1、陕西铁路工程职业技术学院毕业设计题 目 城镇地籍 GPS 网的建立 院、系(部) 测绘工程系专业及班级 测量 5071姓 名 付博文指 导 教 师 于春娟日 期 2011 12 10I摘 要随着城市经济建设的迅猛发展，部分城市原有控制网的控制范围和精度已不能满足城市规划及土地管理的需要。为此，迫切需要加强和改造已有的控制网作为地籍控制网。由于 GPS 测量具有高精度、高效益、全天候观测，操作简单等优点，国内外普遍采用GPS 技术布测城市地籍控制网，极大的提高了作业效率，降低了生产成本。GPS 测量技术能构成高精度的独立 GPS 平面控制网，在精度与测设效率方面都是常规测量手段所无可比拟的。但是
2、，由于城市控制网自身的特殊性，最终使用的成果往往是地方独立坐标系坐标。所以在工程中，应根据控制网的用途选择测区合适的投影面和中央子午线，使长度投影变形符合限差要求。此外，在高程方面，由 GPS 所测得的高程是测站相对于 WGS-84 椭球面的大地高，而我国所采用的高程系统是相对于似大地水准面的正常高系统。由于实际存在的大地水准面变化复杂，使地面各点的高程异常不同。因此，采用几何模型拟合计算，使 GPS 高程能转换应用于各种工程建设中。1前 言全球定位系统是由美国建立的一个卫星导航定位系统。用户利用 GPS 技术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，还能够进行高精度的
3、时间传递和高精度的精密定位。全球定位系统作为新一代的卫星导航定位系统，经过二十多年的发展，已发展成为一种被广泛采用的系统。目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法。近些年来，由于经济建设的快速发展的需要，我国采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都利用GPS技术建立了城市地籍控制网。GPS 测量技术因其能获得很高的相对定位精度，构成高精度的 GPS 平面控制网，在精度与测设效率方面都是常规测量手段无可比拟的。但是，要将 GPS 定位技术彻底的应用于城市地籍控制网的建立中，还存在很多问题，如 GPS 测量
4、坐标的转换、投影带选择和 GPS 高程等急需解决。为了充分发挥 GPS 测量技术的优越性，本文通过对城镇 GPS 网建立和数据处理过程中的几个问题的研究，结合实际工程项目数据，得出具体的结论，对以后的生产实践积累经验。本论文主要由五部分组成：第一章概述，主要介绍 GPS 测量的背景、国内外研究现状及本论文研究的内容；第二章介绍 GPS 定位技术及其在城镇地籍控制网建立中的应用；第三章是关于 GPS 网的设计和数据处理，包括基准设计、网形设计、设计指标、数据处理等，详细介绍工程中投影带的选择和高程拟合的方法；第四章是以工程实例数据介绍城镇地籍 GPS 网的建立方法及测量；第五章得出研究结论，并展
5、望 GPS 技术的发展。i目 录1 概述 11.1 全球定位系统(GPS)定位技术简介 .11.2 城镇地籍 GPS 网的特点及研究现状 11.2.1 城镇地籍 GPS 网的特点 12 GPS 技术及其在地籍控制测量中的应用 62.1 GPS 定位原理 62.1.1 GPS 定位原理 62.1.2 GPS 的观测模型 62.1.3 GPS 观测值的求差组合 72.2 GPS 测量误差来源及消弱、消除措施 82.3 GPS 数据处理 .102.4 GPS 在城镇地籍控制测量中的应用 .112.4.1 GPS 地籍控制测量 .112.4.2 GPS 城镇地籍测量规范 133 城镇地籍 GPS 网技
6、术设计 .163.1 地籍 GPS 测量的技术设计 .163.2 城镇地籍 GPS 网的设计 .163.2.1 GPS 地籍控制网的精度和密度设计 .173.2.2 GPS 网的基准设计 .173.2.3 GPS 网的图形设计 .183.2.4 地籍 GPS 网的设计指标及控制方法 .193.3 地籍 GPS 测量的外业实施 .213.3.1 地籍 GPS 网的外业准备及设计书的编写 213.3.2 地籍 GPS 测量的外业实施 .213.4 GPS 数据处理 .223.4.1 GPS 控制网的数据处理 .223.4.2 常用 GPS 软件简介 .253.5 地籍 GPS 高程测量 .263.
