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1、用 GPS 测量数据处理教程 武汉测绘科技大学 地球科学与测量工程学院 iii目录 目录 I 概述 1 第一章 GPS 定位原理概述 2 第 1节 GPS的组成 2 第 2节 GPS信号 .2 第 3节 SPS和 PPS.3 第 4节 GPS定位的常用观测值 3 第 5节 GPS定位的误差源 .3 第 6节 GPS定位方法 4 第二章 坐标系 基准和坐标系统 7 第 1节 地球的形状 7 一 地球的自然表面 7 二 地球的质量和重力 . 7 三 大地水准面 . 7 四 参考椭球 . 7 五 投影 7 第 2节 坐标系统 .7 一 坐标系的分类 7 二 基准 8 三 坐标系变换与基准变换 . 8

2、 四 GPS 测量中常用的坐标系统 . 11 第三章 GPS 静态定位在测量中的应用 . 15 第 1节 GPS静态定位在测量中的应用 15 第 2节 布设 GPS基线向量网的工作步骤 .15 一 测前工作 .15 二 测量实施 .16 三 测后工作 .17 第四章 技术设计 19 第 1节 技术设计的作用 19 第 2节 技术设计的内容 19 第五章 布网方法 21 第 1节 GPS基线向量网的等级 21 第 2节 GPS基线向量网的布网形式 .21 一 跟踪站式 .22 二 会战式 22 三 多基准站式 .22 四 同步图形扩展式 23 五 单基准站式 .24 第 3节 采用同步图形扩展的

3、布网形式布设 GPS基线向量网时的观测作业方式 24 ii一 点连式 25 二 边连式 25 三 网连式 26 四 混连式 26 第 4节 布设 GPS基线向量网时的设计指标 26 一 效率指标 27 二 可靠性指标 .27 三 精度指标 28 第 5节 GPS网的设计准则 28 一 出发点 28 二 GPS 网布网作业准则 .28 第六章 GPS 基线解算 30 第 1节 GPS基线解算 的基本原理 . 30 一 观测值 30 二 基线解算 平差 30 第 2节 GPS基线解算的分类 32 一 单基线解算 .32 二 多基线解 32 第 3节 基线解算阶段的质量控制 . 33 一 质量控制指

4、标及其应用 .33 二 应用 35 第 4节 影响 GPS基线解算结果的几个因素及其应对方法 . 35 一 影响 GPS 基线解算结果的几个因素 .35 二 影响 GPS 基 线解算结果因素的判别及应对措施 .36 第 5节 GPS基线解算的过程 41 第七章 GPS 基线向量网平差 .43 第 1节 GPS网平差的分类 43 一 三维平差和二维平差 .43 二 无约束平差 约束平差和联合平差 .43 第 2节 GPS网平差原理 . 44 一 三维无约束平差 44 二 三维联合平差 .46 三 二维联合平差 .46 第 3节 GPS网平差的过程 46 一 提取基线向量 构建 GPS 基线向量网

5、 .47 二 三维无约束平差 47 三 约束平差 /联合平差 .47 四 质量分析与控制 47 第 4节 GPS网平差中起算数据的检验 48 一 方差检验法 .48 二 符合路线法 .48 三 检查点法 48 第八章 GPS 高程 .51 第 1节 高程系统 51 一 大地高系统 .51 二 正高系统 51 iii 三 正常高 51 四 高程系统之间的转换关系 52 第 2节 GPS高程的方法 .52 一 等值线图法 .52 二 地球模型法 .53 三 高程拟合法 .53 第九章 技术总结 57 第 1节 技术总结的作用 57 第 2节 技术总结的内容 57 附录 61 第 1节 RINEX

6、格式 .61 第 2节 GPSURVEY 软件使用 82 一 GPSurvey 软件概述 82 二 建立项目 .87 三 数据传输 .89 四 基线解算 .92 五 基线向量网平差 TRIMNET PLUS .98 第 3节 词汇表 .106 iv 概述 全球定位系统 Global Positioning System-GPS 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 它的应用领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想 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

7、 定时 定位地球物理参数测定和大气物理参数测定等 作为较早采用 GPS 技术的领域 在测量中 它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 它除了继续在这些领域发挥着重要作用外 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这一方面 GPS 定位技术已基本上取代了常规测量手段 成为了主要的技术手段 现在 在我国采用 GPS 技术布设了新的国家大地测量控制网 很多城市也都采用 GPS 技术建立了城市控制网 为了使大家 能充分了解和掌握利用 GPS

