GPS测量原理与应用-讲义-第六讲

第六讲GPS控制网的设计与外业工作（The Design of GPS Control Network and Its Field Surveying）6.1 GPS网的构网特点与网形设计一般原则GPS测量规范GPS网技术设计的依据测量任务书GPS网设计依据的规范有：（1）2001年国家质量技术监督局发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》，简称《规范》；（2）1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》，简称《规程》；（3）各部位根据本部门GPS工作的实际情况制定的其他GPS测量规程或细则。

测量任务书：测量任务书或合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。

这种技术是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成任务的经济指标等。

GPS网的精度、密度设计（1）GPS测量精度标准及分类各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。

例如：对于全球性地球动力学、地壳形变及国家基本大地测量的GPS网可参照《规范》中AA、A、B级的精度分级；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。

10~2010中、小城市及测图、物探、建筑施工等控制网D 、E 510大、中城市及工程测量基本控制网C18局部形变监测和各种精密工程测量B 0.15区域性的地球动力学研究和地壳形变测量A 0.013全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨AA 比例误差b （ppm. D ）固定误差a （mm ）主要用途级别1/1万2015<1二级1/2万10101一级1/4.5万10102四1/8万5105三1/12万2109二最弱边相对中误差B (ppm . D)A (mm)平均距离（km ）等级各等级GPS相邻点弦长精度计算22δ=+()a bdδGPS基线向量的弦长中误差a GPS接收机标称精度中的固定误差b GPS接收机标称精度中的比例误差系数d GPS网中相邻点间的距离实际工作要点：在实际工作中，精度标准的确定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力等情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。

在具体布设中，可分级布设、也可越级布设，或布设同级全面网。

（2）GPS 点的密度标准各种不同任务要求和服务对象，对GPS 点的分布要求也不同。

5~210~515~10703001000相邻点平均距离10154025010002000相邻点最大距离12515100300相邻点最小距离ED C B A AA 级别项目•GPS网的基准设计GPS网的基准位置基准方位基准尺度基准方位基准一般以给定的起算方位角起算，也可由GPS基线向量的方位作为方位基准。

尺度基准一般由地面的电磁波测距确定，也可由GPS基线向量的方位作为方位基准。

基准设计时，应充分考虑以下几个问题：（1）为求定GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个，用以坐标转换。

（2）为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性及减少尺度比例误差影响，对GPS 网内重合的高等级国家点或原城市等级控制点，除未知点联结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。

（3）联测高程点均匀分布网中。

（4）新建GPS网的坐标应尽量与测区过去采用的坐标系统一致。

6.1.2 GPS网构成的几个基本概念及网特征条件1.基本概念（1）观测时段：测站上开始接收卫星星号到观测停止，连续工作的时间段，简称时段。

（2）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。

（3）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，简称同步环。

（4）独立观测环：由独立观测所得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。

（5）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，简称异步环。

（6）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。

（7）非独立基线：除独立基线外其他基线叫非独立基线。

2.GPS网特征条件计算观测时段数的计算公式：=•/C n m Nn网点数m每点设站次数N接收机数总基线数：=••−(1)/2J C N Nzong必要基线数：(1)biyao J n =−独立基线数：(1)J C N =•−duli 多余基线数：(1)(1)J C N n =•−−−duyu3. GPS网同步图形构成及独立边的选择对于N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含的GPS基线数为：=•−J N N(1)/2当同步观测的GPS接收机数N>=3时，同步闭合环的最少个数为=−−=−−T J N N N(1)(1)(2)/2• 6.1.3 GPS构网方式（1）星形网这种网形在作业中只需要两台GPS接收机，作业简单，是一种快速定位作业方式，常用在快速静态定位和准动态定位中。

但由于各基线之间不构成任何闭合图形，所以其抗粗差的能力非常差。

一般只用在工程测量、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。

（2）点连式例如，当n=30时，采用三、四、五台接收机最少同步图形分别为15、10、8。

网的必要观测基线数为n-1，而网中C个同步图形总共有C×(N-1)条独立基线。

显然，以这种方式布网，没有或仅有少量的异步图形闭合条件。

因此，所构成的网形抗粗差能力仍不强，特别是粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。

在这种网的布设中，可以在C个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，使网的可靠性得到改善。

（3）边连式网边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过两个公共点相连，即同步图形由一条公共基线连接。

比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的GPS网其几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。

（4）网连式网所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间存在互相重迭的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的一部分。