7、5.1 高程系统及其相互关系 .263.5.2 GPS 高程 .273.5.3 GPS 水准高程拟合 .283.6 地方独立坐标系的建立问题 .333.6.1 我国常用大地坐标系 .333.6.2 地方独立坐标系建立的基本出发点 .343.6.3 地籍测量中涉及的几种直角坐标系 .354 *市地籍 GPS 测量控制网 374.1 工程概况 .374.3 基线向量解算与检核 .384.3 基线向量网平差 .404.3.1 基线向量网的自由网平差 .404.3.2 基线向量网的三维无约束平差 .404.3.3 基线向量网的二维约束平差 .414.4 地方坐标系的建立 .424.5 GPS 高程拟合
8、 .434.6 结论 .445 总结与展望 .45参考文献 46致谢 4811 概述1.1 全球定位系统(GPS)定位技术简介1973年，美国国防部组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统：“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，即“授时与测距导航系统” ，通常简称为“全球定位系统”(GPS)。 【1】GPS全球定位系统由三大部分组成，即空间部分-GPS卫星星座、地面控制部分-地面监控系统和用户设备部分-GPS信号接收机。全球定位系统（GPS）作为新一代的卫星导航定位系统，经过二十多年的发展，
9、已发展成为一种被广泛采用的系统。目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。在测量中，GPS技术最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立方面，GPS定位技术已成为了主要的技术手段。现在，我国采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都利用GPS技术
10、建立了城市地籍控制网。【2】GPS 卫星定位技术已经普遍用于各种工程测量，布设城市控制网、工程测量控制网等，成为建立城市与工程控制网的主要手段。1.2 城镇地籍 GPS网的特点及研究现状1.2.1 城镇地籍 GPS 网的特点与常规控制测量相比，城市地籍 GPS 控制测量有以下特点：(1)地籍 GPS 控制测量遵循从整体到局部，由高级到低级分级控制(分级布网，但也可越级布网)的原则。(2)城镇地籍 GPS 控制点分布不一定均匀。在土地利用率较高的市区、县城、开发区，点位密度要求较高；在土地利用率较低的乡镇、农村，控制点布设较少。(3)城市地籍 GPS 控制测量不要求各点之间都互相通视，各点有一个
11、通视方向即可，使得控制点的点位选定灵活方便。(4)城镇测量控制网，既要满足近期测量要求，又要着眼于中长期城市建设发展的需要。布网以满足用户需要、利于扩展、符合规范为原则。(5)GPS 测量可以全天候进行，不论白天黑夜或晴天雨天，均能正常工作，使得测量工作更具有计划性。(6)观测时间短，当测站之间的距离小于 30km 时，同步观测 l-2h 便可得到较好的观测成果。(7)GPS 测量的观测数据是自动记录的，GPS 基线向量的计算和 GPS 网的平差计算的自动化程度很高。 【3】1.2.2 论文研究背景过去由于受到技术、设备条件等方面的限制，城市控制网的覆盖范围小，扩展欠合理，并且当时测量依据的技
12、术标准不一，其精度较现行规范有很大的差异。因此，部分城市已有的控制网现势性差，并有相当数量的控制点已被破坏，同时，地下水或矿产的过度开采等外部环境的影响，使某些点相对位置发生扭曲，原有控制网已满足不了现代城市发展的需要，迫切需要利用 GPS 定位技术来加强和改造已有的地籍控制网。目前，国内很多城市已经对城市控制网进行了改造建设，如石家庄市原首级平面控制网于 1992 年利用 GPS 技术进行改造，吴江市地籍平面控制网于 1997 年利用 GPS 技术进行改造，济宁市土地管理局于 1997 年 4 月-6 月在该城区布设了 D 级 GPS 控制网等等。从中，我们发现利用 GPS 定位技术建立城市
13、地籍控制网的很多优点和存在的一些问题。GPS 测量技术因其能获得很高的相对定位精度而构成高精度的 GPS 平面控制网，在精度与测设效率方面都是常规测量手段无可比拟的。但是，由于城市控制网自身的特殊性，最终使用的成果往往并不是 WGS-84 坐标系统的坐标数据，而是国家坐标系或地方独立坐标系坐标，所以必须联测高等级的 GPS 控制点，并进行三维或二维的约束或3非约束转换计算。另外，如果小区域的地形高程变化过大，绝对高程也高，其投影长度的影响很大，则应根据平面控制网的使用目的选择测区合适的投影高度进行边长投影长度转换计算。此外，在高程方面，由 GPS 所测得的高程是测站相对于 WGS-84 椭球面