8、定位技术建立控制网的基本原理和方法 本书将围绕着利用 GPS 定位技术布设控制网的全过程 介绍在布网过程中所设及到的大量理论与技术问题 内容将包括从技术设计 外业观测 基线解算 直到网平差和提交成果进行验收等各个环节 具体有以下一些内容 n GPS 定位原理概述 在这一部分里 将简要介绍 GPS 系统和 GPS 定位的基本原理 如果读者已对此有较全面的了解 可以跳过此部分 n 坐标系 基准和坐标系统 介绍在采用 GPS 布设控制网时常用的坐标系统及各坐标系统间的转换关系 n GPS 静态定位在测量中的应用 介绍 GPS 静态定位在测量中的主要应用方式及作业步骤 n 技术设计 介绍在布设 GPS

9、 网时 进行技术设计的作用 原则和内容 n 布网方法 介绍 GPS 网的类型和布网方法 n GPS 基线解算 介绍基线解算的原理 步 骤 精化处理方法和质量控制方法 n GPS 基线向量网平差 介绍 GPS 网平差的类型 原理 步骤和质量控制方法 n GPS 高程 介绍采用 GPS 进行测定高程的方法 n 技 术总结 介绍布设 GPS 网时 技术总结的作用和内容 本书的目的是使读者能够了解 GPS 数据处理的基本原理和过程 掌握布设 GPS 网及数据处理的方法 因此全书侧重于方法的介绍 对于理论问题未做过多叙述 对于这些问题 读者若感兴趣 可阅读其它有关书籍 1 1 本书附录中将提供一些参考文

10、献 供读者选读 2第一章 GPS 定位原理概述 第 1节 GPS 的组成 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 利用该系统 用户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 利用该系统 用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位 GPS 计划始于 1973 年 已于 1994 年进 入完全运行状态 (FOC1) 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 n 空间部分 GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成 这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫星星座 其

11、中 21 颗为可用于导航的卫星 3 颗为活动的备用卫星 2 这 24 颗卫星分布在 6个倾角为 55的轨道上绕地球运行 卫星的运行周期约为 12 恒星时 每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号 GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的 n 控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成 根据其作用的不同 这些跟踪站又被分为主控站 监控站和注入站 主控站有一个 位于美国克罗拉多Colorado 的法尔孔 Falcon 空军基地 它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等 并将这些数据通过注入站注入到卫星中去 同时 它还

12、对卫星进行控制 向卫星发布指令 当工作卫星出现故障时 调度备用卫星 替代失效的工作卫星工作 另外 主控站也具有监控站的功能 监控站有五个 除了主控站外 其它四个分别位于夏威夷 Hawaii 阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 监控站的作用是接收卫星信号 监测卫星的工作状态注入站有三个 它们分别位于阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去 n 用户部分 GPS 的用户部分由 GPS 接收机 数据处理软件及

13、相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成 它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工作 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统 第 2节 GPS 信号 GPS卫星发射两种频率的载波信号 即频率为 1575.42MHz的 L1 载波和频率为 1227.60HMz的 L2 载波 它 们的频率分别是基本频率 10.23MHz 的 154 倍和 120 倍 它们的波长分别为19.03cm 和 24.42cm 在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号 这些信号主要有 n C/A 码 C/A 码又被称为粗捕获码 它被调制在 L1 载波上 是 1MHz 的伪随机噪声码

14、PRN 码其码长为 1023 位 周期为 1ms 由于每颗卫星的 C/A 码都不一样 因此 我们经常用它1 FOC Full Operational Capability 2 实际上这 3 颗备用卫星同样可用于导航定位 3们的 PRN 号来区分它们 C/A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号 n P 码 P 码又被称为精码 它被调制在 L1 和 L2 载波上 是 10MHz 的伪随机噪声码 其周期为七天 在实施 AS 时 P 码与 W 码进行模二相加生成保密的 Y 码 此时 一般用户无法利用 P 码来进行导航定位 n Y 码 见 P 码 n 导航信息 导航信息被调制在 L1

15、 载波上 其信号频率为 50Hz 包含有 GPS 卫星的轨道参数 卫星钟改正数和其它一些系统参数 用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置 导航信息也被称为广播星历 第 3节 SPS 和 PPS GPS 系统针对不同用户提供两种不同类型的服务 一种是标准定位服务 (SPSStandard Positioning Service) 另一种是精密定位服 务 (PPSPrecision Positioning Service) 这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供 标准定位服务由标准定位子系统 (SPSStandard Positioning System)

