1、2019/3/8,GPS教学实习,主讲:魏二虎 副教授,-2-,主要内容,GPS 定位技术基础 测量的概念和任务 传统测量技术 GPS定位技术概述 实习1：GPS静态测量及数据处理 GPS静态测量基础 GPS静态测量及数据处理 实习2： GPS RTK地形测量 GPS RTK定位技术基础 GPS RTK测量流程及原理 实习3：工程设计和放样 工程设计 GPS RTK工程放样,-3-,第一部分、GPS定位技术基础 第一节、测量的概念和任务,一、测绘的任务为研究和描述全球或区域地形而获得数字信息和图形信息，并指导工程放样。 一）、测绘工作可以分为两个方面 1、获得数字信息和图形信息：测量地物点的有
2、关信息，通过计算而求出其坐标或演变量（如速度、轨迹等）、并绘制成相关的图形。如：全球地形图、平面地形图、交通旅游图、立体地形图等。2、放样测量：将从图纸设计的工程理论坐标放样在地物点上，指导工程施工工作。如铁路、公路、桥梁、隧道、水库、大坝等工程设计和放样。,-4-,二）测绘工作的过程,1、测量地物点的有关信息：又称数据信息采集。2、数据处理：确定坐标系统，使用多于未知参数的观测值通过最小二乘平差数据处理求出未知参数（如三维坐标或平面坐标和高程）的最佳估值。3、绘图：按照测量目的和任务需要可以将计算的坐标和有关属性绘制成全球地形图、平面地形图、交通旅游图、立体地形图等。4、工程设计：工程设计人
3、员可以在有关地形图上规划设计工程图：铁路、公路、桥梁、隧道、水库、大坝等，并计算放样点参数（一般为工程特征点坐标）。5、放样测量：将从图纸设计的工程特征点按理论坐标放样在地物点上，指导工程施工工作。,-5-,第二节、传统的导航和测量技术,一 、传统技术和工具：一）测量工具：光电仪器测量技术1、测量原理：通过测边、测角、三角高差、水准高差来测量未知点坐标2、缺陷:1). 因光学分辨率、地面障碍物等影响测站与前后尺的光线通视,同步测量距离短，搬站频繁、积累误差大。.2) 观测条件高，效率低，人力耗用高。,-6-,二）导航工具,1、罗兰C导航仪：使用岸台上（2-3个）信标台作为基准，纯粹测边，前方交
4、会船只、近海的陆地载体等的坐标位置：要求载体距离海岸线距离近；导航精度低（300米之内）。 2、陀螺仪：由密度很高的物质做成，可以高速运转来保持姿态和按设定定向、导航；随着载体运行距离将长，误差积累性大，价格昂贵。很难普遍使用。,-7-,二、空间定位技术的发展： 一）、空间定位技术的问世及背景：,1、全球和平的环境提供了基础： 测绘科学的发展已经有了四千多年的历史，但发展最快的时期是从20世纪50年代末期开始；因为二战结束了，世界进入了没有大型战争的和平时期，各国将注意力从战争转移到了地区、国家的建设和科技的发展。 2、军事防御的需要：科学技术在二战中发挥了很大的作用，尤其是航空航天等空间科学
5、技术。航空战斗机的战斗力在二战中发挥得淋漓尽致；美国用火箭发送到日本广岛、长奇两地的原子弹为结束二战乎起到了决定性的作用。战争的最后就是尖端科学的较量；居安思危，人们开始意识到核武器和空间科学技术成为将来战争武器和技术的发展方向之一。到20世纪50年代末期，已经有了大量航天器围绕地球成功的运行着：如气象卫星等科学实验卫星。根据北美防空司令部（NAADC）的报告，截至1990年9月30日为止，围绕地球运行的航天器已达6681个。航空航天事业的发展成果对于使用卫星进行军事导航提供了基础。,-8-,二）第一代卫星导航系统： 子午卫星系统（TRANSIT ),1、测量原理：将测站用6颗子午卫星代替，运
6、行在10100公里高的天空中，测量卫星到卫星接收机的距离，后方交会地面点坐标。扩大测站与测尺通视范围和距离。 使用穿透能力更强的电子信号大大提高通视能力和作业条件。 使用电子信号的多普勒频移来测量距离。卫星测量属于纯测边网。,-9-,2、缺陷 1)6颗卫星,太少,不能全天候测量。2)地面监控站不能实时的提供卫星星历,所以不能实时定位。3)轨道高度10100公里,太低,因为地球引力、摄动影响，卫星难以精密定轨。4)频率低,难以补偿电离层折射的影响。5)定位精度低。 3、应用导航、远程测量,-10-,第三节、GPS定位技术基础,一 、技术特点：1、地面控制部分：美国提供的5个监控站、一个主控站、3
7、个注入站，实时提供卫星广播星历、卫星钟改正等参数。为GPS实时定位提供必要条件。建立卫星定轨网、提供精密星历2、卫星部分：24颗卫星、高度在20200公里。可以精密定轨，可以全天候导航与测量。,-11-,3、不同精度的距离测量,载波L1：波长19.02厘米,测量精度可以达到2毫米. 载波L2：波长24.42厘米,测量精度可以达到2 .42毫米. D码提供卫星星历和时钟改正参数。 P码、C/A码伪距测量使得卫星到GPS接收机天线相位中心的距离测量精度在1米和10米以内. 这就使得GPS定位技术广泛用于导航和测量中。,CA码,P1,P2,GPS接收机,GPS卫星,-12-,二、单机伪距定位 ：,观
