GPS测量与数据处理-大地测量(2016)

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GPS网的特征条件
总基线数 独立基线数 必要基线数 多余基线数
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GPS网的特征条件
若某GPS网由n个点组成，每点的设站次 数为m，用N台GPS接收机进行观测 观测时段数C：C n m N 总基线数J总： J C N N 1 2 独立基线数J独：J C N 1 必要基线数J必： J n 1 多余基线数J多：J J J 整体可靠性指标：J多/J独
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独立基线向量
同步观测基线向量的最大线性无关组及 选取方式
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独立观测环（异步环）和独立观测环检验
独立观测环（异步环） 定义：由相互函数独立（线性无关） 的基线向量所构成的闭合环。（就是 前面的非同步环）
独立环与非独立环
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独立观测环（异步环）和独立观测环检验
独立观测环检验 定义：检验独立观测环的闭合差大小 特性：与同步环闭合差不同，即使采 用严密算法，并且计算过程中未发生 错误，独立观测环的闭合差通常也不 为零，也不一定是个微小量 结论：独立观测环闭合差的大小，可 作为评定基线解算结果质量的有力指 标
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GPS网的基本图形
多边形网 定义：以多边形（边数≥4）作为基本 图形所构成的GPS网
特点：效率高，工作量较小，图形强 度虽不如三角形网，但若对多边形边 数加以限制，仍能保证一定的强度
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GPS网的基本图形
附和导线网 定义：附和导线（或称附和路线）作 为基本图形所构成的GPS网
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图形设计中的注意事项
A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘 点外，每点至少应与3个点相连，C、D、 E级GPS网可布设成多边形或附和导线。
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图形设计中的注意事项
各级GPS网中最简独立闭合环或附和导 线的边数满足下表要求
级 别 AA A B C D E 闭合环和附和导线的边数 ≤5 ≤6 ≤6 ≤8 ≤10
各级GPS测量的精度指标
相邻点间基线长度标准差
a b d 10
2 6 2

标准差，单位mm 固定误差，单位mm
相邻点间的距离，单位mm 比例误差，单位ppm
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5.1.4 GPS网的基准设计
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GPS网的基准
GPS网的基准包括 位置基准 尺度基准 方位基准
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GPS网的方位基准
方位基准的确定 GPS基线向量 起始方位 其他空间技术（如VLBI）提供的方位
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5.1.5 GPS网的图形设计
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GPS网图形设计的内容*
一般控制网图形设计的内容 与精度和可靠性有关的点位设计 观测设计（观测点、测回数等） GPS网图形设计的内容 观测设计（同步观测图形、重复观测） 注意：GPS网无与精度和可靠性直接相 关的图形设计问题（点位观测环境方 面的问题除外）
() i
N
0
GPS测量原理 6、GPS的定位模式
根据运动状态 动态定位、静态定位 根据时效 实时定位、事后定位
根据定位模式 绝对定位、相对定位、差分定位
7
GPS测量原理 7、导航定位方法及精度
定位方法 观测值 测码伪距 单点定位 载波相位 测码伪距 载波相位 精密星历 广播星历 广播星历 广播星历 相对定位 载波相位 精密星历 卫星星历 广播星历 观测时间 单历元 数小时 单历元 一天 单历元 单历元 数小时 数小时～ 数十小时 20 － 40 m 米级 分米级 厘米级 D < 15 km 分米级、亚米级 15 km D 200 km 米级 厘米级 短边：5 mm 10-6 D 中边：5 mm 10-7 D 长边：3 mm 10-8 D 3 mm 10-9 D 精度
这两点也可看作GPS网测量的要求
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GPS网的基本图形
三角形网 多边形网 附和导线网 星形网
