[理学]GPS测量规范1.doc
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1、GPS测绘规范第1章 GPS测绘简介1.1 GPS测绘简介1.2 GPS定位的坐标系统1.3 GPS信号1.4 GPS定位分类第2章 GPS定位方法与测量2.1 PS RTK技术简介2.2 GPS RTK工作原理2.3 RTK技术的特点第3章 测绘具体操作方案3.1 作业人员安排及前期工作3.2 GPS野外实测具体操作3.3 数据后处理3.4 成果输出3.5 技术文挡第4章 误差源分析及其控制4.1 GPS卫星4.2 RTK设备4.3 测量环境4.4 用户专业水平4.5 测量方法(技术设计)第5章 GPS测绘常见问题解析第6章 测绘需注意的问题6.1 坐标转换参数的求解6.2 基准站设置6.3
2、 多测数据多做比对第7章 测绘设备与人员配置第1章 GPS测绘简介1.1 GPS测绘简介GPS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的整个系统由三大部分组成,即空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:空间部分:由24颗GPS工作卫星组成,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星,分布在6个倾角为55度的轨道上绕地球运行。控制部分:GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站
3、又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,它的作用是根据各监控站对公平似的观测数据,计算出卫星的星礼和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,其作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,其作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。用户部分:由GPS接收机、数据处理软件及其相应的用户设备等所组成。它的作用主要是接收GPS卫星所发出来的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。1.2 GPS定位的坐标
4、系统在GPS定位中,通常使用和接触到的是两种大地测量基准及其转换。(1)目前GPS卫星瞬间位置的计算采用了大地坐标系统WGS-84;WGS-84GPS坐标系在地球内部位置和方向的参数为A=6378137(m)F=1/298.25确定地区性坐标系与全球坐标系的大地测量基准差,并进行两坐标系之间的转换,是GPS测量应用中经常遇到的一个重要问题。这两个坐标系统之间的大地基准之差,通常应通过联合处理公共点的坐标来确定。这时,所求大地基准转换参数的精度,既与联合平差中所取的转化模型有关,又与公共点坐标的精度、数量和分布有关。(2)GPS定位的时间系统:GPS时属于原子时系统,其秒长与原子时相同,与国际原
5、子时具有不同的原点,所以GPS时间系统的稳定度达到10E-13S。1.3 GPS信号GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为157542MHz的Ll载波和频率为l22760MHz的L2载波它们的频率分别是基本频率1023MHz的154倍和l2O倍,它们的波长分别为l903cm 和2442cm。在Ll和L2上又分别调制着各种信号,这些信号主要有:1.3.1 CA码CA码又被称为粗捕获码,它被调制在Ll载波上,是lMHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为lms)。由于每颗卫星的C,A码都不一样,因此。我们经常用它们的PRN号来区分它们。CA码是普通用户用以测定测站到卫星间的距
6、离的一种主要的信号。1.3.2 P码和Y码P码又被称为精码它被调制在Ll和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时。P码与w码进行模二相加生成保密的Y码此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。1.3.2 导航信息导航信息被调制在Ll载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置导航信息也被称为广播星历GPS信号结构如图l所示: 图1 GPS信号结构图1.4 GPS定位分类1.4.1 定位采用观测值不同(1)伪距定位:伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测
7、值,所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距,也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单,对定位条件的要求低,不存在整周期模糊度的问题,可以非常容易地实现实时定位;其缺点是观测值精度低,C/A码伪距观测值的精度一般为3米,而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右,从而导致定位成果精度低,另外,若采用精度较高的P码伪距观测值,还存在AS的问题。(2)载波相位定位:载波相位定位所采用的观测值为GPS的再报相位观测值,即L1、L2或它们的某种线形组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高,一般优于2个毫米;其缺点是数据处理过程复杂,存在整周模糊度的问题。1.4.2 参考点的不同位置(1)绝对定位
