GPS測量原理及應(yīng)用

1 GPS 測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 一 控制網(wǎng)執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一 控制網(wǎng)執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 1 全球定位系統(tǒng) GPS 測量規(guī)范 GB T 18314 2001 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 2 國家三 四等水準(zhǔn)測量規(guī)范 GB12898 1991 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 3 技術(shù)設(shè)計書 二 使用儀器二 使用儀器 測量采用的 GPS 接收機型號及其標(biāo)稱精度 三 布網(wǎng)方案三 布網(wǎng)方案 1 布網(wǎng)要求布網(wǎng)要求 GPS 網(wǎng)相鄰點間基線中誤差按下式計算 式中 mm 為固定誤差 ppm 為比例誤差系數(shù) km 為相鄰點間的距離 GPS E 級網(wǎng) 的主要技術(shù)要求應(yīng)符合表 1 規(guī)定 相鄰點最小距離應(yīng)為平均距離的 1 2 1 3 最大距離應(yīng) 為平均距離的 2 3 倍 表 1 GPS 網(wǎng)的主要技術(shù)要求 級 別平均距離 km mm 1 10 6 最弱邊相對中誤差 E 級0 2 5 10 201 45000 注 當(dāng)邊長小于 200m 時 邊長中誤差應(yīng)小于 20mm 2 布網(wǎng)原則與網(wǎng)形設(shè)計布網(wǎng)原則與網(wǎng)形設(shè)計 1 GPS 網(wǎng)應(yīng)根據(jù)測區(qū)實際需要和交通狀況進行設(shè)計 GPS 網(wǎng)的點與點間不要求每點 通視 但考慮常規(guī)測量方法加密時的應(yīng)用 每點應(yīng)有 1 2 個通視方向 2 2 在布網(wǎng)設(shè)計中應(yīng)顧及原有測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用 對凡符 合 GPS E 級網(wǎng)布點要求的舊有控制點 應(yīng)充分利用其標(biāo)石 3 GPS 網(wǎng)應(yīng)由若干個獨立觀測環(huán)構(gòu)成 也可采用附合線路構(gòu)成 E 級 GPS 網(wǎng)中每個 閉合環(huán)或附合線路中的邊數(shù)應(yīng)符合表 2 的規(guī)定 非同步觀測的 GPS 基線向量邊 應(yīng)按所設(shè)計的網(wǎng)圖選定 也可按軟件功能自動挑選獨 立基線構(gòu)成環(huán)路 表 2 閉合環(huán)或附合線路邊數(shù)的規(guī)定 級 別E 級 閉合環(huán)或附合線路邊數(shù) 條 10 4 為求定 GPS 點在 54 北京坐標(biāo)系中的坐標(biāo) 應(yīng)與當(dāng)?shù)?54 北京坐標(biāo)系中的原有控制 點聯(lián)測 聯(lián)測總點數(shù)不得少于 3 個 5 為了求得 GPS 網(wǎng)點正常高 應(yīng)進行水準(zhǔn)測量的高程聯(lián)測 高程聯(lián)測采用等級水準(zhǔn) 測量方法進行 聯(lián)測的 GPS E 級控制點且應(yīng)均勻分布于網(wǎng)中 四 選點與標(biāo)石埋設(shè)四 選點與標(biāo)石埋設(shè) 1 選點 選點 在了解任務(wù) 目的 要求和測區(qū)自然地理條件的基礎(chǔ)上 進行現(xiàn)場踏勘 最后進行選 點 選點應(yīng)符合下列要求 1 點位的選擇應(yīng)符合技術(shù)設(shè)計要求 并有利于其它測量手段進行擴展與聯(lián)測 2 點位的基礎(chǔ)應(yīng)堅實穩(wěn)定 易于長期保存 并應(yīng)有利于安全作業(yè) 3 點位應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作 視野應(yīng)開闊 視場內(nèi)周圍障礙物的高度角一般 應(yīng)小于 15 4 點位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源 如電視臺 微波站等 其距離不得小于 200m 并應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線其距離不得小于 50m 以避免周圍磁場對衛(wèi)星信號的干擾 5 點位附近不應(yīng)有對電磁波反射 或吸收 強烈的物體 以減少多路徑效應(yīng)的影響 6 交通應(yīng)便于作業(yè) 以提高作業(yè)效率 7 