GPS控制网建网与数据处理实践.ppt

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1、GPS定位技术与方法第九章 控制网建网与数据处理实践,GPS测量的实施,前面介绍了有关GPS定位的基本概念和原理，本章将介绍目前GPS测量实施的主要过程，作业的基本方法和原则。由于GPS测量工作的实施方法与用户的要求，和所用接收系统硬件与软件的发展水平密切相关，所以，关于GPS测量工作的作业细节，用户还须按国家有关部门颁发的GPS测量规范，以及所用GPS接收系统的操作说明书执行。,第1节 概 述,GPS测量工作可分为外业作业和内业两大部分。其中，外业工作主要包括，选点（即观测站址的选择）、建立测站标志、野外观测作业以及成果质量检核等工作；内业工作主要包括，GPS测量的技术设计、测后数据处理以及

2、技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。,为了满足用户的要求，GPS测量作业，应遵守统一的规范和细则。但是，测量工作的实施，与GPS定位技术的发展水平密切相关，GPS接收系统硬件与软件的不断改善，将直接影响测量工作的实施方法、观测时间、作业的要求和成果处理方法。这里我们将以这些规范为参考，主要介绍一下有关GPS测量作业的基本方法和原则。考虑到，以载波相位观测量为根据的相对定位法，是当前GPS测量中普遍采用的精密定位方法，所以，下面将主要介绍实施这种高精度GPS测量工作的基本程序与作业模式。,概 述,第2节

3、GPS网的优化设计,GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面，实现用户要求的重要环节。主要内容包括，精度指标的合理确定，网的图形设计和网的基准设计。,2.1精度标准的确定,对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标，通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示，其形式为 其中，网中相邻点间的距离误差(mm)；a0与接收设备有关的常量误差(mm);b0比例误差(ppm或10-6)；D相邻点间的距离(km)。,GPS相对定位的精度指标,精度指标，是GPS网优化设计的一个重要量，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划、观测数

4、据的处理方法以及作业的时间和经费。所以，在实际设计工作中，要根据用户的实际需要和可能，慎重确定。,GPS相对定位的精度指标,2.2 网的图形设计,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。,设计的一般原则,GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合GPS网点应考虑与水准点相重合GPS网点一般设在视野开阔和交通便利的地方。为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网

5、点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。方位点与观测站的距离，一般应大于300m。,基本图形的选择,根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边，应构成一定的几何图形。,三角形网 环形网,三角形网,GPS网中的三角形边由独立观测边组成。根据经典测量的经验已知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效地发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。同时，经平差后网中的相邻点间基线向量的精度分布均匀。这种网形的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长。因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高时，才单独采用这种图形。,闭合环中基线边数的限值 表3,由若

6、干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。这种网形与经典测量中的导线网相似，其图形的结构强度比三角网为差。不难理解，由于这时网的自检能力和可靠性，与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，根据网的不同精度要求，一般都规定闭合环中包含的基线边，不超过一定的数量。,三角形网,环形网的优点是观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性，其缺点主要是，非直接观测的基线边（或间接边）精度比直接观测边低，相邻点间的基本精度分布不均匀。作为环形网的特例，在实际工作中还可按照网的用途和实际情况，采用所谓附合线路。这种附合线与经典测量中的附合导线相类似。采用这种图形的条件是，附合线路两端点间的已知基线向量，

7、必须具有较高的精度，另外，附合线路所包含的基线边数，也不能超过一定的限制。三角形网和环形网，是大地测量和精密工程测量中普遍采用的两种基本图形。通常，根据情况往往采用上述两种图形的混合网形。,三角形网,星形网,星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力差。主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。因此在快速静态定位和准动态定位等快速作业模式中，大都采用这种网形，它被广泛地应用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。,星形网,独立基线向量的选择,GPS控制网一般应由独立观测的基线向量构成。假设，在GPS测量中，参加同步观测的仪器数为k