8、(单点定位):在地球协议坐标系中,确定观测站相对地球质心的位置。(2)相对定位:在地球协议坐标系中,确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。1.4.3 用户接收机作业时所处的状态不同(1)静态定位:在定位过程中,接收机位置静止不动,是固定的。静止状态 只是相对的,在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对周围点位没有发生变化,或变化极其缓慢,以致在观测期内可以忽略。(2)动态定位:在定位过程中,接收机天线处于运动状态。在绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种形式。第2章 GPS的定位方法与测量2.1 GPS RTK技术简介GPS RTK(Real Time Kinematic)
9、技术是载波相位实时动态差分GPS定位技术,GPS RTK技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的载波相位测量为依据的时实动态差分测量技术。2.2 GPS RTK工作原理GPS实时动态(RTK)测量技术,是以载波相位观测量为依据的实时差分GPS测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破,能在野外获取厘米级的点位精度。RTK测量系统由一个基准站和一个或多个流动站组成。基准站主要包括GPS接收机、数据发射电台,流动站主要包括GPS接收机、数据接收电台和手持控制器。RTK测量的基本思想是:在具有已知坐标的基准点上安置基准站接收机,连续接收所有可视GPS卫星信号,并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态
10、及接收机工作状态通过数据链发送出去;流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据。通过OTF(OnTheFly)算法解求载波相位整周模糊度,再通过相对定位模型,实时计算所在点相对基准站的三维坐标和精度指标。使用实时动态GPS测量,在可接收到信号的卫星数足够多时(一般应大于6颗卫星),测量人员只需在完成初始化后,短时间就能完成地物点或界址点坐标测量。GPS RTK测量是在WGS一84坐标系中进行的。而城镇地籍测量是在北京54坐标系或地方坐标系上进行的。要快速完成测量工作,就必须实时进行坐标转换。坐标转换可采用至少3个以上同时拥有WGS-84地心坐标和北京54坐标或本地坐标的已知点,
11、按Bursa模型解求7个转换参数。其数学模型如下(以本地坐标系为例):一式中,是两个坐标系统中的平移参数。 是两个坐标系统的旋转参数。是两个坐标系统的尺度比。在不考虑7个参数中尺度比和旋转参数时,可以现场求定3个平移参数,即令。, 均为0即可。其简化公式为:2.3 RTK技术的优点(1)操作简便,数据处理能力强。常规的水准仪测量、经纬仪测量,要用笔现场记录,并进行现场的限差计算。通常测站一人观测,一人记录。GPS RTK仪器只需一人操作仪器,测量只要设置限差就可以对数据自动地进行取舍和记录。测量结果可以直接导人计算机,操作方便。(2)作业效率高,作业人员少。常规的经纬仪、全站仪等仪器,测量时要
12、经常搬站,完成任务通常需要3、4人一起工作。GPS RTK测量在一般情况下,需一人操作几秒钟就可测的坐标值。在平坦地区,一次可测完半径为357km的测区范围。在山区可设中转站,降低搬站次数,提高工作效率。(3)与传统测量比较,作业条件要求减少。传统测量要求测站点需要相互通视,要求观测条件比较苛刻。GPS RTK受通视条件、能见度、气候、季节等因素影响小,适于全天候作业。(4)作业自动化、集成化程度高、使用范围广。GPS RTK因其独有特点,在控制测量、公路工程测量、地籍测量、矿山测量、地形图测量施工放线测量均可独立完成。(5)定位精度高,数据可靠,没有误差积累。常规测量工作中,作业往往都是连续
13、的,误差一站一站的积累下去。GPS RTK测量是独立设点的,不会有误差积累。测量过程是自动进行,没有人为因素造成的错误,测量数据比较可靠稳定。第3章 测绘具体操作方案拟订RTK作业流程图:作业人员安排和前期准备GPS野 外 实 测数 据 后 处 理成 果 输 出技 术 文 档 3.1 作业人员安排及前期工作3.1.1 人员安排全段测量安排一个作业小组,共三人使用南方S86-GPS测绘仪,当日开始前,先将基准站放在基准点,然后两个人进行实地测量,一人负责标杆及移动站,一人负责用手薄进行测绘并将数据记录。3.1.2 测绘线路制定 初步计划测绘40公里路程,计划平均每日测绘2公里,从基准点出发进行延
14、伸,制定好每天测绘路程。从卫星遥感地图上先粗定位,找到大概方位。通过经纬度表进行区域锁定。然后从前一天的末段进行延伸勘测。3.1.3 测点密集度分析(1) 空旷的直线段: 每隔100米采集一个数据(2) 多拐角段:找到拐角处采集数据,在拐角两段各延伸20米测数据(3) 空旷段到多拐角段的过度段采用每隔50米采取一个数据3.2 GPS野外实测具体操作3.2.1 RTK基准站设置根据测量原理,先在已选好的基准点架设好基站,该基准点的坐标以通过VRS技术事先测得,一般根据测绘要求,该基准点的覆盖范围为方圆30公里。3.2.2 RTK流动站设置流动站接收机用于完成测点或放样的实际工作,它随时可与基准站
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