GPS测量设计与实施.ppt
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1、GPS测量设计与实施,.,.,8-1.GPS测量技术设计 8-2.GPS测量外业准备和技术设计书编写 8-3.GPS测量的外业实施 8-4.GPS测量作业模式 8-5.数据预处理及观测成果质量检核 8-6.技术总结与上交资料,主要内容,8 .1 GPS测量的技术设计,8.1.1 GPS网技术设计的依据 8.1.2 GPS网的精度、密度设计 8.1.3 GPS网的基准设计(重点) 8.1.4 GPS网的构成(重点) 8.1.5 GPS网形设计(重点),8.1 GPS测量的技术设计,8.1.1 GPS网技术设计的依据 1。根据任务书提出的测区范围、点的密度与精度、完成期限等的要求,依据GPS测量规
2、范,设计出GPS网的布设、观测与数据处理方案。 2。规范或规程:(1)全球定位系统(GPS)测量规范2001.GB/T18314国家质量技术监督局;(2)全球定位系统城市测量技术规程1998. 建设部。,8.1.2 GPS网的精度、密度设计,用于国家大地测量、地球动力学研究、地壳形变测量的GPS网精度分级(规范),式中, 为GPS基线向量的等效距离误差,a为GPS接收机标称精度中的固定误差(mm);b为GPS接收机标称精度中的比例误差;d为GPS网中相邻点间的距离(mm)。,用于城市或工程测量的GPS网精度分级(规程),GPS点的密度标准:相邻点间的距离,GPS控制网的基准设计包括位置基准、方
3、位基准和尺度基准。 方位基准:一般由给定的起算方位角值确定。 尺度基准:一般由地面的电磁波测距确定。 位置基准:通过由给定起算点坐标确定。 (1) 为求定GPS点在国家或地方坐标系中的坐标,应联测地方控制地方点,用以坐标变换。当测区有旧的地面控制点成果时,应既考虑充分利用旧资料,又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此,应将新的GPS网与旧控制点进行联测,联测点一般不应少于 3个。用联测的公共点的两套坐标值求解坐标转换参数。,8.1.3 GPS网的基准设计 1.什么叫基准设计? 即明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据。,(2)GPS网的坐标系统尽量应与测区过去采用的坐标
4、系统一致,一般应了解以下几个参数: l:所采用的参考椭球体,一般是以国家坐标系的参考椭球为基础; 2:坐标系的中央子午线的经度值; 3:纵、横坐标的加常数; 4:坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值; 5:起算点的坐标。 实际工作中,有时难以找到说明以上参数的资料,此时,也可以通过分析计算的方法处理。,(3) GPS测量成果中高程是大地高系统高程,为了得到GPS点的正常高,应使一定数量的GPS点与水准点重合,或者对部分GPS点联测水准,以便进行高程转换。联测的高程点需均匀的分布于网中,对丘陵或山区高程点应按照高程拟合曲面的要求进行布设。 (4)要求GPS点的WGS84坐标,同样要联测具有WG
5、S84坐标的高级GPS点。 (5)联测的公共点最好位于GPS网的外围和中心均匀分布。,8.1.4 GPS网构成的几个基本概念及网特征条件 基本概念: 1。观测时段:从开始到结束连续观测的时间段。 2。同步观测:两台或两台以上接收机对相同卫星观测。 3。同步观测环:三台以上接收机同步观测基线构成。 4。独立观测环:由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环,简称独立环。 5。独立基线:N台接收机同步J条基线中的N-1条基线。 6。异步观测环:有非同步或独立基线构成的闭合环。 7。非独立基线:除独立基线外的其他叫非独立基线,总基线数与独立基线之差为非独立基线数。,网特征条件: 6。观测时段:C=nm/