14、的大地高，而我国所采用的高程系统是相对于似大地水准面的正常高系统。由于实际存在的大地水准面变化复杂，使地面各点的高程异常不同。即使在较小范围内，这种高程异常差值也可达一定数值，GPS 高程难以满足水准测量的要求，使 GPS 高程不能直接应用于各种工程建设中。要得到较高精度的正常高，还必须单独进行水准测量或三角高程测量，但其外业观测条件艰苦、效率低下。因此，要充分利用 GPS 的大地高进行 GPS 高程测量，必须采用数学方法计算各控制点高程异常。1.2.3 国内、外研究状况随着经济建设的迅速发展，一些大中城市已有控制网的控制范围和精度已不能满足城市规划及土地管理的需要，急需一套既满足现在的地籍测
15、量工作，又有利于将来日常地籍动态监测管理需要的控制网资料。由于 GPS 定位技术有传统测量技术无法比拟的优越性，因此，利用 GPS 定位技术来改造和建立城市地籍控制网是目前比较有效的方法。随着 GPS 硬件性能的改善和软件数据处理技术的精化，GPS 以其高精度、高效益、全天候和布测灵活等优势在工程测量中广泛应用。各种类型的 GPS 测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达 5mm+1PPMD，单频接收机在一定距离内精度可达 10mm+2PPMD。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。GPS 建立城市控制网，可以达到很高的精度。目前，GPS 常规静态测量、GPS 快速静态测量、RTK
16、 技术已经逐步取代常规的测量方式，成为地籍控制测量的主要手段。边长大于 15km 的长距离 GPS 基线向量，只能采取常规静态测量方式。边长在 10-15km 的 GPS 基线向量，如果观测时刻的卫星很多，外部观测条件好，可以采用快速静态 GPS 测量模式；如果是在平原开阔地区，可以尝试 RTK模式；边长小于 5km 的一、二级地籍控制网的基线，优先采用 RTK 方法，如果设备条件不能满足要求，可以采用快速静态定位方法。边长为 5-10km 的二、三、四等基本控制网的 GPS 基线向量，优先采用 GPS 快速静态定位的方法；设备条件许可和外部观测环境合适，可以使用 RTK 测量模式。近几年，地
17、籍控制测量基本采用了以上三种 GPS 测量模式。如在大庆 5.5 万公顷油田用地的地籍调查中，采用常规静态的作业方式建立了首级地籍控制网，然后采用 RTK测量方式加密低一级地籍控制点。 【4】城市地籍 GPS 控制网的控制区域有限，边长短，观测时间短。因为 GPS 定位的高精度、快速度、省费用等优点，我国建立城市地籍控制网的方法已基本被 GPS 技术所取代。但是，要将 GPS 定位技术彻底的应用于城市地籍控制网的建立中，还存在很多问题，如GPS 测量坐标的转换、投影带选择和 GPS 高程等急需解决。同时，国内很多工程单位正在研究使用 RTK 定位技术建立城市地籍控制网。由于RTK 观测时间短，
18、可以快速定位，用于地籍碎部测量可以很大的提高作业效率，但是，使用 RTK 布设控制网时，精度能否达到规范要求还存在疑问。1.3 本文研究的主要内容为了更好的利用 GPS 定位技术，本文从以下几方面对城市地籍控制网设计及其相关问题进行了研究总结。(1)GPS 测量的基本问题详细阐述 GPS 测量技术设计、网形布设、外业观测、数据处理及质量控制的基本问题。(2)投影带的选择分析工程测量中投影面和投影带选择的出发点及工程测量平面控制网的精度要求，并介绍工程中常用的坐标系的方法。(3)GPS 高程拟合介绍 GPS 测高原理及各高程系统之间的关系，并对一些常用的拟合方法及数学模型进行了分析，总结它们的适
19、用条件及优缺点。(4)工程实例结合具体的工程数据，实现 GPS 网数据平差计算，对地面基准点进行检验；对 GPS高程进行拟合计算，并对拟合结果进行检核比较。GPS 控制网代替常规控制网，可以充分发挥 GPS 网的优越性。通过对城镇 GPS 网建5立和数据处理过程中的几个问题的研究，结合实际工程项目数据，得出具体的结论，对以后的生产实践积累经验。基于以上目的，本论文主要由五部分组成：第一章概述，主要介绍 GPS 测量的背景、国内外研究现状及本论文研究的内容；第二章介绍 GPS 定位技术及其在城镇地籍控制网建立中的应用；第三章是关于 GPS 网的设计和数据处理，包括基准设计、网形设计、设计指标、数