8、1，则每一观测时段可得基线向量(或称基线)数为 其中包括的独立基线向量数为(k1-1)。其余均为非独立基线向量，可由独立基线向量导出，其数量为。,然而，在（ki-1）ki/2同步观测的基线中，如何选择(ki-1)条独立基线，却具有一定的任意性。例如，在上例中，3条独立基线的选择方式，可有图-4所示多种形式。参加同步观测的仪器越多，选取独立基线向量的可能方式便迅速增加。这就为选用独立基线向量，以构成最佳的GPS网形，提供了充分的选择性。在实际工作中，可根据对GPS网的要求和经验来确定。,独立基线向量的选择,当具有多时段的观测成果时，独立基线向量的选取，一般应以构成闭合图形为优。例如，用4台仪器进

9、行了2个时段的同步观测，这时可得6条独立基线向量，其选取的基本方式，可取以下五种。,独立基线向量的可能选取方式,独立基线向量的选取方式示例(两时段),双时段观测的基线向量,单时段观测的基线向量,(a)(b)(c)(d)(e),图中选取方式（e），在精确性与可靠性方面，均优于其余选取方式,独立基线向量的可能选取方式,2.3 网的基准设计,网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。在GPS网的优化设计中，应当根据网的用途，提出确定网的基准的方法和原则。在GPS网整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量（如基线向量）和绝对观测量（如点在WGS-84

10、中的坐标值）。在仅含有相对观测量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中作为相关观测量的基线向量唯一地确定；而网的位置基准，则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在GPS网包含点的坐标观测量的情况下，网的位置基准，将取决于这些网点的坐标值及其精度。GPS网的基准设计是指确定网的位置基准问题。,位置基准选取方法,选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确定网的位置基准；在网中选若干点的坐标值并加以固定；选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。前两种方法，对GPS网定位的约束条件最少，所以，通常称为最小约束法；而后

11、两种方法，对平差计算则存在若干约束条件，其约束条件的多少，取决于在网中所选点的数量，这种方法，通常称为约束法。,约束平差法，在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，其影响程度，与约束条件的多少，及所取观测值的精度有关。当网中已知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响。虽然从理论上说，在网的平差计算中，给所有的已知位置以适当的权的比例关系，则是一个需要慎重考虑的问题。所以，一般只有对于一个大范围的GPS网，而且要求精确地位于WGS-84协议地球坐标系时，或者具有一组分布适宜的，高精度的已知点时，为改善GPS网的定向和尺度，约束平差

12、法才具有重要意义。在一般情况下，对于一些区域性的GPS网，如城市、矿山和工程GPS网，其是否精确位于地心坐标系统，并不特别重要，因此，这时多采用最小约束平差法。而且，为了与经典地面网相联合，通常以采用固定一点的经典自由网平差法为宜。,位置基准选取方法,第3节 选点与建立标志,3.1 选点工作 选点，即观测站址的选择。由于GPS测量观测站之间不要相互通视，而且网的图形选择也比较灵活，所以选点工作，远较经典控制测量的选点工作简便。但由于点位的选择，对于保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果，具有重要意义，所以，在选点工作开始之前，应充分收集和了解有关测区的地理情况，以及原有测量标志点的分布及保

13、存情况，以便确定适宜的观测站位置。,选点工作原则,观测站（即接收天线安置点）应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离，一般不得小于200m；观测站附近不应有大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角，根据情况一般应小于1015；,选点工作原则,观测站应选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；对于基线较长的GPS网，还应考虑观测站附近，应具有良好的通信设施（电话与电报、邮电）和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电；点

14、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。,3.2 建立点位标志,为了保持点位，以便长期利用GPS测量进行重复观测，GPS网点，一般应设置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。尤其对于研究地球动力学现象和工程变形。而建立的各种监测网，以及大范围的高精度GPS网，其网点的位置，必须可靠地加以标志。对于城市、矿山和工程测量的区域性GPS网，其点位一般也须妥善地加以标志。,标石类型,第4节 G

15、PS测量的观测工作,观测工作的内容主要包括：观测计划的拟定仪器的选择与检验观测工作的实施等其中，有关仪器的检验，将在5节另行介绍。,4.1 观测计划的拟定,观测工作，或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开始之前，仔细地拟定观测计划，对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度，提高效益是极为重要的。拟定观测计划的依据是：GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件（运输、通信）等。观测计划的主要内容应包括：GPS卫星的可见性图及最佳观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度计划等。