8、测值：CA码伪距 卫星坐标和卫星钟改正数由卫星导航电文求得。 系统误差的消除：电离层和对流层折射改正由模型求得。 未知数为接收机天线相位中心坐标和接收机钟改正数（X，Y，Z，Cv）非随机量。,-13-,计算方法：,观测方程 = C*(T -T1) = + -cV卫星+cV接收机 _ =(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2 误差方程： 至少观测4颗卫星,设:X=X0+ X ，Y=Y0+ Y ，Z=Z0+ Z将在近似坐标(X0，Y0，Z0)上用泰勒级数展开:v=aX+b Y+c Z +cV接收机+ 0; V=AX-f用最小二乘原理VTPV=Min：列出法方程：N X=Apf, X=N-1
9、 Apf；X=（ X， Y， Z， cV ）X=X0+ X ，Y=Y0+ Y ，Z=Z0+ Z求出用户：导航坐标(X,Y,Z)或(B,L,H) 接收机钟差：Cv,-14-,应用 1、由于C/A码伪距测量精度、系统误差的模型改正残差等影响定位精度20米左右。 2、主要应用于各种载体的米级导航。1）渔民导航，船舶导航2）飞机起飞或着陆导航3）找测量点或其它特征点概略位置4）装入通讯手机、手表等提供位置信息5）用于急救火灾或病人6）城市交通监测、车辆管理和调度。,-15-,三、载波相位相对定位技术,(X Y Z),基线矢量,D1(X1,Y1,Z1),D2(X2,Y2,Z2),+,=,-16-,1 、
10、载波相位相对定位技术提出,L1载波波长：19.02cmL2载波波长：24.42cm测量精度为2mm左右。 残余系统误差对同一时刻两台GPS接收机到两颗卫星距离观测值的相关性强。 采用载波相位相对差分定位。,-17-,2、双频两个载波（L1，L2）观测值间的线性组合,常用的线性组合,合成新的单频载波 宽巷（Wide lane）观测值：1和2之差：=n 1+m 2= 1- 2；（ n=1，m=-1）频率f=f1-f2=347.82MHZ; 波长 =c/f =86.19cm; 模糊度N=N1-N2*利于求解模糊度,测量噪声大.,-18-,2、双频两个载波（L1，L2）观测值间的线性组合,窄巷（Nar
11、row lane）观测值 ：1和2之和： =n 1+m 2= 1+ 2；（ n=1，m=1）频率 f=f1+f2=2803.02MHZ; 波长 =c/f =10.70cm; 模糊度N=N1+N2 *不利于求解模糊度,测量噪声小 无电离层折射的观测量: c= 1.f12/(f12-f22)-2.f1.f2/(f12-f22)=2.54573 1-1.98368. 2c2=(+ )/2*消除电离层折射,但无整数解.,-19-,3、用接收机间或卫星间差分法消除误差,(1)在接收机间求一次差分 消除卫星钟差的影响； 消弱卫星星历误差的影响； 大大消弱对流层折射和电离层折射的影响,-20-,3、用接收机
12、间或卫星间差分法消除误差,(2)在接收机间和卫星间求二次差分消除一次差中误差外；还消除接收机钟差的影响 (3)在接收机间、卫星和历元间求三次差分：消除二次差分中误差外，消除整周未知数；用于求基线矢量初次解。,-21-,第二部分、实习1：GPS静态测量及数据处理,-22-,概 述,一、 GPS静态测量概念在进行GPS定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等；接收机测得卫星发送的伪距、载波相位等信号观测值；再将观测值下载到计算
13、机中处理；一般要通过基线处理、网平差、坐标转换和高程转换求出高精度的网点坐标。在测量中，静态定位测量方式一般用于高精度的测量定位：如主要用于各种等级的大地测量跟踪网、基准网、工程控制网、变形监测网等的测量。 二、GPS静态测量主要由三个过程来完成1）测前工作； 2）实施测量； 3）数据处理,-23-,第一节、测前工作,一、项目的提出：一项GPS测量工程项目，往往是由工程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求： 测区位置及其范围 用途和精度等级 点位分布及点的数量 提交成果的内容 时限要求 投资经费,-24-,二、一个完
14、整的技术设计，主要应包含如下内容,项目来源 测区概况 工程概况 技术依据 现有测绘成果 施测方案,-25-,二、技术设计,作业要求：规定选点埋石要求、外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）；对中、整平精度；天线高的量测方法及精度要求等。 观测质量控制：介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等。 数据处理方案：详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。 对于基线解算的数据处理方案，应包含如下内容：基线解算软件