16、提供 精密定位服务则由精密定位子系统 (PPSPrecision Positioning System)提供 SPS 主要面向全世界的民用用户 PPS 主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户 第 4节 GPS 定位的常用观测值 在 GPS 定位中 经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理 以确定 出待定点的坐标或待定点之间的基线向量 n L1 载波相位观测值 n L2 载波相位观测值 半波或全波 n 调制在 L1 上的 C/A 码伪距 n 调制在 L1 上的 P 码伪距 n 调制在 L2 上的 P 码伪距 n L1 上的多普勒频移 n L2 上的多普勒频移 实际上 在进行 GPS

17、 定位时 除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外 还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值 如宽巷观测值 Wide-Lane 1窄巷观测值 Narrow-Lane 2 消除电离层延迟的观测值 Ion-Free 3来进行数据处理 第 5节 GPS 定位的误差源 我们在利用 GPS 进行定位时 会受到各种各样因素的影响 影响 GPS 定位精度的因素可1 L1-L2 2 L1+L2 3 2.546L1-1.984L2 4分为以下四大类 n 与 GPS 卫星有关的因素 n SA 美国政府从其国家利益出发 通过降低广播星历精度 e 技术 在 GPS 基准信号中加入高频抖动 d 技术

18、 等方法 人为降低普通用户利用 GPS 进行导航定位时的精度 n 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参数是通过各种类型的星历 1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 n 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 n 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 n 与传播途径有关的因素 n 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

19、 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 n 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 n 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 n 与接收机有关的因素 n 接收机钟差 接收机钟差是 GPS 接收机所使用的钟的钟面时与 GPS 标准时之间的差异 n 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中

20、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 n 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 n 其它 n GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于 GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等 n 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响 第 6节 GPS 定位方法 GPS 定位的方法是多种多样的 用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法 GPS 定位1 常用的星历有广播 星历和精密星历两种 5方法可依据不同的分类标准 作如下划分 n 根据定位所采用的观测值 n 伪距定位

21、 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 n 载波相位定位 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

22、过程复杂 存在整周模糊度的问题 n 根据定位的模式 n 绝对定位 绝对定位又称为单点定位 这是一种采用一台接收机进行定位的模式 它所确定的是接收机天线的绝对坐标 这种定位模式的特点是作业方式简单 可以单机作业 绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中 n 相对定位 相对定位又称为差分定位 这种定位模式采用两台以上的接收机 同时对一组相同的卫星进行观测 以确定接收机天线间的相互位置关系 n 根据获取定位结果的时间 n 实时定位 实时定位是根据接收机观测到的数据 实时地解算出接收机天线所在的位置 n 非实时定位 非实时定位又称后处理定位 它是通过对接收机接收到的数据进行后处 理以进行定位得方法

23、n 根据定位时接收机的运动状态 n 动态定位 所谓动态定位 就是在进行 GPS 定位时 认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的 也就是说 在数据处理时 将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量 动态定位又分为 Kinematic 和 Dynamic 两类 n 静态定位 所谓静态定位 就是在进行 GPS 定位时 认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的 也就是说 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 在测量中 静态定位一般用于高精度的测量定位 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67第

24、二章 坐标系 基准和坐标系统 测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置 姿态及其运动轨迹 而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的 所谓空间框架就是我们常说的坐标系统 而时间框架就是我们常说的时间系统 第 1节 地球的形状 一 地球的自然表面 二 地球的质量和重力 三 大地水准面 四 参考椭球 五 投影 第 2节 坐标系统 一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的 坐标系指的是描述空间位置的表达形式 而基准指的是为描述空间位置而定义的 一系列点 线 面 在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置 而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数 及其在空

25、间的定位 定向方式 以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义 一 坐标系的分类 正如前面所提及的 所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式 即采用什么方法来表示空间位置 人们为了描述空间位置 采用了多种方法 从而也产生了不同的坐标系 如直角坐标系 极坐标系等 在测量中 常用的坐标系有以下几种 n 空间直角坐标系 空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心 Z 轴指向参考椭球的北极 X 轴指向起始子午面与赤道的交点 Y 轴位于赤道面上 且按右手系与 X 轴呈 90夹角 某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示 见 图 1 8zyxA(X,Y,Z)ZYXO图 1 空间直角坐