6、N,n为网点数;m为每点设站数;N为接收机数。 7。总基线数:J=CN(N-1)/2,N为接收机台数。 8。必要基线数:J必=n-1,n为GPS点数。 9。独立基线数:J独=C(N-1)。 10。多余基线数:J多=C(N-1)-(n-1)。,GPS网特征条件的计算 对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的基线(或简称GPS边)数为: J N*(N1)/2; 但其中仅有N1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T的最少个数应为 TJ(N1)(N1)(N2)2,三台以上接收机构成的同步环个数(N-1)(N-2)/2 N台接收机同步观测环如右图:分别为
7、N=2,3,4,5。,同步环与独立基线,同步环与独立基线,N 台接收机一个观测时段所构成的同步基线T=N(N-1)/2中,有N-1条基线是独立的基线。 独立基线的选择如右图:分别为N=2,3,4,5,对于同步环和异步环的几点说明: (1)理论上,同步闭合环中各GPS 的坐标差之和即闭合差应为零,但实际上并非如此,一般规范都规定了同步闭合差的限差。但当由于某种原因,同步不是很好的,应适当放宽此项限差。 (2)同步闭合环的闭合差较小只能说明基线向量的计算合格,并不能说明GPS边的观测精厦高,也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。 为了确保GPS观测效果的可靠性,有效地发现观测成果中的粗差,
8、必须使GPS网中的独立边构成一定的几何图形。这种几何图形可以是由数条独立边构成的非同步多边形(亦称非同步闭合环)当GPS网中有若干个起算点时,也可以是由两个起算点之间的数条GPS独立边构成的附合路线。GPS网的图形设计,也就是根据所布设的网的精度要求和其它方面的要求,设计出由独立边构成的多边形网 (3) 对于异步环的构成,一般应按所设计的网图选定,必要时在经技术负责人审定后,也可根据具体情况适当调整。当接收机多于3台时,也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。,8.1.5 GPS网形设计 GPS控制网布设的问题就是怎样将各同步环有机地连成一个整体,构成一定数量的同步观测环和异步观测环,也可采用
9、线路形式,以较好地满足精度、可靠性、经费和后勤等限制条件。 GPS网观测时不要求点间通视,网形设计灵活。 根据不同的用途和不同的精度要求,根据以上布网原则,GPS网的布设通常有四种方式:星形,点连式、边连式和混合式。 点连式相邻同步图形间仅有一个公共点连接。 边连式同步图形之间由一条公共基线连接。 网连式相邻同步图形间有两个以上公共点。 混合连接形式既有点连接又有边连接(理想)。 或星形连接、附合导线连接、三角锁形连接等。,1:星形网 特点: 几何图形简单,只需两台GPS接收机, 是一种快速定位作业方式,但是,由于 基线间不构成任何同步闭合图形因此抗 粗差的能力差,一般适用于精度较低的 工程测
10、量。,无多余观测,可靠性差,两台接收机同步观测中,一台接收机A固定不动,另一台接收机B在A周围的一些点上进行相对定位。如右图。,2:点连式 相邻同步图形之间只有一个公共点连接。 这种布网方式几何强度较弱,抗粗差能力较差,一般可以加测几个时段以增强网的异步图形闭合条件的个数。,点连接、边连接GPS网形,两台以上接收机同步观测图形的点、边连接如右图。 上图为两台接收机同步观测点连接。 下图为三台接收机同步观测点、边连接。,9条基线,4个异步环,5条基线,无异步环,6条基线,无重复,9条基线,两条重复,2:边连式 相邻同步图形由一条公共基线连接。 这种布网方式几何强度较高,抗粗差能力较强,有较多的复
11、测边和非同步图形闭合条件,在相同的仪器个数的条件下,观测时段将比点连接方式大大增加。,3:混连式 该方式是把点连式和边连式有机地结合在一起,这种方式既可以提高网的几何强度和可靠性指标,有减少了外业工作量,式一种较为理想的布网方法。,三角锁形连接GPS网形,上图,两台接收机观测11时段,11条基线组成5个三角形异步环。 下图,三台接收机观测四个时段,有两个重复边。,11条基线,5个异步环,12条基线,2条重复边,导线网式连接GPS网形,布设在高级已知点之间的GPS点构成附合导线网式的GPS网。已知点可以是高级GPS点,也可以是高级国家点或地方点。,GPS网设计注意事项,GPS网相邻同步图形之间的