15、、参与解算的观测值、解算时所使用的卫星星历类型等。 对于网平差的数据处理方案，应包含如下内容：网平差处理软件、网平差类型、网平差时的坐标系、基准及投影、起算数据的选取等。 提交成果要求：规定提交成果的类型及形式。,-26-,三、测绘资料的搜集与整理：需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点之记、坐标等）和测区的地形图等。 四、仪器的检验各种仪器包括GPS接收机及相关设备、气象仪器等进行检验，以确保它们能够正常工作。 五、踏勘、选点埋石：综合应用地形图、遥感图、摄影图和有关点之记进行选点、埋石工作。,-27-,第二节、测量实施,一、实地了解测区情况点位情况（点的位置、
16、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等。 二、卫星状况预报：需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。 三、确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的布网和作业方案。,-28-,一）选点,为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在1015高度角以上不能有成片的障碍物。 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片
17、水域等。 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。 测站应选择在易于保存的地方,-29-,二）布网,（一）GPS基线向量网的等级：依据国家测量规范、各行业测量规范、任务要求来定等级。以下用国家GPS测量规范为例说明GPS网等级的分类情况。根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个级别。下图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。,-30-,二）布网,A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。 美国联
18、邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，此等级的网一般为全球性的坐标框架。,-31-,（二）GPS基线向量网的布网形式,GPS网常用的布网形式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式（枢纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式 1、跟踪站式：1）、布网形式：若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。2）、特点：由于在采用跟踪站式的布网形式布设GPS网时，接
19、收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。 每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布网形式的观测成本很高。 此种布网形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用。,-32-,2、会战式,1）布网形式在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，所有接收机在若干天的时间里分别在同一批点上进行多
20、天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，所有接收机又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。 2）特点采用会战式布网形式所布设的GPS网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，所以可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。,-33-,3、多基准站式,1）布网形式：所谓多基准站式的布网形式就是有若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。 2）特点：采用多基准站式的布网形式所布
21、设的GPS网，由于在各个基准站之间进行了长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。另外一方面，其余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得更强的图形结构。,-34-,4、同步图形扩展式,1）布网形式：同步图形扩展式就是多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。 2）特点：同步图