26、标系 n 空间大地坐标系 空间大地坐标系是采用大地经 纬度和大地高来描述空间位置的 纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角 经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角 大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离 A(B,L,H)BLH0起始子午面赤道图 2 空间大地坐标系 n 平面直角坐标系 平面直角坐标系是利用投影变换 将空间坐标 空间直角坐标或空间大地坐标 通过某种数学变换映射到平面上 这种变换又称为投影变换 投影变换的方法有很多 如 UTM 投影 Lambuda 投影等 在我国采用的是高斯 -克吕格投影 也称为高斯投影 二 基准 所谓基准是指

27、为描述空间位置而定义的点 线 面 在大地测量中 在大地测量中 基准是指用 以描述地球形状的参考椭球的参数 如参考椭球的长短半轴 以及参考椭球在空间中的定位及定向 还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义 三 坐标系变换与基准变换 在 GPS 测量中 经常要进行坐标系变换与基准变换 所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换 基准变换是指在不同的参考基准间进行变换 91. 坐标系的变换方法 n 空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换 在相同的基准下 空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换方法为 BHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2 +=+=+=其中

28、BeaN22 sin1= 为卯酉圈的半径 2222abae = a 为地球椭球长半轴 b 为地球椭球的短半轴 在相同的基准下 空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换方法为 )1(sin)1()()(arctan)arctan(222eNBZHHeNYXHNZBXYL=+=2在采用上式进行转换时 需要采用迭代的方法 先将 B 求出 最后在确定 H n 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换采用的是投影变换的方法 在我国一般采用的是高斯投影 关于高斯投影 请参见有关文献 2. 坐标系统的转换方法 不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换 不同基准间的转换方法有很多

29、其中最为常用的有布尔沙模型 又称为七参数转换法 七参数转换法是 设两空间直角坐标系间有七个转换参数 3 个平移参数 3 个旋转参数和 1 个尺度参数 10OBZBXBYBOAYAZAXAxYZ CXCAXCBX0若 ( )TAAA ZYX 为某点在空间直角坐标系 A 的坐标 ( )TBBB ZYX 为该点在空间直角坐标系 B 的坐标 ( )TZYX 000 为空间直角坐标系 A 转换到空间直角坐标系 B 的平移参数 ( )ZYX www 为空间直角坐标系 A 转换到空间直角坐标系 B 的旋转参数 m 为空间直角坐标系 A 转换到空间直角坐标系 B 的尺度参数 则由空间直角坐标系 A 到空间直角

30、坐标系 B 的转换关系为 +=AAABBBZYXRmZYXZYX)()1(000w 其中 =xxxxXRwwwwwcossin0sincos0001)( =YYYYYRwwwwwcos0sin010sin0cos)( =1000cossin0sincos)( ZZZZZR wwwww 一般 Xw Yw 和 Zw 均为小角度 可以认为 wwwsin1cos 则有 =111)()()()(XYXZYZXYZ RRRRwwwwwwwwww 11也可将转换公式表示为 +=mKZYXZYXZYXZYXAAAAAABBBwww=AAAAAAAAAZXYYXZXYZK000四 GPS 测量中常用的坐标系统

31、1. WGS-84 WGS-84 坐标系是目前 GPS 所采用的坐标系统 GPS 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的 WGS-84 坐标系统的全称是 World Geodical System-84 世界大地坐标系 -84 它是一个地心地固坐标系统 WGS-84 坐标系统由美国国防部制图局建立 于 1987 年取代了当时 GPS 所采用的坐标系统 WGS-72 坐标系统而成为 GPS 的所使用的坐标系统 WGS-84 坐标系的坐标原点位于地球的质心 Z 轴指向 BIH1984.0 定义的协议地球极方向X 轴指向 BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点 Y 轴与 X 轴和 Z 轴构成右手

32、系 WGS-84 系所采用椭 球参数为 23156205.39860010292115.71016685.484257223563.298/16378137=skmGMsradCfmaw2. 1954 年北京坐标系 1954 年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系 该坐标系源自于原苏联采用过的 1942 年普尔科夫坐标系 建国前 我国没有统一的大地坐标系统 建国初期 在苏联专家的建议下 我国根据当时的具体情况 建立起了全国统一的 1954 年北京坐标系 该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球 该椭球的参数为 3.298/16378245=fma 遗憾的是 该椭球并未依据当时我国的天文

