雨自文大電园地 卫星定位技术与方法 第十三讲 袁林果 Email:Igyuan@home.switu.edu.cn 西南交通大学土木工程学院测量工程系 第十章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 電少卫星定位技术与方法
1 卫星定位技术与方法 第十三讲 袁林果 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 西南交通大学土木工程学院测量工程系 卫星定位技术与方法 2005-5-20 2 第十章 GPS测量的实施 ¾ 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。 ¾ 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。 卫星定位技术与方法 为了满足用户的要求,GPS测量作业,应遵守统 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。 電少卫星定位技术与方法
2 卫星定位技术与方法 2005-5-20 3 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。 卫星定位技术与方法 2005-5-20 4 ¾ 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。 ¾ 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。 ¾ 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
第2节GPS网的优化设计 GPS网的优化设计,是实施GPS测量工作的第 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。 星定位技术与方法 20055-20(5 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 =[a+(b×D)]2 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); b—比例误差(pm或106; D——相邻点间的距离(km) 電少卫星定位技术与方法 2005520(6
3 卫星定位技术与方法 2005-5-20 5 第2节 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。 卫星定位技术与方法 2005-5-20 6 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，σ──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)。 2 1 2 0 2 0 σ = [a + (b × D) ]
GPS相对定位的精度指标 测量分级常量误差 比例误差相邻点距离 ao(mm) ba(10) n 1002000 ABCDE ≤8 15250 ≤10 ≤10 ≤10 215 電步卫星定位技术与方法 20055-20(7 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。 電少卫星定位技术与方法
4 卫星定位技术与方法 2005-5-20 7 GPS相对定位的精度指标 测量分级 常量误差 a0(mm) 比例误差 b0(10-6) 相邻点距离 (km) A B C D E ≤5 ≤8 ≤10 ≤10 ≤10 ≤0.1 ≤1 ≤5 ≤10 ≤20 100—2000 15—250 5—40 2—15 1—10 卫星定位技术与方法 2005-5-20 8 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
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 句卫星定位技术与方法 设计的一般原则 1.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 4.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 6.为了便于用经典方法联测或扩展,可在GPS网点 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。 電少卫星定位技术与方法
5 卫星定位技术与方法 2005-5-20 9 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。 卫星定位技术与方法 2005-5-20 10 设计的一般原则 1. GPS网一般应采用独立观测边构成闭合图形 2. 相邻点间基线向量的精度，应分布均匀。 3. GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合 4. GPS网点应考虑与水准点相重合 5. GPS网点一般设在视野开阔和交通便利的地方。 6. 为了便于用经典方法联测或扩展，可在GPS网点 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 卫星定位技术与方法 2005-5-20 「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。 電少卫星定位技术与方法
6 卫星定位技术与方法 2005-5-20 11 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 卫星定位技术与方法 2005-5-20 12 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
由若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。 闭合环中基线边数的限值 级别 / 闭合环中的边数 卫星定位技术与方法 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,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。 卫星定位技术与方法 2005520(14
7 卫星定位技术与方法 2005-5-20 13 闭合环中基线边数的限值 表3 级 别 一 二 三 闭合环中的边数 ≤4 ≤5 ≤6 由若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。 卫星定位技术与方法 2005-5-20 14 ¾ 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。 ¾ 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，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。 ¾ 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
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, 星形网 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 卫星定位技术与方法 2005520(15 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 k1,则每一观测时段可得基线向量(或称基线)数为 ki( k 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1(.,-1Xk,-2)。 卫星定位技术与方法 2005520(16
8 卫星定位技术与方法 2005-5-20 15 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 卫星定位技术与方法 2005-5-20 16 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 k1，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 。 ( 1 ) 2 1 k i k i − ( 1 )( 2 ) 2 1 k i − k i −
然而,在(k-1)k/2同步观测的基线中,如 何选择(k-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 卫星定位技术与方法 独立基线向量的可能选取方式示例(单一时段) 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。 卫星定位技术与方法 2005520(10
9 卫星定位技术与方法 2005-5-20 17 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。 卫星定位技术与方法 2005-5-20 18 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示例（单一时段）
R:x风 单时段观测的基线向量 双时段观测的基线向量 独立基线向量的选取方式示例(两时段) 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 句卫星定位技术与方法 2005520(19 2.3网的基准设计 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,一般主要是指确定网的位置基准问 命卫星定位技术与方法 2005520(20
10 卫星定位技术与方法 2005-5-20 19 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 卫星定位技术与方法 2005-5-20 20 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，一般主要是指确定网的位置基准问 题