22、形扩展式的布网形式具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式，在本书中将着重介绍此种布网形式。 3）采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种式：点连式、边连式、网连式、混连式。,-35-,（1）点连式,观测作业方式 所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测观测了个时段后，就可以测得个点。特点优点：作业效率高，图形扩展迅速；缺点：图形强度低，如果连接点发生问题
23、，将影响到后面的同步图形。,-36-,（2）边连式,观测作业方式：所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测观测了个时段后，就可以测得个点。 特点：边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。,-37-,（3）网连式,观测作业方式所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得个新点，当这些仪器观测了个时段后，就可以测得个点。 特点采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式
24、观测作业方式的作业效率很低。,-38-,（4）混连式,观测作业方式：在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种观测作业方式就是所谓的混连式。 特点：混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。,-39-,5、单基准站式,1）布网形式：又称作星形网方式，以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样，流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步
25、观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。 2）特点 效率很高 故图形强度很弱 需要每个测站至少观测两次。,-40-,四）GPS网的设计准则,出发点：保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。因此，在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地最求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。 （一）提高GPS网可靠性的方法 增加观测期数（增加独立基线数): 在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性
26、的提高是非常有宜的。,-41-,（一）提高GPS网可靠性的方法,保证一定的重复设站次数: 保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点
27、的可靠性则越高。 在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条：在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。,-42-,（二）提高GPS网精度的方法,为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；精心制定一个子区和子环路的实测方案。 在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条 在布设GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与GPS观测值（基线向量
28、）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。 若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应竟可能的多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。 为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。,-43-,（三）布设GPS网时起算点的选取与分布,若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选35个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。 为保证整网的点位精度均匀，起算点一