16、,1.观测工作量的设计与计算,外业观测的工作量，与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量，以及作业模式等因素有关。GPS网观测工作量的设计，除要考虑观测工作的效率外，还必须保证网的精度和可靠性。当参加作业的接收机数为ki，则每一时段可得观测基线向量数为 ki(ki-1)/2其中包括独立观测向量数(ki-1)和多余观测向量数（ki-1）(ki-2)/2。因为增加多余观测量，会提高网的可靠性，所以，作业中适当增加接收机的数量，不仅会提高工作效率，同时也将明显地增加多余观测量。,GPS测量的基本技术规定,基本技术规定,假设，np为GPS网的点数nT为相对定位的观测时段数，则在采用边连接方式推进时，所

17、需观测时段的总数NT，可按下式估算：,2.关于分区观测,当GPS网的点数较多，而参加同步观测的接收机数量有限时，网的观测工作需分区进行。当实行分区观测时，为了增加网的整体性，提高网的精度，相邻分区应设置公共点数，又会延缓测量工作的进程，这在实际工作中，应根据网的用途慎重考虑。一般公共点的数量不得少于3个。公共点数过少，将使网的整体性变差，影响网的精度。而增加公共点，又会延缓测量工作的进程。,关于卫星的可见性预报及观测时段的选择,因为观测卫星的几何分布，对GPS定位的精度具有重要影响，所以，为了选择最佳的观测时段，拟定观测计划，应首先编制如GPS卫星数和PDOP变化图。编制可见性图所用的测站概略

18、坐标，可取该图适用范围（300km）内，各点概略坐标的平均值，而编制可见性图所用的概略星历，其龄期也不能过长，一般不应超过30天，超过时应重新观测一组新的概略星历。,GPS 测量计划,在GPS测量中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度可取空间位置精度度因子（PDOP）来表示。无论是绝对定位或相对定位。基值均不应超过一定的要求。相应表1所列的精度级别，PDOP值应不超过限制。PDOP的限制,4.观测进程及调度计划,最佳观测时间确定后，在观测工作开始之前，须拟定观测工作的进程表及接收机的高度计划。尤其当GPS网规模较大，参加作业的仪器较多时，仔细地拟定和选择这些计划的优化方案，对于顺利地实现

19、预定的观测任务极为重要。观测工作的进程计划，涉及到网的规模、精度要求、作业的接收机数量和后勤保障条件等，在实际工作中，应根据最优化的原则合理拟定。,4.2 GPS测量仪器设备的配置,GPS接收机是实施测量工作的关键设备，其性能要求所需的接收机数量与GPS网的布设方案和要求的精度有关GPS接收机的配置,GPS接收机的配置 续表,GPS测量仪器设备的配置,4.3 观测工作,天线安置观测作业观测记录观测数据的质量判定等。,第5 节 GPS接收设备的检验,5.1检验的主要内容一般检视通电检验试测检验随机数据后处理软件的检测,5.2 GPS接收机的检验内容与方法,接收机内部噪声水平的检验零基线检验法超短

20、基线检验法天线相位中心稳定性的检验旋转天线法相对定位法,关于GPS测量系统的野外检定场,检定场的建立主要原则：为了满足用户对不同测程和不同检验内容的要求，检定场通常应由超短边（5m10m），短边（500km)构成。检定场不同长度的基线，应分别构成闭合图形（如三角形或大地四边形），以便进行图形条件检验，提高检定的可靠性；检定场应位于地质结构坚固、稳定的地区，以利长期保存；检定场的点位选择，除应满足GPS测量选点的一般要求外，尤应注意设在交通方便，通信与电力供应条件良好，视野（对空）开阔的地区，以方便使用；,第6节 GPS测量的作业模式,所谓GPS测量的作业模式，亦即利用GPS定位技术，确定观测站

21、之间相对位置所采用的作业方式。它与GPS接收设备的软件和硬件密切相关。同时，不同的作业模式，因作业方法和观测时间的不同，而具有不同的应用范围。较为普遍采用的作业模式，主要有静态相对定位、快速静态相对定位、准动态相对定位和动态相对定位等。,1 经典静态相对定位模式,2 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 准动态相对定位模式,定位精度：基准测量的中误差可达(1020)mm+1ppm*D。特点：该作业模式效率甚高。在作业过程中，即使偶然发生失锁，只要在失锁的流动点上，延长观测数分钟，仍可继续按该模式作业。,基准站,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,12,13,1 1

