GPS控制网的设计与外业工作.ppt

,GO,GO,GO,GO,GO,5.1 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,一、GPS网技术设计的依据,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,1、GPS测量规范（规程）：主要指国家、城市以及行业标准。（1）全球定位系统（GPS）测量规范（2）全球定位系统城市测量技术规程（3）各行业部门的其他GPS测量规程或细则 2、测量任务书：上级或甲方下达的技术要求文件。对网布 设的范围、目的、精度和密度、提交成果资料 的项目和时间、完成任务的经济指标等提出具 体要求。网的设计既要符合有关标准又要满足任务 要求。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,二、GPS网的构网特点,1、GPS网图形构成的几个基本概念观测时段：测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段。同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。同步观测环：三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环。异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只要有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观测环。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,独立基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。独立观测环：由独立观测所获得的基线向量所构成的闭合环。非独立基线：除独立基线外的其他基线，总基线数与独立基线数之差即为非独立基线数。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,2、GPS网同步图形构成及独立边的选择,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,对于N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数：,其中，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N3时，同步闭合环的最少个数应为：,表5-1 N与J、T关系表,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,三、GPS网的构网方式（同步图形的连接方式）,（1）点连式：如图5-1，相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。,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。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,相邻同步图形有一条公共基线。图中13个定位点，12个观测时段，9条重复边，3个异步环。最少同步观测图形11个，总基线为33条，独立基线22条，多余基线数10条。工程测量、大地测量一般用这种GPS网形布设。,（2）边连式：如图，同步图形之间由一条公共基线连接。,优点：作业效率较高，图形强度较强。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,（3）边点混合连接式：,如图，13个定位点，基线总数为30，共观测了10个同步环，20条独立基线，必要基线数为12，多余基线数观测为8，两个异步环，重复基线数为6。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,（4）网连式：指相临图形之间有两个以上的公共点接，这种方法需4台以上的接收机。它的几何强度和可靠性指标相当高，但花费的经费和时间较多。一般仅用于高精度的大地控制测量、精密工程测量。,优点：图形强度最强。缺点：作业效率低。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,特点：由于不构成任何闭合图形，所以抗粗差能力特别差，精度较低。一般用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等一些精度要求较低的测量中。,（5）星形网：这种作业形式只需两台接收机，作业简单，常用于快速静态定位和准动态定位中。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,（6）三角锁形连接：适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。,（7）导线网形连接：适用于精度较低的GPS布网。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,三、GPS控制网网形设计的一般原则,（1）GPS网中不应存在自由基线。所谓自由基线是指不构成闭合图形的基线，由于自由基线不具备发现粗差的能力，因而必须避免出现，也就是GPS网一般应通过独立基线构成闭合图形。（2）GPS网中的闭合条件中基线数不可过多。网中各点最好有三条或更多基线分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网中的精度、可靠性较均匀。（3）GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。这样不同接收机数测量构成的网之精度和可靠性指标比较接近。（4）为了实现GPS网与地面网之间的坐标转换GPS网至少应与地面网有2个重合点。研究和实践表明，应有3-5个精度较高、分布均匀的地面点作为GPS网的一部分，以便GPS成果较好地转换至地面网中。同时，还应与相当数量的地面水准点重合，以提供大地水准面的研究资料，实现GPS大地高向正常高的转换。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的构网特点与网形设计一般原则,5.2 GPS控制网的优化设计,GPS控制网的精度设计GPS控制网的可靠性设计,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,一、GPS测量的特点,点间无需通视；网的精度不受网点所构成的几何图形的影响；具备必要的起算数据；GPS网中的基线向量均含有长度和方位观测量，不存在误差传递与累积问题。,二、GPS网基准的优化设计,GPS网基准的优化设计；GPS网图形结构强度的优化设计，包括：网的精度设计、网发现系统差能力的强度设计、网的抗粗差能力的可靠设计。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,三、基准设计,通过GPS控制网获得是基线向量，属于WGS84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。所以首先要明确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控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,1、GPS网位置基准的优化设计,GPS网平差是以基线向量为观测值的，基线向量精度的高低最终决定了GPS网中各点点位精度的好坏。