33、观测资料进行重新定位 而是由前苏联西伯利亚 地区的一等锁 经我国的东北地区传算过来的 该坐标系的高程异常是以前苏联 1955 年大地水准面重新平差的结果为起算值 按我国天文水准路线推算出来的 而高程又是以 1956 年12青岛验潮站的黄海平均海水面为基准 1954 年北京坐标系建立后 全国天文大地网尚未布测完毕 因此 在全国分期布设该网的同时 相应地进行了分区的天文大地网局部平差 以满足经济和国防建设的需要 局部平差是按逐级控制的原则 先分区平差一等锁系 然后以一等锁环为起算值 平差环内的二等三角锁平差时网区的连接部仅作了近似处理 如有的仅取两区的平差值 当某 些一等锁环内的二等网太大 在当时

34、的计算条件下无法处理时 也进行了分区平差 连接部仍采用近似处理的方法 由于当时条件的限制 1954 年北京坐标系存在着很多缺点 主要表现在以下几个方面 1. 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大 并且不包含表示地球物理特性的参数 因而给理论和实际工作带来了许多不便 2. 椭球定向不十分明确 椭球的短半轴既不指向国际通用的 CIO 极 也不指向目前我国使用的 JYD 极 参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜 东部高程异常达 60余米 最大达 67 米 3. 该坐标系统的大地点坐 标是经过局部分区平差得到的 因此 全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体 区与区之间有较

35、大的隙距 如在有的接合部中 同一点在不同区的坐标值相差 1-2 米 不同分区的尺度差异也很大 而且坐标传递是从东北到西北和西南后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点 因而一等锁具有明显的坐标积累误差 3. 1980 年西安大地坐标系 1978 年 我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差 并且建立新的国家大地坐标系统整体平差在新大地坐标系统中进行 这个坐标系统就是 1980 年西安大地坐标系统 1980 年西安大地坐标系统所采用的 地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了 IAG 1975 年的推荐值它们是 1532231410292115.71008263.110986005.36378140

36、=sradJsmGMmaw椭球的短轴平行于地球的自转轴 由地球质心指向 1968.0 JYD 地极原点方向 起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面 椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好 高程系统以1956 年黄海平均海水面为高程起算基准1415第三章 GPS 静态定位在测量中的应用 目前 GPS 静态定位在测量中被广泛地用于大地测量 工程测量 地籍测量 物探测量及各种类型的变形监测等 在以上这些应用中 其主要还是用于建立各种级别 不同用途的控制网 第 1节 GPS 静态定位在测量中的应用 GPS 静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点 其中 较为常见的方面是利用GPS 建立各种类型和等

37、级的控制网 在这些方面 GPS 技术已基本上取代了常规的测量方法成为了主要手段 较之于常规方法 GPS 在布设控制网方面具有以下一些特点 n 测量精度高 GPS 观测的精度要明显高于一般的常规测量手段 GPS 基线向量的相对精度一般在510 910 之间 这是普通测量方法很难达到的 n 选点 灵活 不需要造标 费用低 GPS 测量 不要求测站间相互通视 不需要建造觇标 作业成本低 大大降低了布网费用 n 全天侯作业 在任何时间 任何气候条件下 均可以进行 GPS 观测 大大方便了测量作业 有利于按时 高效地完成控制网的布设 n 观测时间短 采用 GPS 布设一般等级的控制网时 在每个测站上的观

38、测时间一般在 12 个小时左右采用快速静态定位的方法 观测时间更短 n 观测 处理自动化 采用 GPS 布设控制网 观测工程和数据处理过程均是高度自动化的 第 2节 布设 GPS 基线向量网的工作步骤 布设 GPS 基线向量网主要分测前 测中 和测后三个阶段进行 一 测前工作 n 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 n 测区位置及其范围 测区的地理位置 范围 控制网的控制面积 n 用途和精度等级 控制网将用于何种目的 其精度要求是多少 要求达到何种等级 n

39、点位分布及点的数量 控制网的点位分布 点的数量及密度要求 是否有对点位分布有特殊要求的区域 n 提交成果的内容 用户需要提交哪些成果 所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系 所提交的高 程成果16分别属于哪些高程系统 除了提交最终的结果外 是否还需要提交原始数据或中间数据等 n 时限要求 对提交成果的时限要求 即何时是提交成果的最后期限 n 投资经费 对工程的经费投入数量 n 技术设计 负责 GPS 测量的单位在获得了测量任务后 需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计 关于技术设计的具体内容将在 第四章 中作详细介绍 n 测绘资料的搜集与整理 在开始进行外业测量之前 现有测绘资料的搜