20、据处理等，详细介绍工程中投影带的选择和高程拟合的方法；第四章是以工程实例数据介绍城镇地籍 GPS 网的建立方法及测量；第五章得出研究结论，并展望 GPS技术的发展。2 GPS技术及其在地籍控制测量中的应用2.1 GPS定位原理2.1.1 GPS 定位原理GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统。用户利用 GPS 技术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，还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。GPS 卫星可发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。GPS 用户设备接收机在某一时刻
21、接受三颗以上的 GPS 卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P 至三颗以上卫星的距离，并解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站 P 的位置。GPS 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。GPS卫星发射两种频率的载波信号， L1载波和L2载波。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有C/A码、P码、Y码。2.1.2 GPS的观测模型在 GPS 定位中，GPS 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由 GPS 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理
22、，GPS 定位原理和方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分 GPS 定位等。1.伪距测量伪距法定位是由 GPS 接收机在某一时刻测出四颗以上 GPS 卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达 GPS 接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的影响，所测距离与实际距离有一定得差值，因此一般称此距离为伪距。这种测7量方法就是伪距测量。伪距定位所采用的观测值为 GPS 伪距观测值，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。伪距测量的基本方程：(2-1)ntcT式中， 为伪距测量值
23、， 为卫星至接收机的几何距离，T为测距码的周期， 为 相应测距码的波长，n为正整数，c为信号传播速度。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.载波相位测量由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲，其测距精度还显得过低而无法满足需要，而把载波作为量测信号，用相位调整的方法在载波上调制测距码和导航电文，用户接受到信号后，对其进行解调、重建载波、数据
24、处理，就可以使测距达到很高的精度。接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：(2-2)jkbak Ncfftfc21载波相位定位所采用的观测值为 GPS 的载波相位观测值，即 L1、L2 或它们的某种线性组合。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。2.1.3 GPS 观测值的求差组合在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定
25、位的精度。GPS 载波相位观测值可以在卫星间求差，在接收机间求差，也可以再不同历元间求差。各种求差法都是观测值的线性组合。将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的结果被当做虚拟观测值，叫做载波相位观测值的一次差或单差。常用的求一次差是在接收机间求一次差。对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以被当做虚拟观测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。常用的求二次差是在接收机间求一次差后再在卫星间求二次差，叫做星站二次差分。对二次差继续求差称为求三次差。所得结果叫做载波相位观测值的三次差或三差。常用的求三次差是在接收机、卫星和历元之间求三次差。各种差分观测值模型能够有效地消除各种