應(yīng)充分利用符合上述要求原有的控制點及其標(biāo)石 但利用舊點時應(yīng)檢查舊點的穩(wěn) 定性 完好性 符合要求方可利用 8 選好點后應(yīng)按合理的方法給 GPS 點編號 此外 有時還需考慮測區(qū)內(nèi)的通訊設(shè)施 電力供應(yīng)等情況 以便于各點之間的聯(lián)絡(luò)和 設(shè)備用電或充電 綜上所述 結(jié)合測區(qū)的實際情況 GPS 控制點宜布設(shè)在較高的永久性建筑物 山頂及 其它符合要求的地方 或已成型的較寬的城市主干道 路口或其它較開闊而又穩(wěn)固的建 構(gòu) 筑物上 3 2 標(biāo)石埋設(shè) 標(biāo)石埋設(shè) 1 E 級 GPS 點的標(biāo)石及標(biāo)志規(guī)格參見附錄 D 標(biāo)石的中心標(biāo)志用銅材料制作 標(biāo)志 中心應(yīng)刻有清晰 精細(xì)的十字絲 2 地面 E 級 GPS 點標(biāo)石可用混凝土預(yù)先制作 然后運往各點埋設(shè) 埋設(shè)時坑底填以 沙石 搗固夯實或澆灌混凝土底層 樓頂 E 級 GPS 點標(biāo)石應(yīng)現(xiàn)場澆灌 澆灌前應(yīng)將樓面磨 出新層 打毛 釘上 3 4 顆鋼釘 再套模澆灌 3 埋石結(jié)束后應(yīng)填寫 GPS 點之記 4 待標(biāo)石埋設(shè)穩(wěn)定 沒有下沉 或現(xiàn)場澆灌的標(biāo)石凝固后 2 3 天方可觀測 五 作業(yè)要求五 作業(yè)要求 1 基本技術(shù)要求基本技術(shù)要求 為保證 GPS 測量精度 采用載波相位靜態(tài)相對定位作業(yè)模式 E 級 GPS 測量作業(yè)的基 本技術(shù)要求應(yīng)符合表 3 的規(guī)定 表 3 E 級 GPS 測量作業(yè)的基本技術(shù)要求 級 別 衛(wèi)星截止高度 角 有效觀測 衛(wèi)星數(shù) 平均重復(fù) 設(shè)站數(shù) 時段長度 min 數(shù)據(jù)采樣 間隔 s PDOP 值 E 級 15 4 1 6 4015 10 注 1 觀測時段長度應(yīng)視點位周圍障礙物情況 基線長短而作調(diào)整 2 可不觀測氣象要素 但應(yīng)記錄雨 晴 陰 云等天氣狀況 2 GPS 衛(wèi)星預(yù)報和觀測調(diào)度計劃衛(wèi)星預(yù)報和觀測調(diào)度計劃 1 保證 GPS 作業(yè)觀測工作順利進行 保障觀測成果達(dá)到預(yù)定的精度 提高作業(yè)工效 在進行 GPS 外業(yè)觀測之前 應(yīng)事先編制 GPS 衛(wèi)星可見性預(yù)報表 預(yù)報表應(yīng)包括可見衛(wèi)星號 衛(wèi)星高度角和方位角 最佳觀測衛(wèi)星組 最佳觀測時間 點位圖形幾何強度因子等內(nèi)容 2 編制預(yù)報表所用概略位置應(yīng)采用測區(qū)中心位置的經(jīng) 緯度 3 作業(yè)組在觀測前應(yīng)根據(jù)參加作業(yè)的 GPS 接收機臺數(shù) 網(wǎng)形及衛(wèi)星預(yù)報表編制作業(yè) 調(diào)度表 其內(nèi)容應(yīng)包括觀測時間 測站號 測站名稱以及接收機號等項內(nèi)容 3 觀測準(zhǔn)備觀測準(zhǔn)備 1 每天出發(fā)工作前應(yīng)檢查電池容量是否充足 儀器及其附件是否攜帶齊全 2 作業(yè)前應(yīng)檢查接收機內(nèi)存是否充足 3 天線安置應(yīng)符合下列要求 作業(yè)員到測站后應(yīng)先安置好接收機使其處于靜置狀態(tài) 然后再安置天線 4 天線可用腳架直接安置在測量標(biāo)志中心的鉛垂線方向上 對中誤差應(yīng)小于 3mm 天線應(yīng)整平 天線基座上的圓水準(zhǔn)所泡應(yīng)居中 天線定向標(biāo)志應(yīng)指向正北 定向誤差不宜超過 5 4 觀測作業(yè)要求觀測作業(yè)要求 1 觀測組應(yīng)嚴(yán)格按調(diào)度表規(guī)定的時間進行作業(yè) 以保證同步觀測同一衛(wèi)星組 當(dāng)情 況有變化需修改調(diào)度計劃時 應(yīng)經(jīng)作業(yè)隊負(fù)責(zé)人同意 觀測組不得擅自更改計劃 2 接收機電源電纜和天線應(yīng)連接無誤 接收機預(yù)置狀態(tài)應(yīng)正確 然后方可啟動接收 機進行觀測 3 各觀測時段的前后各量取天線高一次 兩次量高之差不大于 3mm 取平均值作為 最后天線高 記錄在手簿 若互差超限 應(yīng)查明原因 提出處理意見記入手簿備注欄中 天線高是指觀測時天線平均相位中心至測站中心標(biāo)志面的高度 分為上 下兩段 上 段是指相位中心至天線底面的高度 這是常數(shù) hc 由廠家給出 下段是從天線底面至測站 中心標(biāo)志面的高度 由觀測員在現(xiàn)場采用傾斜測量方法直接量取 具體方法是 從三腳架三個空檔 互成 120 