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GPS网的基本图形
三角形网
定义：以三角形作为基本图形所构成的GPS网
特点
优点：几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高 缺点：工作量大 进一步提高图形强度的方法 加测对角线
5
GPS测量原理 5、GPS定位原理中的若干基本概念
伪距测量 载波相位测量 整周计数、周跳、整周模糊度 t 差分观测值 零差（非差）、单差、双差、三差 N 载波相位观测值的线性组合 Fr 宽巷、窄巷、无电离层折射影响和无几何关系组合
0
0 0
ti
单差
双差
三差
6
Fr
i
Int
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同步观测基线
定义
利用同一时段的多个同步观测站所采集的观 测数据所计算出的若干基线向量 一个时段中，同步观测基线的数量 若在某时段共有n台接收机进行了同步观测， 则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线
n=2
n=3
n=4
n=5
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闭合环和环的闭合差
闭合环 由多条基线向量首尾相连所构成的图 形
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GPS网的位置基准
位置基准的确定 自由网平差或拟稳平差 对网的尺度无影响 固定一点（最小约束平差） 对网的尺度无影响 固定多点（约束平差） 对网的尺度有影响
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GPS网的尺度基准
尺度基准的确定 GPS基线向量 测距边 已知点间的固定边 其他空间技术观测量（VLBI、SLR等）
差分 GPS
8
GPS测量原理 8、GPS的特点 作业范围：全球地面覆盖，无须通视 作业时间：实时，全天候 成果精度：精度高 劳动强度：自动化程度高 三维坐标：真三维坐标
9
5.1 GPS测量的技术设计
10
5.1.1 GPS测量中的几个基本概念
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观测时段和时段长度
观测时段 从测站上开始接收卫星信号起至停止 接收卫星信号间的连续工作的时间段 是GPS测量的基本单位 时段长度 观测时段所持续的时间
Bi
n i 1
Bn
环的闭合差
X X Y Y Z Z
分量闭合差
s X 2 Y 2 Z 2
全长闭合差
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同步观测环（同步环）和同步环检验
同步观测环（同步环） 三台或三台以上的GPS接收机进行同步 观测所获得的基线向量（完全由同一 观测时段的基线向量）所构成的闭合 环
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图形设计中的注意事项
为求得GPS点在某一参考坐标系中的坐 标，应与该坐标系中的原有控制点进行 联测，联测点数不得少于3个
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图形设计中的注意事项
当控制网的范围较大时，可采用分级布 设的方法，即首先布设点数较少但等级 较高的框架网，然后再布设项目所要求 等级的全面网*
框架网 全面网
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42
图形设计中的注意事项
A、B级GPS网点应与永久GPS跟踪站联 测。联测站数满足下表要求
级 A B 别 联测永久 GPS 跟踪站的最少站数 ≥4 ≥3 ≥2 AA
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图形设计中的注意事项
A、B级GPS网点应与参加过全国天文大 地网整体平差的三角点、导线点及一、 二等水准点重合 新布设的GPS网应与附近已有的国家高 等级GPS点进行联测，联测点数不少于2 个 大陆、岛、礁之间的A、B级GPS网的边 长可视实际情况变通。重要岛礁与大陆 之间的联测点数不得少于3个
总
独
必
多
独
必
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GPS网设计书
编写提纲 概述：测区位置，项目概况 技术依据：规范、标准… 坐标系统与起算数据 网形设计 质量检核 选点埋石 外业观测 数据处理：软件、处理方法（包括基线解算 与网平差） 成果资料
(tS)
S
tR t
R
4
GPS测量原理 4、GPS的误差源
与卫星有关的：卫星钟差、卫星 星历误差、相对论效应、SA 与传播途径有关的：大气折射 （电离层折射、对流层折射）、 多路径效应、其他电磁波干扰
与接收设备有关的：天线相位中 心偏移及变化、接收机钟差、接 收机噪声 其他
特点：效率高，工作量较小，图形强 度虽不如三角形网和多边形网，但若 对多边形边数加以限制，仍能保证一 定的强度
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GPS网的基本图形
星形网