26、偏差项。单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项，双差观测值中可以消除与接收机有关的载波相位及其钟差项，三差观测值中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项 N。因而差分观测值模型是 GPS 测量应用中广泛采用的平差模型。特别是双差观测值，即二次差分模型，更是大多数 GPS 基线向量处理软件包中必选的模型。2.2 GPS测量误差来源及消弱、消除措施GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差主要来源于 GPS 卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的GPS 测量中（如地球动力学研究） ，还应注意到与地球整体运动有关的地球潮汐、负
27、荷潮及相对论效应等的影响。在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。GPS测量误差可分为以下四大类：1.与GPS卫星有关的误差(1)SA。美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度( 技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动( 技术)等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。(2)卫星星历误差。在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道9参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。解决星历误差的方法：建立自己的卫星跟踪网独立定轨；轨道松弛法，即把已知的卫星轨道作为初始值，
28、视其改正数为未知数，平差时一并求得次改正数。同步观测值求差。(3)卫星钟差。卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。卫星钟差和经改正后的残余误差，须采用在接收机间求一次差等方法来进一步消除。(4)卫星信号发射天线相位中心偏差。卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。2.与传播途径有关的误差(1)电离层延迟。由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。减弱电离层影响的措施：利用双频
29、观测；利用电离层改正模型加以修正；利用同步观测值求差。(2)对流层延迟。由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度湿度和气压有关。减弱对流层折射改正残差影响的主要措施：采用对流层模型加以改正；引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求得；利用同步观测量求差；利用水汽辐射计直接测定信号传播的影响。(3)多路径效应。由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。消弱多路径效应误差的方法：选择合适的站址；使用有抑制作用
30、的接收机天线。3.与接收机有关的误差(1)接收机钟差。接收机钟差是GPS接收机所使用钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。减弱接收机钟差的方法：把每个观测时刻接收机钟差当做一个独立的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解；认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的参数。通过在卫星间求一次差来消除接收机钟差。(2)接收机天线相位中心偏差。接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测了同一组卫星，便可以通过观测值的求差来消弱相位中心
31、偏移的影响。(3)接收机软件和硬件造成的误差。在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。4.其它误差(1)地球自转的影响。当卫星信号传播到观测站时，而与地球相固联的协议地球坐标系相对卫星的瞬时位置已产生了旋转，由此引起坐标系中的坐标变化。(2)地球潮汐改正。由于地球不是刚体，在太阳和月亮的引力作用下，固体地球要产生周期性的弹性形变（固体潮），并且地球上的负荷也将发生周期性的变动，使地球产生周期的形变（负荷潮汐），因此引起坐标变化。以上误差，按误差性质可分为系统误差和偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应，系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以