29、般应均匀地分布在GPS网的周围。要避免所有的起算点分布在网中一侧的情况。,-44-,四、外业观测,一）制定测量安排表：内容包括：同步环测量起止时间、搬站时间、每一个同步环里各接收机所在观测点。车辆、司机的安排和调度等。举例如下：,-45-,二）接收机操作,1、一体化Locus单频接收机仪器 GPS设备（GPS天线、主机、电池盒电池） 天线基座连接器、天线基座、角架。 2、在测站上测量操作 开机 到测站后，先连接基座和角架，对中整平。 再将一体化GPS与连接器和基座相连。 确认对中整平，各线连接好后，量天线斜高上到天线高测量板槽口处，下到测站中心，天线半径为0.10米。,-46-,二）接收机操作
30、,按兰色开关，开机，指示灯（卫星数、电源、磁盘记录、等待警报）一起显示红色，再统一变为绿色，并发出“嘀嘀”声音表示已经正常开机，放开开关。 卫星数指示灯闪烁次数表示观测卫星个数，卫星个数4，正常记录开始。在笔记本上记录：点名、天线高、观测时段、卫星个数。,-47-,(二）关机,如果到了关机时间 1）检查对中整平，再量天线高，记录检查卫量个数。 2）按住开关大于3秒，直到无指示灯闪烁。 3）再拆下一体化GPS，搬站。,-48-,3、分体仪器Step-1单频接收机介绍,1）组成GPS主机；条形电池；充电器；GPS天线；天线基座连接器；天线基座；角架；多功能线；电源线；天线电缆等。 2）开机 到测站
31、后，先连接基座和角架，对中整平。 再将GPS天线、天线连接器和基座相连。,-49-,3、分体仪器Step-1单频接收机介绍,将GPS天线和GPS接收机用天线电缆相连。 将多功能线和电源线、GPS主机相连。 确认对中整平，各线连接好后，量天线斜高上到天线槽口上沿，下到测站中心，天线半径为0.08米。 按黑色开关，开机，指示灯间隔显示，红色表示电源正常，两次红灯闪烁之间绿灯闪烁次数表示观测卫星个数，卫星个数4，正常记录开始。 在笔记本上记录：点名、天线高、观测时段、卫星个数。 3）关机（如果到了关机时间 ） 检查对中整平，再量天线高，记录检查卫量个数。 按住开关大于3秒，直到无指示灯闪烁。 再拆天
32、线、基座、电源，搬站。,-50-,第三节、数据处理,静态相对测量数据处理基本步骤：粗加工、预处理、基线解算、GPS网与地面网的联合网平差处理、坐标转换和高程转换。 一、粗加工（人工）1、原始观测数据的下装：在进行基线解算之前，首先需要从接收机上下装原始的GPS观测值数据：至少应当有：1）观测值文件；2）星历参数文件；有些接收机还另外列出了：测站信息文件、电离层参数和UTC参数文件。2、外业输入数据的检查与修改：在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。,-51-,三、基线向量的解算,1、设定基线解算的控制参数（人工）基线解算的
33、控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。 （1）卫星高度角的选择：一般取15度 （2）处理数据类型选择 处理L1单频数据：15公里之内的短边或单频接收机采用。 处理L1-L2：宽相数据：双频接收机采用 处理L1+L2：窄相数据：双频接收机采用 处理L1/L2消去电离层影响的载波相位：双频接收机采用,-52-,1、设定基线解算的控制参数（续）,（3）观测值粗差排除限制参数: v3 RMS （4）收敛标准：三差分为0.01米,双差分为0 .0001米。 （5）最多迭代次数：缺省值
34、是10 （6）模糊度固定原则：3：次最小/最小3 ，不能小于1.5 （7）参考精度：计算误差/估计误差10，不能大于20 （8）RMS：单频0.03米,不能大于0.04米, 双频0.02米，不能大于0.03米,-53-,2、基线质量分析和检验,基线的质量检验需要通过如下分析检验,才能进行网平差 1)每一条基线的检验 模糊度的可靠指标Ratio：短边绝对值3，或相对值为95%；长边应降低要求。 基线实际误差与估计误差的比值：越小越好10, 不能大于20 反映观测值质量的均方根误差RMS、参考因子单位权中误差m0、有关项的精度估值mi。 残差分析：载波相位残差图（应单频双频分别在0.02米0.04
35、米之内,），分析残余误差类型。,-54-,1）每一条基线的检验,调整参数 观测值删除率使用残差为RMS的倍数:Editor：1.5到3之间调整卫星高度角：10到20度之间调整。 选择时段、卫星取舍 双频接收机选择采用处理： L1单频数据、宽相数据、窄相数据、消去电离层影响等的载波相位 2）基线间检验 同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差： 分别满足测量规范规定的等级相对精度要求的：3/5、2*(3*n)0.5、2*20.5倍. 调整：通过比较找出超限闭合环中共同的基线，通过调整有关参数，再处理，方法同前。,-55-,四、基线向量网平差,1、概述1）概念：以GPS基线向量为观测值，以其方差阵
36、之逆为权，进行计算求定各GPS网点的坐标并进行精度评定。2）分类（1）无约束平差：只约束一个点坐标。（2）约束平差：约束条件多于一个点的坐标，如还有其它已知点坐标或边长、方位角等。（3）联合平差：观测值有：GPS基线向量观测值、地面常规测量观测值（边长、方位、高差），一起参与平差计算。（4）三维平差：求出三维地理坐标或平面坐标和海拔高程（5）二维平差：只求定平面坐标。,-56-,2、网平差参数设置,1）观测量范围选择1：68%的观测量2：96%的观测量3：99%的观测量2）参考因子的要求M01.03）调整尺度（Scale）观测值先验精度估计值的调整尺度。,-57-,3、网平差过程,1）三维无约