而GPS基线向量的解算又以基线一端点为已知点（实际往往未知），该点位置精度的高低直接影响基线向量误差大小。起始点坐标偏差对基线向量的影响与测站和卫星间方向余弦有关,起始点坐标偏差的方向不同会导致基线向量误差大小也不相同。因此，必须对网的位置基准进行优选设计：若网中点具有较准确的国家坐标系或地方坐标系，可以通过转换参数求得该点的WGS-84坐标，把它作为网的位置基准。若有Doppler点或SLR站，由于其定位精度较GPS伪距单点定位高很多，故可将其联至GPS网中作为一点或多点基准。若网中无任何其他类型已知数据时，可将网中一点多次GPS观测的伪距坐标作为网的位置基准。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,2、GPS网的尺度基准优化设计,尽管GPS观测量本身含有尺度信息，但由于GPS网的尺度含有系统误差，所以还需提供外部尺度基准。提供外部尺度基准：对于边长小于50km的GPS网，可用较高精度的测距仪施测23条基线边，作为整网的尺度基准，对于大型长基线网，可采用SLR站的相对定位观测值和VLBI基线作为GPS网的尺度基准。提供内部基准：当无法提供外部尺度基准时，仍可采用GPS观测值作为GPS网的尺度基准。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,四、精度、密度的设计 1、GPS测量精度标准及分类 分类 各类GPS网的精度设计主要取决于网的途。精度设计时，根据任务要求和具体的服务对象以满足工程要求为前提。工程及城市的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度进行设计，见表5-2、5-3。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,表5-2 GPS测量精度分级,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,用于城市或工程的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照规程中的二、三、四等和一、二级，见表5-3。,表5-3 GPS测量精度分级（二）,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,各等级GPS相邻弦长精度可表示为,式中：GPS基线向量的弦长中误差，既等效距离误差，mm；aGPS接受机标称精度中的固定误差，mm；bGPS接受机标称精度中的比例误差系数，ppm;dGPS网中相临点的距离，km;,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,2、GPS点的密度标准 各种不同的任务要求和服务对象，对GPS点的分布要求（即密度）也不同。见表5-4。,表5-4 GPS网中相邻点间距 单位：km,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,3、GPS网精度设计 精度描述误差分布离散程度的一种度量。常用方差或均方根误差描述。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,GPS控制网精度的总体标准,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,GPS控制网点位误差,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,五、GPS网精度设计实例 对GPS进行网形设计，必须考虑精度要求，GPS网精度设计可按如下步骤进行：（1）首先根据布网目的，在图上选点，然后到野外踏勘选点，以保证所选点满足控制测量任务要求和野外观测应具备的条件，进而在图上获得要施测点位的概略坐标；（2）根据接收机台数，选取（m-1）条独立基线设计网的观测图形，并选定网中可能追加施测的基线数；（3）根据控制测量的精度要求，采用解析模拟法，依据精度设计模型，计算网可达到的精度情况；（4）逐步增减网中独立观测基线，直至精度达到网的精度指标，并获得最终网形及施测方案。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,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。最小异步环边数不大于6。适当引入高精度电磁波测距边。若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围起来。适当延长观测时间，增加观测时段。选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。,提高精度的原则,GPS控制网的设计与外业工作 GPS控制网的优化设计,5.3 GPS网的可靠性设计,可靠性的概念是研究模型误差(主要是指粗差和系统误差)而提出来的。用来描述控制网本身发现某一模型误差的能力的指标称为网的内可靠性。控制网抵抗某一模型误差影响的能力的指标称为外可靠性。GPS控制网的可靠性取决于网的图形结构和基线向量的权阵，而不是取决于观测本身。因此，可根据GPS网的特点，在网的设计阶段考虑网的可靠性，以发现尽可能小的粗差和减少不可发现的粗差对网的坐标未知参数的影响。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的可靠性设计,一、多余观测,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的可靠性设计,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的可靠性设计,增加观测期数（增加独立基线数）。保证一定的重复设站次数。保证每点与三条以上的独立基线相连。最小异步环边数不大于6。,二、提高可靠性的原则,GPS控制网的设计与外业工作 GPS网的可靠性设计,5.4 GPS测量的外业工作,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,一、选点,选点工作应遵守以下原则：1.点位应设在易于安装接收设备。视野开阔的较高点上。2点位目标要显著，视场周围15以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或障碍物吸收。3点位应远离在功率无线电发射源（如电视机、微波炉等）其距离不少于200m；远离高压输电线，其距离不得少于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰。4点位附近不应有在面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。5点位应选在交通方便，有利于其它观测手段扩展与联测的地方。6地面基础稳定，易于点的保存。7选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,8网形应有利于同步观测边、点联结。9当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线，提出有关建议。10当利用旧点时，应对旧点的稳定性、完好性，以及觇标是否安全可用作一检查，符合要求方可利用。