32、及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性讲都比偶然误差要大得多，它是 GPS 测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循，可采取一定的措施加以消除。 【9】2.3 GPS数据处理与所有测量任务相同，由GPS定位技术所获得测量数据，同样需要经过数据处理，方能成为合理而实用的成果。GPS 接收机采集记录的是 GPS 接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据。GPS 数据处理要从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其数据处理过程大致分11为 GPS 测量数据的基线向量解算、GPS 基线向量网平差以及 GPS 网平差或与地面网联合平差等几个阶段。数据处理的基
33、本流程如下：数据采集数据传输预处理基线解算GPS 网平差上述数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据，数据传输一般使用随机软件（后处理软件）将接收机记录的数据传输到计算机，在计算机上进行预处理和基线解算。GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差等内容。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。大多数的GPS接收机，采集的数据记录在接收机的内存模块上。数据传输是用专用电缆将接收机与计算机连接，将观测数据传输至计算机。数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。下载到计算机中的数据按G
34、PS接收机的专有格式存储，一般为二进制文件。通常，只有GPS接收机厂商所提供的数据处理软件能够直接读取这种数据以进行处理。若所采用其他数据处理软件，则需要事先通过格式转换。GPS数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效无用的数据；统一数据文件格式，并将各类数据文件加工成标准文件(如GPS卫星轨道方程的标准化，卫星时钟钟差标准化，观测值文件标准化等)；找出整周跳变点并修复观测值；对观测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正。在基线解算过程中，由GPS采集到的数据被用来确定接收机之间的基线向量及其方差-协方差阵。基线向量提供了点与点之间的相对位置关系。通过这些基线向量
35、，可确定GPS网的几何形状和定向。但是，由于基线向量无法提供在确定点的绝对坐标时所必需的绝对位置基准，因而必须从外部引入，该外部位置基准通常由一个以上的起算点提供。数据处理的最后一个阶段是网平差。在这一阶段中，基线解算时所确定出的基线向量被当做观测值，基线向量的验后方差-协方差阵则被用来确定观测值的权阵，同时，引入适当的起算数据，通过参数估计的方法确定出网中各点的坐标。通过网平差还可以发现含有粗差的基线向量，并采用相应的方法进行处理。另外，网平差还可以消除由于基线向量误差而引起的几何矛盾，并评定观测成果的精度。2.4 GPS在城镇地籍控制测量中的应用2.4.1 GPS 地籍控制测量城市地籍控制
36、网的特点是控制区域有限，边长短，变化快。因为 GPS 定位精度高、速度快、费用省等优点，我国建立城市控制网的手段已基本被 GPS 技术所取代。利用 GPS 定位技术进行地籍控制测量，除了精度高、速度快、费用省以外，还有如下优点：第一，它不要求通视，这样避免了常规地籍控制测量点位选取的局限条件；第二，没有常规三角网(锁)布设时要求近似等边及精度估算偏低时应加测对角线或增设起始边等繁锁要求。因此，只要使用的 GPS 仪器精度与地籍控制测量精度相匹配，控制点位的选取符合 GPS 点位选取要求，那么所布设的 GPS 网精度就完全能够满足地籍规程要求。GPS 卫星定位技术的迅速发展，给测绘工作带来了革命
37、性的变化，也给地籍测量工作，特别是地籍控制测量工作带来了巨大的影响。由于 GPS 技术具有布点灵活、全天候观测、观测及计算速度快、精度高等优点，使 GPS 技术在国内各省市的城镇地籍控制测量中得以广泛应用。GPS 定位技术在城市控制测量方面的作用可分为：建立新的城市控制网、检核和改善已有网、对已有的控制网进行加密、拟合区域大地水准面。(1)建立新的控制网建国后，我国各大城市都已布设过城市控制网，但由于城市规划建设及人为的破坏，现存控制点已不多，均需要建立新的控制网，首选方法就是 GPS 技术。(2)检核和改善已有控制网对于已有的控制网,由于经典观测手段的限制，精度指标和点位都不能满足国民经济发