12、连接一般采用边、点混合连接方式; 网中不应存在自由基线; 网中闭合条件中基线个数不可过多。异步环边数小于8条; 每个点独立设站观测次数总和除以总点数,即“重复设站点数”一般应在1.6以上(点连接时一般达不到); GPS网与地面网应有足够数量的重合点(即公共点),便于实现坐标转换(平面公共点至少2个,高程公共点最好3个以上); GPS点位应选在便于观测的地点,交通便利,视野开阔,远离高压线、无线电发射台,远离水面; GPS网点最好做到两两通视,便于以后用全站仪观测。,作业题:下列图形有多少同步环、异步环、重复基线、重复设站点(每点设站数的平均数)?,1。上图两台接收机同步观测了5个时段。 2。中
13、图三台接收机同步观测了5个时段。 3。下图四台接收机同步观测了3个时段。,网形设计例:对某工程控制点(四个已知高级点,四个新布设GPS点)设计GPS观测网。,基准设计:四个已知点的坐标系统和高程系统。 网形设计: 1。用两台GPS接收机; 2。用三台GPS接收机; 3。用四台GPS接收机。 分别设计出观测时段数,说明有几个同步环、异步环、重复基线、重复设站数。,A,C,B,D,1,3,2,4,用两台接收机进行相对定位的网形设计,观测时段数:8 同步环个数:0 异步环个数:1 重复边个数:0 独立基线数:8 必要基线数:4 多余基线数:4 重复设站数:2.0,A,B,C,D,1,2,3,4,异步
14、环,用四台接收机进行相对定位的网形设计,观测时段数:4 同步环个数:12 异步环个数:5 重复边个数:4 独立基线数:12 必要基线数:4 多余基线数:8 重复设站数:2.0,A,B,C,D,1,2,3,4,异步环,异步环,异步环,异步环,异步环,8.2 GPS测量外业准备及技术设计书编写,测区踏勘 主要了解测区以下情况 1.交通情况 2.水系分布情况 3.植被情况 4.控制点分布情况 5.居民点分布情况 6.当地风俗民情,7.测区的地理位置 8.天文,地理,气候气象情况 9.行政隶属,面积 10.经济、供应、物价情况, 11.文化教育,治安情况,8.2.2 资料收集 收集以下资料 (1)各类
15、图件 (2)各类控制点成果以及各种参数。 (3)测区有关的地质、气象、交通、通讯 (4)城市及乡、村行政区划表,8.2.3 仪器准备、人员组织 (1)筹备仪器、计算机及配套设备。 (2)筹备机动设什及通讯设备 (3) 筹备施工器材,计划油料、材料的消耗。 (4)组建施工队伍拟定施工人员名单及岗位。 (5)进行详细的投资预算,8.2.4 外业观测计划的拟定 观测工作是GPS测量的主耍外业工作。观测开始之前,外业观测计划的拟定对于顺利完成数据采集任务,保证测量精度度提高工作效益都是极为重要的。 依据 (1)GPS网规模的大小。 (2)点位精度及密度的要求。 (3)GPS卫星星座分布的几何图形强度。
16、 (4)参加作业的GPS接收机类型数量。 (5)测区交通、通讯及后勤保障。,观测计划的主要内容 (1) 编制GPS卫星的可见性预报图;在高度角15度的限制下,输入测区中心某一测站的概略坐标,输入日期和时间应使用不超过20天的星历文件,即可编制GPS卫星的可见性预报图。 (2)卫星的几何图形强度;在GPS定位中,所测卫星与观测站所组成的几何图形,其强度因子可用空问位置因子(PDOP)来代表,无论是绝对定位还是相对定位, PDOP值不应大于6。 (3)选择最佳的观测时段:卫星4颗且分布均匀,PDOP值小于6的时段就是最佳时段。 (4)观测区域设计与划分:当GPS网的点数较多,网的规模较大而参加观测
17、的接收机数量有限,交通和通讯不便时,可实行分区观测。为了增强网的整体性提高网的精度相邻分区应设置公共观测点,且公共点数量不得少干3个。,(5)编排作业调度表:作业组在观测前应根据测区的地形、交通状况、网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网设计、卫星预报表和测区的天时、地理环境等编制作业调度表,以提高工作效益。作业调度表包括观测时段、测站号、测站名称及接收机号等。,8.2.5 设计GPS网与地面网联测方案,GPS网与地面网的联测,可根据测区地形变化与地面控制点的分布而定。一般在GPS网中至少要重合观测三个以上地面控制点(尽量选择水准高程点)作为约束点。约束点的选设要求满足GPS网基准设计要求