37、束平差 坐标系统：WGS84 目的：检查网本身的内符合精度、基线之间有无明显系统差和粗差，提供大地高数据。 平差过程 观测量：GPS基线向量 已知一个点坐标；X1=（x1，y1，z1） 未知数为其余点近似坐标的改正数 最小二乘平差计算出各点三维坐标。 精度评定 单位权中误差(参考因子)：应取值在1左右。 基线向量改正数绝对值满足Vx3倍的MX中误差Vy3倍的MY中误差Vz3倍的MZ中误差,-58-,3、网平差过程（续）,2）约束平差 坐标系统：地方椭球坐标系或平面坐标系 目的：提供三维大地坐标，或平面坐标及海拔高。 平差过程 观测量：GPS基线向量 已知两个或多个点坐标或已知边长或方位角 未知
38、数为其余点近似坐标的改正数 列出误差方程、法方程、求解、迭代计算；得出地方坐标结果和要求高程结果。 精度评定： 单位权中误差m0应取值在1左右。 基线向量改正数绝对值满足:Vx2倍的MX中误差 、Vy2倍的MY中误差Vz2倍的MZ中误差,-59-,3、网平差过程（续）,3）调整参数平差结果不成功的表现 参考因子：M01.0Vx、 Y 、Z要求指标：如3或2倍中误差 平差后的基线精度大于测量规范所规定的改等级网的相对精度：计算公式：误差/边长，表达为：多少万分子一、或n个ppm(即n10-6) 调整参数 取舍相应的基线，或再作基线处理，或重测、补测基线。 调整网平差期望精度，或调整观测值先验精度
39、估计值的调整尺度Scale 选择参与平差的观测值范围选择： 1，2，3 继续调整和处理，直到所有精度指标满足测量规范所规定的该等级精度要求，数据处理才算完成。,-60-,五、GPS静态测量的局限性,1、GPS静态定位在测量中主要作用测定各种用途的控制点。其中，较为常见的是利用GPS建立各种类型和等级的控制网：大地测量跟踪网、变形监测网、工程控制网等。 2、局限性：（地形图测绘、工程放样） 时间长、效率低 数据后处理:无法实时精密地形测绘和放样 用于实时精密地形测绘和放样的GPS测量系统世在必行.,-61-,第三部分、实习2：GPS RTK地形测量,-62-,第一章、GPS RTK测量基本原理,
40、第一节、概述 一、GPS RTK定位概念：Realtime Kinematic实时载波相位差分观测值动态定位。基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，在流动站通过无线电接收机准站发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站坐标差X，Y，Z；坐标差加上基准站坐标得到流动站每个点WGS84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标x,y和海拔高h。这个过程称作GPS RTK定位过程。GPS RTK定位技术主要用于地形测量和工程放样。,-63-,二、GPS RTK定位系统的组成,一）组成概述1、GPS接收机：能够测量到载
41、波相位的GPS接收机都能够进行RTK定位，但是为了能够快速、准确的求解整周模糊度，双频接收机比较理想。2、无线电数据链：1）基准站发射电台，一般为外置的独立电台。2）流动站接收电台，可以内置在GPS接收机内部，也有外置的独立电台。3）中继站电台：可以转发接收站信号， 既接收机准站发送的信号又将接收信号发送出去，一般是外置的独立电台。2、为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在基准站周围约200m的范围内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。,-64-,二）GPS RTK定位系统结构,一般至少有一套基准站、一套流动站；必要时需要中继站电台1、基准站结构：一套基站GPS接收
42、机及天线、独立的基准站发射电台及天线；有可能配置的电子手簿（如果接收机无限示面板时），由于基准站设置次数少，一般与流动站公用电子手簿；使用电子手簿设置完基准站后，转给流动站使用。2、流动站结构：外业测量作业时，可以使用多台流动站同时作业，每一套流动站的结构为：一套流动作业的GPS接收机及天线、流动站接收信号的电台（有的厂家可以将其内置于GPS接收机）及天线、设置和显示使用的电子手簿。3、中继站电台：为了扩展GPS RTK作业范围和距离，必要时可以在基准站和流动站之间设立中继站电台。,-65-,第二节、GPS RTK 测量基本原理,GPS RTK 测量过程一般包括：基站选择和设置、流动站设置、中
