模型抗差估计法 数学模型优化方法 神经网络方法,九、GPS高程拟合,（三）曲线高程拟合法,零次多项式：,一次多项式：,二次多项式：,其中：n为GPS网的点数，,1、基本原理 利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。,2、高程异常多项式,九、GPS高程拟合,利用公共点的大地高和正常高计算出该点上的高程异常，存在一个这样的公共点，就可以依据上式列出一个方程：,3、二次多项式的计算,九、GPS高程拟合,通过最小二乘法可以求解出多项式的系数：,P为权阵，它可以根据水准高程和GPS所测得的大地高的精度来加以确定。,误差方程中：,从而组成误差方程：,九、GPS高程拟合,从而可以得到高程异常的表达式：,将GPS点的坐标带入上述公式，即可得到任意点的高程异常。,适用范围 多项式拟合是一种纯几何方法，仅适用于高程异常变化较为平缓的地区，其拟合的准确度可达到毫米级。对于高程异常变化剧烈的地区，高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。,4、注意事项,九、GPS高程拟合,选择合适的高程异常已知点 已知点的高程异常值通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中，一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现，为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点，它们应均匀分布，并且最好能够将整个GPS网包围起来。,高程异常已知点的数量 若要用零次多项式进行高程拟合时，要确定1个参数，即需要1个以上的已知点；一次多项式要确定3个参数，即需要3个以上的已知点；二次多项式要确定6个参数，则需要6个以上的已知点。,九、GPS高程拟合,分区拟合法 拟合区域较大时可将GPS网划分为若干区域，利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值，从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图，拟合分两个区域进行，以虚线为界，位于虚线上的已知点两个区域都采用。,九、GPS高程拟合,祝同学们身体健康、学业有成！,谢 谢！,