22、,6.4 动态相对定位模式,定位精度：运动点相对基准之基线测量精度，可达(1-2)cm+1ppmD.特点:速度快，精度高，可实现载体的连续实时定位。,基准站,9,1,2,3,4,11,7,8,6,5,10,12,实时动态测量系统及其应用,实时动态(Real Time KinematicRTK)测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合，而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。,1 实时动态测量的基本思想,在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，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

23、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。,实时动态（RTK）测量系统的设备配置,RTK测量系统的构成,主要包括三部分：GPS接收设备数据传输系统支持实时动态测量的软件系统,实时动态（RTK）测量系统,实时相对定位(RTK或RTDGPS)示意,T2,T1,实时动态（RTK）测量,3 实时动态（RTK）测量的作业模式与应用,快速静态测量准动态测量动态测量,第8节 观测成果的外业检核,观测成果的外业检核，是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节，所以，当观测任务结束后，必须在测区，及时对外业的观测数据质量进行检核

24、和评价，以便及时发现不合格的成果，并根据情况采取淘汰或重测、补测措施。,外业成果检核的主要内容1.,同步边观测数据的检核观测数据的剔除率观测值的残差分析计算同步边平差值的中误差和相对中误差重复观测边的检核 独立边构成的环闭合差检核同步环闭合差的检验,观测数据的测后处理过程,GPS测量数据的测后处理，一般均可借助相应的后处理软件自动地完成。随着定位技术的迅速发展，GPS测量数据后处理软件的功能和自动化程度，将不断增强和提高，所采用的模型也将不断改进。对观测数据进行后处理的基本过程，大体分为：预处理平差计算坐标系统的转换，或与已有地面网的联合平差,观测数据的测后处理,1 观测数据的预处理,数据传输

25、数据分流观测数据的平滑、滤波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各项必要的改正。,2 平差计算,同步观测的基线向量平差。即同一基线边，多历元同步观测值的平差计算。在同一测区中，同类精度的数据处理，应采用相同的方法和相同的模型。由此所得到的平差结果，为基线向量（坐标差）及其相应的方差与协方差。GPS网平差。利用上述基线向量的平差结果，作为相关观测量，进行网的整体平差。整体平差应在WGS-84坐标系统中进行，平差的结果，一般是网点的空间直角坐标，大地坐标和高斯平面坐标，以及相应的方差与协方差。,坐标系统的转换，或与地面网的联合平差。在城市、矿山等区域性的测量工作

26、中，往往需要将GPS测量结果，化算到用户所采用的区域性坐标系统。因此，上述GPS网，在WGS-84坐标系统中的平差结果，尚需按用户的要求，进行坐标系统的转换，或者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平差。,平差计算,输出打印的资料,测区和各观测站的基本情况参加平差计算的观测值数量、质量、观测时段的起止时刻和延续时间平差计算采用的坐标系统，基本常数和起算数据平差计算的方法及所采取的先验方差与协方差GPS网整体平差结果GPS网与已有经典地面网的联合平差结果平差值的精度信息,3 技术总结与上交资料,关于技术总结其内容要点如下：项目名称，任务来源，施

27、测目的与精度要求；测区范围与位置、自然地理条件、气候特点、交通及电信、电源情况；测区已有测量标志情况；施测单位，作业时间，技术依据及作业人员情况；接收设备的类型、数量和检验情况；,选点与埋石情况，观测环境评价及与原有测量标志的重合情况；观测实施情况，观测时段选择，补测与重测情况及作业中发生与存在的问题说明；观测数据质量的检核情况，起算数据，数据处理的内容、方法及所采用的软件情况；工作量与定额计算；成果中尚在的问题与必须说明的其它问题；必要的附表与附图。,技术总结与上交资料,上交资料,测量任务书与技术设计；GPS网展点图；观测站的点之记，环视图；卫星可见性图，精度因子PDOP（或GDOP）预报表及观测计划；外业观测记录，测量手簿及其它记录（如归心元素）；接收设备及气象仪器等的检验资料；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；技术总结与成果验收报告。,