定义：从一个已知点上分别与各待定点进行相对定 位（待定点间一般无任何联系）所构成的GPS网

特点：抗粗差能力极差 应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根dian） 工作模式：Go and Stop，RTK 提高可靠性的方法：从两个已知点（基准站）上对 同一待定点（流动站）进行观测；适当复测
图形设计中的注意事项
为求得GPS点的正常高，应进行高程联 测，联测应满足下表要求
级 别 AA A B C D E 高程联测点密度要求 逐点联测 逐点联测 每隔 2~3 点联测 1 个 每隔 3~6 点联测 1 个 视情况 视情况 高程联测点的等级 二等水准 二等水准 三等水准 四等或精度相当 四等或精度相当 四等或精度相当
2
GPS测量原理 2、GPS定位原理 距离交会
3
GPS测量原理 3、GPS观测值 码伪距 载波相位 多普勒
S
接 收机 根 据 自身 的 钟在tR 时 刻所 S 接 收到 卫 星 在t 时 刻所 发 送 信号 的 相位
(tR )
接 收机 根 据 自身 的 钟在tR 时 刻复 制 信号 的 相 位
n=5 由5条基线向量所构成的闭合环
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闭合环和环的闭合差
环的闭合差
闭合差：组成闭合环 的基线向量按同一方 向（顺时针或逆时针） 的矢量和 分量闭合差：组成闭 合环的基线向量按同 一方向（顺时针或逆 时针）矢量的各个分 量的和 全长闭合差：分量闭 合差的平方和开方
B2
B1
B3
大地测量
GPS测量与数据处理
武汉大学 王泽民
zmwang@whu.edu.cn
1
GPS测量原理
一、GPS测量原理回顾
1、GPS系统及其构成
拥有者：美国 系统构成：空间部分、地 面控制部分、用户部分 作用：定位、测速、授 （守）时 信号：载波、测距码、导 航电文
GPS
空间部 分 地面监 控部分 用户Fra Baidu bibliotek 分
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同步观测、基线向量和GPS基线向量网
同步观测 两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星 信号进行的观测 基线向量 利用进行同步观测的接收机所采集的观测数 据计算出的接收机间的三维坐标差 与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系 统 GPS基线向量网 采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点 和基线向量所构成
同步环与非同步环
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同步观测环（同步环）和同步环检验
同步环检验 定义：检验同步环的闭合差大小 特性 理论上：采用严密算法所得到的同步环， 无论观测值中是否含有误差，其环闭合差 必为零。（构成同步环的基线向量之间是 线性相关的） 实践中：如果算法不严密（目前大多数的 商用软件均属于此种情况），其环闭合差 通常不为零，但通常很小 结论：同步环闭合差很小，还不能说明基线 解算结果一定能够满足精度要求
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GPS网图形设计的内容*
两点重要提示 GPS网的图形强度与基线向量的数量和 分布有关 GPS点的精度和可靠性与与其相连的基 线向量数密切相关，相连的基线向量 数越多，精度和可靠性越高
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GPS网图形设计的内容*
GPS网布设时的重复设站次数（观测时 段数） GPS点反复进行设站观测的次数 复测边（重复边）的布置 复测边：同一基线向量不同时段的观 测结果
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5.1.2 技术设计的依据
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测量任务书或测量合同书
内容
点位要求 分布、密度、数量 精度要求 等级、点位误差、相邻点间距离误差 进度要求 提交成果的时间 成果要求 坐标参照系、是否需要高程成果、提交资 料的内容
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5.1.3 GPS网的精度和密度设计
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独立基线向量
定义：线性无关的一组基线向量 满足下面条件之一的为独立基线向量 未构成同步闭合环的一组基线向量（例如： 一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观 测基线） 虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同 一观测时段 提示 完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是 线性相关的，是一组非独立基线向量 GPS网应由相互独立的基线向量构成