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,GPS网点一般应埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。在基岩露头地区，也可以直接在基岩上嵌入金属标志。每个点标石埋设结束后，应按下表填写点之记并提交以下资料：,1.点之记；2.GPS网的选取点网图；3.土地占用批准文件与测量标志委托保管书；4.选点与埋石工作技术总结。,二、埋石,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,GPS点点之记日期：年月日 记录者：绘图者：校对者：,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,各级GPS测量作业的基本技术要求,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,三、天线的安置,在正常点位，天线应架设在三脚架上，并安置在标志中心的上方直接对中，天线基座上的圆水准气泡必须整平。,特殊点位，当天线需要安置在三角点觇标的观测台或回光台上时应先将觇顶拆除，防止对GPS信号的遮挡。天线的定向标志应指向正北，并顾及当地磁偏角的影响，以减弱相位中心偏差的影响。天线定向误差依定位精度不同而异，一般不应超过35。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,刮风天气安置天线时，应将天线进行三向固定，以防倒地碰坏。雷雨天气安置时，应该注意将其底盘接地，以防雷击天线。,架设天线不宜过低，一般应距地1m以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔120的三个方向分别量取天线高，三次测量结果之差不应超过3mm，取其三次结果的平均值记入测量手薄中，天线高记录取值0.001m。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,测量气象参数：在高精度GPS测量中，要求测定气象元素。每时段气象观测应不少于3次（时段开始、中间、结束。）气压读至0.1mbar，气温读至0.1C，对一般城市及工程测量只记录天气状况。复查点名并记入测量手薄中，将天线电缆与仪器进行联接，经检查无误后，方能通电启动仪器。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,四、开机观测,观测作业的主要目的是捕获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。天线安置完成后，在离开天线适当位置的地面上安放GPS接收机，接通接收机与电源、天线、控制器的联接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。,通常来说，在外业观测工作中，仪器操作人员应注意以下事项：当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机。开机后接收机有关指示显示正常并通过自测后，方能输入有关测站和时段控制信息。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭又重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角；改变天线位置；改变数据采样间隔；按动关闭文件和删除文件等功能键。每一观测时段中，气象元素一般应在始、中、末各观测记录一次，当时段较长时可适当增加观测次数。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,在观测过程中要特别注意供电情况，除在出测前认真检查电池容量是否充足外，作业中观测人员不要远离接收机，听到仪器的低电报警要及时予以处理，否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失。对观测时段较长的观测工作，建议尽量采用太阳能电池或汽车瓶进行供电。仪器高一定要按规定始、末各测一次，并及时输入及记入测量手薄之中。接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，且记录与资料完整无误后方可迁站。观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,五、观测记录,观测记录 观测记录由GPS接收机自动进行，均记录在存储介质（如硬盘、硬卡或记忆卡等）上，其主要内容有：,同一历元的测码伪距观测值；,测站控制信息及接收机工作状态信息。,载波相位观测值及相应的观测历元；,GPS卫星星历及卫星钟差参数；,实时绝对定位结果；,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,测量手薄 测量手薄是在接收机启动前及观测过程中，由观测者随时填写的。其记录格式在现行规范和规程中略有差别，视具体工作内容选择。为便于使用，这里列出规程中城市与工程GPS网观测记录格式供参考。备注栏应记载观测过程中发生的重要问题，问题出现的时间及其处理方式等。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,观测记录和测量手薄都是GPS精密定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手薄编号等。接收机内存数据文件在转录到外存介质上时，不得进行任何剔除或删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,六、相对定位作业模式,根据定位时采用的接收机硬件和软件及作业的时间等不同，相对定位被分为：（1）静态相对定位（2）快速静态相对定位（3）准动态相对定位（4）动态相对定位,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,（1）静态相对定位,1作业方式：采用两台（或两台以上）接收设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2个小时或更多。作业布置如下图所示。,2精度：基线的相对定位精度可达5mm+1ppmD，D为基线长度（km）。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,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、钻井定位及精密工程控制网建立等。,4注意事项：所有已观测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。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,（2）快速静态相对定位,2精度：流动站相对于基准站的基线中误差为5mm1ppmD。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。,1作业方法：在测区中部选择一个基准站，并安置一台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，每点观测数分钟。,这种定位模式与静态相对定位方法基本相同，差别仅仅是同步观测的时间缩短。采用双频只需要510min；采用单频则需15min左右。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,4注意事项：在测量时段内应确保有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。