18、。,8.2.6 GPS接收机选型及检验,接收机的选用可参考下表:,2接收机的检验,接收机全面检验的内容,包括一般性检视、通电检验和实测检验。 (1)一般检验:主要检查接收机设备各部件及其附件是否齐全、完好,紧固部分是否松动与脱落,使用手册及资料是否齐全等。 (2)通电检验:接收机通电后有关信号灯、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,当自测正常后,按键作步骤检验仪器的工作情况 (3)实测检验:测试检验是GPS接收机检验的主要内容。其检验方法有:用标准基线检验;已知坐标、边长检验;零基线检验;相位中心偏移量检验等。,2接收机的检验,用零基线检验接收机内部噪声水平。 基线测试方
19、法如下: 选择周围高度角10以上无障碍物的地方安放天线,按图8-9连天线、功分器和接收机。 连接电源,二台GPS接收机同步接收四颗以上卫星11.5h。 交换功分器与接收机接口,再观察一个时段。 用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。基线误差应少于1mm。否则应送厂检修或降低级别使用。 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
20、坐标。,2接收机的检验,GPS接收机不同测程精度指标的测试。 该项测试应在标准检定场进行。检定场应含有短边和中长边。基线精度应达到1*105。 检验时天线应严格整平对中,对中误差小于1mm。天线指向正北,天线高量至1mm。测试结果与基线长度比较,应优于仪器标称精度。 仪器的高度低温试验:对于有特殊要求时需对GPS接收机进行高、低温测试。 对于双频GPS接收机应通过野外测试,检查在美国执行SA技术时其定位精度。 用于天线基座的光学对点器在作业中应经常检验,确保对中的准确性,其检校参照控制测量中光学对点器核校方法。,8.2.7 技术设计书编写,资料收集全后,编写技术设计,主要编写内容如下: 1.任
21、务来源及工作量 包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义;GPS测量点的数量(包括新定点数、约束点数、水准点数、检查点数);GPS点的精度指标及坐标、高程系统。 2.测区概况 测区隶属的行政管辖;测区范围的地理坐标,控制面积;测区的交通状况和人文地理;测区的地形及气候状况;测区控制点的分布及对控制点分析、利用和评价。 3.布网方案 GPS网点的图形及基本连接方法;GPS网结构特征的测算;点位布设图的绘制 4.选点与埋标 GPS点位的基本要求;点位标志的选用及埋设方法;点位的编号等。 5.观测 对观测工作的基本要求;观测纲要的制定;对数据采集提出注意的问题 6.数据处理 数据处理的基本方
22、法及使用的软件;起算点坐标的决定方法,闭合差检验及点位精度的评定指标。 7.完成任务的措施 要求措施具体,方法可靠,能在实际工作中贯彻执行。,8.2.8 GPS卫星可见性预报示例,各类型GPS接收机的随机软件都有GPS卫星的可见性预报功能,只要输入测区的概略经纬度及观测时间,即可进行卫星预报,以便选择有利的观测时机。,GPS卫星的可见性预报图,卫星高度角大于15度,输入测区某点概略坐标和观测日期时间,使用不超过20天的星历文件,由专用软件作出GPS卫星可见性预报图。,GPS卫星的可见性预报图,卫星高度角大于15度,输入测区某点概略坐标和观测日期时间,使用不超过20天的星历文件,由专用软件包作出
23、GPS卫星可见性预报图。,GPS卫星的可见性预报图,卫星高度角大于15度,输入测区某点概略坐标和观测日期时间,使用不超过20天的星历文件,由专用软件作出GPS卫星可见性预报图。,GPS卫星的可见性预报图,卫星高度角大于15度,输入测区某点概略坐标和观测日期时间,使用不超过20天的星历文件,由专用软件包作出GPS卫星可见性预报图。,8.2.9 GPS技术设计示例-三峡库区A,B级GPS网观测技术设计,书上128-134,8.3 GPS测量外业实施,GPS测量外业实施 8.3.1 选点 8.3.2 埋设标石 8.3.3 观测(安置天线、量天线高、联线开机、关机),8.3 GPS测量外业实施,8.3
24、.1 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。 8网形应有利于同步观测边、点联结。 9当
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