38、展的需要，最经济、最有效的方法就是利用高精度 GPS 技术对原有老网进行全面改造，合理布设 GPS 网点，并尽量与旧网重合，再把 GPS 数据和经典控制网一并联合平差处理，从而达到对旧网的检核和改善目的。(3)对旧网进行加密对于已有的城市控制网，除了城区范围扩大，本身点位密度不够外，人为的破坏也13相当严重，为了满足基本建设的需要，采用 GPS 技术对重点地区进行控制点加密是一种行之有效的手段。(4)拟合大地水准面GPS 技术用于建立城市控制网，在确定平面位置的同时，能以很高的精度确定控制点间的相对大地高差。但地形图测绘和工程建设都是使用正常高，因此必须把 GPS 测得的大地高差以某种方式转化
39、成正常高。通常的方法是：采用密度及合理分布的 GPS 水准高程联测点，用数学手段拟合区域似大地水准面或者利用区域地球重力场模型来改化大地高为水准高。2.4.2 GPS 城镇地籍测量规范一、 城市测量规范中关于城市平面控制测量的一般规定：1.城市平面控制网的布设应遵循从整体到局部、分级布网的原则。首级网应一次全面布设，加密网视城市建设的主次缓急，可分期分批局部布设。2.建立城市平面控制网可采用全球定位系统(GPS 定位)、三角测量、各种形式的边角组合测量和导线测量。平面控制测量方法的选择应因地制宜，既满足当前需要，又兼顾今后发展。做到技术先进、经济合理、确保质量、长期适用。3.城市平面控制网的等
40、级划分，GPS 网、三角网和边角组合网依次为二、三、四等和一、二级，导线网则依次为三、四等和一、二、三级。当需布设一等网时，应另行设计，经主管部门审批后实施。各等级平面控制网，根据城市或测区的规模均可作为首级网。首级网下用次级网加密时，视条件许可，可以越级布网。4.一个城市只应建立一个与国家坐标系统相联系的、相对独立和统一的城市坐标系统，并经上级行政主管部门审查批准后方可使用。城市平面控制测量坐标系统的选择应以投影长度变形值不大于 2.5cm/km 为原则，并根据城市地理位置和平均高程而定。5.城市平面控制网未能与国家三角网联结，或联测国家点确有困难时，应在测区中央附近采用 GPS 定位或测定
41、天文方位角，作为城市控制网的定向依据。6.城市平面控制网观测成果的归化计算，应根据观测方法和成果使用的需要，采用我国 1980 西安坐标系或继续沿用 1954 北京坐标系，采用大地坐标系的地球椭球基本参数应符合规定。7.在己测有国家三角点的测区内进行城市测量时，城市控制网宜与国家网进行联结，联结时应对拟利用的国家网点的精度进行具体分析。8.城市平面控制网的精度要求应符合下列规定:四等网中最弱相邻点的相对点位中误差 Mij不得大于 5cm。四等以下网中最弱点的点位中误差对 Mw(相对于起算点)不得大于 5cm。点位中误差可根据点位误差椭圆的长半轴 aw和短半轴 bw，或点位在坐标轴方向的误差 m
42、x、m y来计算；相对点位中误差可根据两点的相对点位误差椭圆的长半轴 aw和短半轴 bw，或坐标增量的误差 mx 和 my ，或边长误差 m 和方向角误差 m 及边长 S 来计算。即： (2-3) aMyxww22(2-4)Sbsyxijijij 2222二、 全球定位系统 GPS 测量规范中的规定根据我国颁布的全球定位系统测量规范，GPS 基线向量网被分成了AA、A、B、C、D、E 级别。以下是我国全球定位系统测量规范中有关 GPS 网等级的有关内容。1.GPS 测量按其精度划分为 AA、A、B、C、D、E 级。GPS 快速静态定位测量可用于 C、D、E 级 GPS 控制网的布设。2.各级
43、GPS 测量的用途：AA 级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A 级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量；B 级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量；C 级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E 级主要用于中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量。3.各级 GPS 网相邻点间基线长度精度用下式表示，并按表 2.1 规定执行。15(2-5)10622dba式中： ：标准差(mm)；a ：固定误差(mm)；b ：比例误差系数；d ：相邻点间距离(mm)。表 2.1 精度分级级别固定误差 a，mm 比例误差系数AA 3