这种布网方式通常要4台或更多的GPS接收机，这样密集的布网方法，其几何强度和可靠性指标是相当高的，但其观测工作量以及作业经费均较高，仅适用于网点精度要求较高的测量任务。

• 6.4 GPS测量的外业工作1.选点与埋设标志注意事项：（1）点位应紧扣测量目的布设。

（2）便于联测和扩展。

（3）点位交通方便，便于安置设备，视野开阔。

（4）点位远离大功率无线电发射源和高压输电线。

（5）点位附近避免有对电磁波发射强烈的物体。

（6）点位应选于地面基础好的地方。

（7）点位选好后，按规定绘制点记。

2.GPS 接收机的检验一般性检视通电检视GPS 接收机内部噪声水平测试天线相位中心稳定性检视GPS 接收机精度指标检视()a b d δ=±+ 天线交换旋转90°，180°，270°，三个时段零基线和短基线法3. GPS卫星预报与观测调度卫星几何分布及可接收卫星数与精度息息相关。

根据软件可预报。

4. GPS外业观测工作（1）天线安置（2）观测作业（3）观测记录5. GPS相对定位作业模式（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（差分相对定位）• 6.5 GPS 基线向量解算与网平差概述1.GPS 基线向量解算1()T T X A PA A Pl−=210()T x D A PA σ−=20T V PV r σ=基本处理过程：（1）数据传输（2）数据分流从原始数据中，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、载波相位和伪距观测文件、测站信息文件。

（3）GPS数据的预处理对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统一数据文件格式，将不同类型接收机的数据记录格式统一为标准化的文件格式，探测周跳，修复观测值。

（4）基线向量解算一般先采用三差模型法对基线向量进行预求解，然后再采用双差模型对基线向量进行精确求解。

对于20 km以下的基线，常采用所谓的固定双差解，即整周未知数取为整数后的基线平差解。

而对于30 km以上的基线，一般采用浮点双差解，即整周未知数不取整，以实数作为整周值，所以也可称为实数解。

2. GPS网平差与坐标转换概述由同步观测和异步观测的基线向量互相联结构成GPS网，称为GPS基线向量网。

由于存在观测误差，网中由不同时段观测的基线向量组成的闭合图形存在不符值(闭合差)。

因此，应在WGS-84坐标系统下，以GPS基线向量及其相应的方差阵作为观测信息，对GPS网进行平差计算，消除不符值，获得网中点的平差后的三维坐标、基线边长的平差值、基线向量观测值改正数及其对观测值、点位坐标的精度评定。

为检验基线向量观测值的网内部符合精度以及观测值是否存在系统误差和粗差，一般常采用无约束平差法，即以WGS-84坐标下一个点的三维坐标作为位置基准的平差，该平差避免了基准信息误差，因此，平差后的结果，可以准确地反映观测值的精度。

并可通过单位权方差检验，观测值改正数的分布及其粗差检验，发现网中可能存在的系统误差及粗差。

约束平差联合平差约束平差是以国家大地坐标或地方坐标系下的某些点的坐标、边长、方位角作为网平差的基准信息，也就是作为平差的约束条件，在顾及GPS网的WG S-84坐标系与国家或地方坐标系之间的转换参数进行平差计算。

平差后不但可获得GPS网的坐标平差值及精度评定，而且还实现了将WGS-84坐标系统成果向国家或地方坐标系统的转换联合平差是GPS基线向量观测值与地方常规观测值的联合平差，平差计算中除包含基线观测值和基准约束数据外，还包含边长、方位、高差等一些常规观测值。

由于联合平差仍带有约束条件，所以，平差后也可将GPS成果转换到国家或地方坐标系。

•6.6 GPS观测成果检验与技术总结1.GPS观测成果的检验（1）基线长度中误差基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内。

对于20 km以内的短基线，双差求解模型可有效地消除电离层的影响，其相应的中误差小于0.01～0.02m。

若超过此项限差，基线解算成果的可信性就较差。

同时基线的单位权方差主要反映偶然误差，一般也应小于0.01 m。

（2）基线求解的整周参数的整周性对于20 km以内的短基线，其求解的整周模糊度应具有良好的整数特性，若在基线平差解算中，有一两个模糊度与相近整数相差到0.15～0.20，则该成果较好，当差值超过0.30时，所求的结果往往不太可靠。

此时，可采用换基准参考卫星，以及去掉周跳出现较多的某颗卫星或截去信号条件较差的一段时间的信号等措施，重新再求解基线。