,5优缺点优点：作业速度快、精度高、能耗低；缺点：二台接收机工作时，构不成闭合图形，可靠性差。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,（3）准动态相对定位,2精度：基线的中误差约为12cm。,1作业方法：在测区选择一个基准点，安置接收机工连续跟踪所有可见卫星；将另一台流动接收机先置于1号站观测，采用某种方式快速确定整周未知数；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。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,3应用范围：开阔地区的加密控制测量、工程测量及碎部测量及线路测量等。,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20 km；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。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,上述测量模式由于没有与数据传输系统（电台、GSM网络、GPRS等）相结合，其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。由于观测数据是在测后进行处理，因而其无法实时给出观测站的定位结果，而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量进行实时地检核，因而难以避免在数据后处理中发现不合格的测量成果，需要进行返工重测的情况。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,（4）动态相对定位,实时动态测量的基本思想是：在基线上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地测量，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,七、GPS接收机的检验,（1）一般性检视a)GPS接收机及天线的外观应良好，型号应正确；b)各种部件及其附件应匹配、齐全和完好；c)需紧固的部件应不得松动和脱落；d)设备使用手册和后处理软件操作手册及磁(光)盘应齐全。（2）通电检视a)有关信号灯工作应正常;b)按键和显示系统工作应正常;c)利用自测试命令进行测试;d)检验接收机锁定卫星时间的快慢，接收信号强弱及信号失锁情况。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,实测检验前，还应检验：a)天线或基座圆水准器和光学对中器是否正确；b)天线高量尺是否完好，尺长精度是否正确；c)数据传录设备及软件是否齐全，数据传输性能是否完好；d)通过实例计算，测试和评估数据后处理软件。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,（3）实测检验零基线检验接收机内部噪声水平 理论上三组值应该完全相等，但由于各种误差的影响，其实不等，所以不能说明接收机的问题。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,需满足：,检验方法：功率分配器,理论上：,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,天线相位中心稳定性检验,该项检验可在标准基线、比较基线或GPS检测场上进行。检测时可以将GPS接收机带天线两两配对，置于基线的两端点。按上述方法在与该基线垂直的基线中（不具备此条件，可将一个接收机天线固定指北，其它接收机天线绕轴顺时针转动90，180，270）进行同样观察。观测结束，用随机软件解算各时段三维坐标。计算各时段坐标差和基线长。其误差不应超过仪器标称精度的两倍固定误差，否则应送长返修或降低级别使用。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,GPS接收机精度指标测试,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,八、GPS卫星预报星历与观测调度计划,1拟定观测计划的主要依据：（1）GPS网的规模大小；（3）GPS卫星星座几何图形强度；（4）参加作业的接收机数量；（5）交通、通讯及后勤保障。,2观测计划的主要内容：编制GPS卫星的可见性预报图；选择卫星的几何图形强度；选择最佳观测时断；观测区域的设计与划分；编排作业调度表；,GPS控制网的设计与外业工作 GPS测量的外业工作,5.5 GPS基线向量解算,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,一、基线解算的基本原理,GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的，常规测量中的基线只有长度属性，而GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。GPS基线向量是GPS同步观测的直接结果，也是进行GPS网平差，获取最终点位的观测值。（1）观测值 基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,（2）基线解算（平差）基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。此时所解求出的整周未知数为实数。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,二、GPS基线解算的分类,1、单基线解算（1）定义 当有N台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有N（N-1）/2条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的N-1条同步观测基线，至于这 条独立基线如何选取，只要保证所选的独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进行解算。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,（2）特点 单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。,2、多基线解（1）定义 与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。（2）特点 多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,三、数据处理软件及选择 GPS网数据处理分基线解算和网平差两个阶段。各阶段数据处理软件可采用随机软件或经正式鉴定的软件，对于高精度的GPS网成果处理也可选用国际著名的GAMIT/GLOBK、BERNESE、GIPSY、GFZ等软件。,四、基线解算 对于两台级以上接收机同步观测值进行独立基线向量（坐标差）的平差计算叫基线解算。它的基本内容是：数据传输；数据分流；统一数据文件格式；卫星轨道的标准化；探测周跳、修复载波相位观测值；对观测值进行必要改正。