44、0.01A 5 0.1B 8 1C 10 5D 10 10E 10 202.GPS 测量大地高差的精度，固定误差 a 和比例误差系数 b 按表 2.1 可放宽 1 倍执行。3. 各级GPS网相邻点间平均距离应符合表2.2要求。相领点最小距离可为平均距离的1/3-1/2；最大距离可为平均距离的2-3倍。表2.2 GPS网中相邻点之间的平均距离（km）项目级别 AA A B C D E平均距离 10003007010-15 5-100.2-5对于各类 GPS 网的精度设计主要取决于建网的用途。国家测绘局发布的GPS 测量规范中将 GPS 测量按其精度划分为 AA、A、B、C、D、E 五级，按照此规
45、范中 GPS 网相邻点的距离来看，城市控制网一般只能划归 D，E 两级，考虑到城市控制网的特殊要求，也参照城市测量规范对常规控制网的等级和精度的划分方法，一般将城市 GPS 测量或 GPS 网分成 C，D，E 三级。中等以上的城市分 C，D，E 三级布设，小城市只布设D，E 两级.作为首级网的 C 级或 D 级网，布设时考虑远期规划的要求，次级网(D 级或 E级)可根据实际需要布设，E 级网一般可以应用 GPS 快速定位技术施测或用光电测距导线代替。3 城镇地籍 GPS网技术设计城镇 GPS 测量与常规 GPS 测量相类似，在实际工作中也可划分为方案设计、外业实施及内页数据处理三个阶段。3.1
46、 地籍 GPS测量的技术设计地籍 GPS 测量的技术设计是进行 GPS 定位测量的最基本性工作，它是依据国家有关规范（规程）及 GPS 网的用途、用户的要求等对测量工作的网形、精度及基准等进行的具体设计。GPS 网的技术设计的主要依据是 GPS 测量规范和测量任务。1.GPS 测量规范GPS 测量规范是国家测绘部门或行业部门制定的技术法规，目前城市 GPS 网设计依据的规范有：2001 年国家质量技术监督局发布的全球定位系统测量规范 。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 。各部委根据本部门 GPS 工作的实际情况制定的其他 GPS 测量规程或细则。2.测量任务书测量任
47、务书或测量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。这种技术文件是指令性的，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。在 GPS 方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的 GPS 网的精度、密度和经济指标，再结合规范规定并现场踏勘，具体确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时段长度等布网观测方案。 【9】3.2 城镇地籍 GPS网的设计GPS 网设计的出发点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。根据GPS测量规范可知，GPS网的布设应视其目的、要求的精度、卫星状况、接17收机类型和数量、测区已有的资料、测
48、区地形和交通状况以及作业效率综合考虑，按照优化设计原则进行。另外，地籍控制测量是测设地籍基本控制点和地籍图根控制点，是为开展初始土地登记、建立基础地籍资料、以及日常地籍的动态管理而布设的平面测量控制。根据国家土地局颁布的城镇地籍调查规程要求，地籍平面控制网可布设为二、三、四等三角网、三边网及边角网，一、二级小三角网，一、二级导线网及相应等级的 GPS 网，并且各等级地籍平面控制网点，根据地籍规模均可作为首级控制。3.2.1 GPS 地籍控制网的精度和密度设计根据我国颁布的全球定位系统测量规范，GPS 基线向量网被分成了AA、A、B、C、D、E 级别。我国全球定位系统测量规范中有关 GPS 网等
49、级的有关内容见第二章。地籍测量的首要任务，是进行全测区的控制测量，它是测绘地籍图件和数据采集的基础，而地籍控制网点的精度和密度，主要是为满足测量土地权属范围的特征点（界址点）服务。城市 GPS 地籍控制网的网点密度可按测区范围和建设先后次序分为基本网和加密网两类。地籍 GPS 网各边比常规网边长变化幅度大并且长短边结合灵活方便，因此，各级网可视需要分期布设，也可一次性混合布设到需要的密度。3.2.2 GPS 网的基准设计GPS 测量获得的是 GPS 基线向量，它属于 WGS-84 坐标系的三维坐标差，而实际我们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。所以在 GPS 网的技术设计时，必须明确 GPS 成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确 GPS 网所采用的基准（基准设计） 。GPS 网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以有 GPS 基线向量的方位角作为方位基准。尺度基准一般有地面的电磁波测距边确定，也可由两个以上的起算