40、集与整理也是一项极其重要的工作 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 n 仪器的检验 对将用于测量的各种仪器包括 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 n 踏勘 选点埋石 在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后 需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘并进行选点埋石工作 二 测量实施 n 实地了解测区情况 由于在很多情况下 选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的因此 当负责 GPS 测量作业的队伍到达测区后 需要先对测区的情况作一个详细的了解主要需要了解的内容包括 点位情况 点的位置

41、 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 这些对于今后测量工作的开展是非常重要的 n 卫星状况预报 根据测区的地理位置 以及最新的卫星星历 对卫星状况进行预报 作为选择合适的观测时间段的依据 所需预报的卫星状况有卫星的可见性 可供观测的卫星星座 随时间变化的 PDOP 值 随时间变化的 RDOP 值等 对于个别有较多或较大障碍物的测站 需要评估障碍物对 GPS 观测可能产生的不良影响 n 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 确定出具体的作 业方案 以作业指令的形式下达给各个作业小组 根据情况 作业指令可逐天下达 也可一次下达多天的

42、指令 作业方案的内容包括作业小组的分组情况 GPS 观测的时间段以及测站等 n 外业观测 各 GPS 观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后 应严格按照作业指令的要求进行外业观测 在进行外业观测时 外业观测人员除了严格按照作业规范 作业指令进行操作外 还要根据一些特殊情况 灵活地采取应对措施 在外业中常见的情况有不能按时开机 仪器故障和电源故障等 n 数据传输与转储 在一段外业观测结束后 应及时地将观测数据传输到计算机中 并根据要求进行备份 在数据传输时需要对照外业观测记录手簿 检查所输入的记录是否正确 数据传输与转储应根据条件 及时进行 n 基线处理与质量评估 17对所获得的外业数据及时

43、地进行处理 解算出基线向量 并对解算结果进行质量评估 作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步 GPS 观测作业的安排 n 重复确定作业方案 外业观测 数据传输与转储与基线处理与质量评估四步 直至完成所有 GPS 观测工作 三 测后工作 n 结果分析 网平差处理与质量评估 对外业观测所得到的基线向量进行质量检验 并对由合格的基线向量所构建成的 GPS 基线向量网进 行平差解算 得出网中各点的坐标成果 如果需要利用 GPS 测定网中各点的正高或正常高 还需要进行高程拟合 n 技术总结 根据整个 GPS 网的布设及数据处理情况 进行全面的技术总结 n 成果验收1819第四章 技术设计 第 1节 技术

44、设计的作用 在布设 GPS 网时 技术设计是非常重要的 这是因为技术设计提供了布设 GPS 网的技术准则 在布设 GPS 网时所遇到的所有技术问题 都需要从技术设计中寻找答案 因此 在进行每一项 GPS 工程时 都必须首先进行技术设计 第 2节 技术设计的内容 一个完整的技术设计 主要应包含如下内容 n 项目来源 介绍项目的来源 性质 n 测区概况 介绍测区的地理位置 气候 人文 经济发展状况 交通条件 通讯条件等 n 工程概况 介绍工程的目的 作用 要求 GPS 网等级 精度 完成时间等 n 技术依据 介绍作业所依据的测量规范 工程规范 行业标准等 n 施测方案 介绍测量所采用的仪器 采取的

45、布网方法等 n 作业要求 介绍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 对中精度 整平精度 天线高的量测方法及精度要求等 n 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 n 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2021第五章 布网方法 第 1节 GPS 基线向量网的等级 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 CD 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 GPS 网的精度指标 通常是以网中相

46、邻点之间的距离误差来表示的 其具体形式为 22 )( Dba +=s 其中 s 网中相邻点间的距离中误差 (mm) a 固定误差 (mm) b 比例误差 (ppm1) D 相邻点间的距离 (km) 对于不同等级的 GPS 网 有下列的精度要求 测量分类 固定误差 a (mm) 比例误差 b (ppm) 相邻点距离 (km) A 5 0.1 1002000 B 8 1 15250 C 10 5 540 D 10 1 0 215 E 10 20 110 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

47、为测图网 美国联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 第 2节 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 n 跟踪站式 n 会战式 n 多基准站式 枢纽点 式 n 同步图形扩展式 n 单基准站式 1 1ppm=10-6 22一 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 1 因此 这

48、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 二 会战式 1. 布网形式 在布设 GPS 网时 一次组织多台 GPS 接收机

49、 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 三 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1 实际上就是跟踪站 23基准站周围相互之间进行同步观测 图 3 多基准站式 2. 特点 采用多基准站式的布网形 式所布设的 GPS 网 由