43、继站的设立等。 一、基准站的观测点位选择和系统设置一）基准站的观测点位选择GPS RTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很大。野外工作时，测站位置的选择对观测数据质量、无线电传播影响很大。但是，流动站作业点只能由工作任务决定观测地点；所以，基准站位置的有利选择非常重要。,-66-,一）基准站的观测点位选择,为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求基准站上空应尽可能的开阔，在515高度角以上不能有成片的障碍物。 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在基准站周围约200m的范围内不能有强电
44、磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。 为避免或减少多路径效应的发生，基准站应远离对电磁波信号反射强烈的地形、地物。 为了提高GPS RTK作业效率，基准站应选在交通便利，上点方便的地方。 基准站应易于保存，以便今后的应用。,-67-,一）基准站的观测点位选择（续）,为了数据链电台传输数据 由于电台信号传播属于直线传播，所以为了基准站和流动站数据传输距离更远，基准站应该选择在地势比较高的测点上。数据传输距离和测站高度的关系式为：传输距离（公里）=4.24（ h基准站1/2+ h流动站1/2 ）其中：h基准站，h流动站分别是基准站和流动站的GPS天线高度比工作地区地面高出的部分，单位
45、是米。 基准站电台的功率越大越好：比如25W、35 W等。 电台频率应该选择本地区无线电使用较少的频率；并且使用频率和本地区常用频率差值较大；所以要与工作区域的无委会（无线电管理委员会）商量。,-68-,二）基准站的系统设置,基准站的设置包括：建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、GPS RTK工作方式的选择、基准站坐标的输入、基准站工作启动等。（一）建立项目和坐标系统管理 建立工作项目的名称、单位的选择等 坐标系统管理参考椭球的选择、椭球参数的输入投影方式合度带选择或建立大地水准面资料的选择平面转换参数的输入 高程转换参数的输入等,-69-,二）基准站的系统设置（续）,（二）基准站电
46、台频率的选择根据对本地区无线电频率的了解，选择一种理想的频率，流动站和基准站必须使用同一个频率。基准站电台频率可以在计算机上设置和选择，当基准电台带有显示面办事，可以通过面板设置。 （三）GPS RTK工作方式的选择用电子手簿选择GPS工作方式为GPS RTK作业方式。 （四）基准站坐标的输入设置本站为基准站，一般将基准站置于坐标已知的控制点上，所以可以输入已知点的点名、平面坐标和海拔高（如需要时也可以输入其它坐标系统坐标），GPS天线高度。 （五）基准站RTK工作启动以上设置完成后，可以启动GPS RTK 基准站开始测量 ,检查卫星个数4后 ，电台发射指示灯闪烁，基准站设置完成。,-70-,
47、二、流动站GPS的设置及定位过程,建立项目和坐标系统管理、流动站电台频率选择、有关坐标的输入、GPS RTK工作方式的选择、流动站RTK工作启动、使用RTK流动站测量地形点等。一）建立项目和坐标系统管理：1、建立工作项目的名称、单位的选择等。2、坐标系统管理：参考椭球的选择、椭球参数的输入。投影方式合度带选择或建立。大地水准面资料的选择。平面转换参数的输入高程转换参数的输入等3、从带有绘图软件的PC计算机中将存有各种图形要素代码的属性库文件传入电子手簿。,-71-,二、流动站GPS的设置及定位过程（续）,二）流动站电台频率的选择 三）有关坐标输入也可以在电子手簿中输入工区中其它控制点的坐标，以
48、供求解坐标转换参数或作为地形测量过程中的检察点使用。 四）GPS RTK工作方式的选择用电子手簿选择GPS工作方式为GPS RTK作业方式。,-72-,二、流动站GPS的设置及定位过程（续）,五）流动站GPS RTK工作启动及定位原理以上设置完成后，可以启动GPS RTK 流动站进行实时载波相位差分定位。具体计算定位原理如下： 1、观测量：基准站和流动站之间的差分载波相位等随机观测量 2、未知参数：随机的动态点坐标、非随机的载波相位整周未知数。 3、使用最小二乘的平差计算方法将双差分观测方程按台劳基数分元展开：V=A1X1+ A2X2 f其中X1=（ dX，dY，dZ）为基线矢量,X2= （Nij）为载波相位的整周模糊度按最小二乘原则：VTPV=Min 用消元法先消去X1,求出X2模糊度,-73-,五）流动站GPS RTK工作启动及定位原理,3、使用最小二乘的平差计算方法（续） (1)如果不将模糊度整数化，带入法方程求出X1X1 =（ dX，dY，dZ），此解称为浮点解。精度：分米的水平 (2)如果将模糊度整数化，带入法方程求出X1X1 =（ dX，dY，dZ），此解称为固定解。精度：为厘米级。 设（X0，Y0，Z0）为基准站的一致坐标: 流动站坐标：Xi=X0+ dX，Yi=Y0+ dY，Zi=Z0+ dZ 通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。,