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,五、影响GPS基线解算结果因素的判别及应对措施,对于影响GPS基线解算结果因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等；但对于另外一些因素却不好判断了，如起点坐标不准确。,1、基线起点坐标不准确的判别 对于由起点坐标不准确所对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别，因此，在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。,影响GPS基线解算结果因素的判别,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,2、卫星观测时间短的判别 关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了，有些数据处理软件还输出卫星的可见性图，这就更直观了。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,3、周跳太多的判别 对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前，大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。,4、多路径效应严重 对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,应对措施,1、基线起点坐标不准确的应对方法 要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，然后，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,2、卫星观测时间短的应对方法 若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。,3、周跳太多的的应对方法 若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量；若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,4、多路径效应严重 由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此，可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；另外，也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。5、对流层或电离层折射影响过大的应对方法 对于对流层或电离层折射影响过大的问题，可以采用下列方法：提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据。但这种方法，具有一定的盲目性，因为，高度角低的信号，不一定受对流层或电离层的影响就大。分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线精化处理的有力工具残差图,在基线解算时经常要判断影响基线解算结果质量的因素，或需要确定哪颗卫星或哪段时间的观测值质量上有问题，残差图对于完成这些工作非常有用。所谓残差图就是根据观测值的残差绘制的一种图表。,右图是一种常见双差分观测值残差图的形式，它的横轴表示观测时间，纵轴表示观测值的残差，右上角的“SV12-SV15”表示此残差是SV12号卫星与SV15号卫星的差分观测值的残差。正常的残差图一般为残差绕着零轴上下摆动，振幅一般不超过0.1周。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,说明SV25受不明原因的影响,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,此三图说明SV12含有周跳。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,六、基线解算时常需修改的参数,参与数据处理的特定时间段的观测值截止高度角观测值类型星历类型Ratio值限值电离层折射改正对流层折射改正,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,七、基线解算结果的质量评定指标,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线解算结果的质量评定指标,（1）单位权方差因子 定义：,实质：反映观测值的质量，又称为参考方差 因子。越小越好。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线解算结果的质量评定指标,（2）RMS-均方根误差定义：,实质：表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，则越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线解算结果的质量评定指标,（3）RATIO,定义：RATIO值为在采用搜索算法确定整周未知数参数的整数值时，产生次最小的单位权方差与最小的单位权方差的比值。,实质：反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件 的好坏有关。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,（4）RDOP 定义：所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（）的平方根，即：RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲，其RDOP值的大小与观测时间段有关。实质：表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。,基线解算结果的质量评定指标,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线解算结果的质量评定指标,（5）每个时段同步观测数据的检核数据剔除率应小于10%；采用单基线处理模式时，对于采用同一种数学模型的基线解，其同步时段中任一的三边同步环的坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差不得超过下表所列限差。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,（6）重复观测边的检核,基线解算结果的质量评定指标,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,基线解算结果的质量评定指标,（7）同步观测环检核同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差：,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。,基线解算结果的质量评定指标,（8）异步观测环的检核 各独立环的坐标分量闭合差及全长相对闭合差应符合下式：异步环多边形闭合差的大小，是基线向量质量检核的主要指标。如果闭合超限，应及时分析原因，对其中部分成果进行重测。,GPS控制网的设计与外业工作 GPS基线向量解算,