測量天線底盤下表面至測站中心標(biāo)志面的距離 互 差應(yīng)小于 3mm 取平均值為 L 天線底盤半徑為 R 再利用廠家提供的 hc 按天線高 求出 4 接收機開始記錄數(shù)據(jù)后 作業(yè)人員可使用專用功能鍵選擇菜單 查看測站信息 接收衛(wèi)星數(shù) 衛(wèi)星號 各通道信噪比 實時定位結(jié)果及存貯介質(zhì)記錄情況等 5 儀器工作正常后 作業(yè)員及時 每隔 15min 逐項填寫測量手簿中各項內(nèi)容 6 一個時段觀測過程中不得進行以下操作 關(guān)閉接收機以重新啟動 進行自測試 發(fā)現(xiàn)故障除外 改變衛(wèi)星截止高度角 改變數(shù)據(jù)采樣間隔 改變天線位置 按動關(guān)閉 文件和刪除文件等功能 7 觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站 并防止儀器受震動和被移動 防止人和其 它物體靠近天線 遮擋衛(wèi)星信號 8 接收機在觀測過程中不應(yīng)在接收機近旁使用對講機和手機等通訊設(shè)備 雷雨過境 時應(yīng)關(guān)機停測 并卸下天線以防雷擊 9 觀測中應(yīng)保證接收機工作正常 數(shù)據(jù)記錄正確 每日觀測結(jié)束后 應(yīng)及時將數(shù)據(jù) 下載到計算機硬 軟盤上 確保觀測數(shù)據(jù)不丟失 5 外業(yè)觀測記錄外業(yè)觀測記錄 1 錄項目應(yīng)包括下列內(nèi)容 錄項目應(yīng)包括下列內(nèi)容 測站名 測站號 觀測月 日 年積日 天氣狀況 時段號 觀測時間應(yīng)包括開始與結(jié)束記錄時間 宜采用協(xié)調(diào)世界時 UTC 填寫至?xí)r 分 5 接收機設(shè)備應(yīng)包括接收機類型及號碼 天線號碼 近似位置應(yīng)包括測站的近似經(jīng) 緯度和近似高程 經(jīng) 緯度應(yīng)取至 1 高程 應(yīng)取至 0 1m 天線高應(yīng)包括測前 測后量得的高度及其平均值 均取至 0 001m 觀測狀況應(yīng)包括電池電壓 接收衛(wèi)星號及其信噪比 SNR 故障情況等 2 記錄應(yīng)符合下列要求記錄應(yīng)符合下列要求 原始觀測值和記事項目應(yīng)按規(guī)格現(xiàn)場記錄 字跡要清楚 整齊 美觀 不得涂 改 轉(zhuǎn)抄 外業(yè)觀測記錄各時段結(jié)束后 應(yīng)及時將每天外業(yè)觀測記錄結(jié)果錄入計算機硬 軟盤 接收機內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在下載到存貯介質(zhì)上時 不得進行任何剔除與刪改 不得 調(diào)用任何對數(shù)據(jù)實施重新加工組合的操作指令 六 數(shù)據(jù)處理方案六 數(shù)據(jù)處理方案 1 基線解算及其質(zhì)量檢驗 基線解算及其質(zhì)量檢驗 1 基線解算以雙差固定解作為最終結(jié)果 雙差固定解的可靠性由以下兩項指標(biāo)來判 別 即固定解的單位權(quán)中誤差 Rms 和整周模糊度檢驗倍率 Ratio 其檢驗值見表 4 根據(jù)表 4 判別時 Rms 必須首先符合要求 而 Ratio 值越大表示固定值越可靠 表 4 靜態(tài) GPS 基線固定解可靠性判別表 基線長度 km 5 5 10 10 Rms m 0 010 0 012 0 015 Ratio 2 5 2 1 2 0 2 同步多邊形閉合差檢驗 對于采用同一種數(shù)學(xué)模型的基線解 其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量相對閉 合差和全長相對閉合差不宜超過表 5 的規(guī)定 對于采用不同數(shù)學(xué)模型的基線解 其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和 全長相對閉合差按獨立環(huán)閉合差要求檢核 同步時段中的多邊形同步環(huán) 可不重復(fù)檢核 表 5 同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長相對閉合差的規(guī)定 1 10 6 等 級 限差類型 E 級 坐標(biāo)分量相對閉合差 6 0 環(huán)線全長相對閉合差 10 0 3 重復(fù)基線邊檢驗 重復(fù)基線的長度較差不宜超過下式的規(guī)定 6 式中 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的精度 按實際平均邊長計算 4 獨立環(huán)閉合差檢驗 無論采用單基線模式或多基線模式解算基線 都應(yīng)在整個 GPS 網(wǎng)中選取的獨立基線構(gòu) 成獨立環(huán) 各獨立環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合下式的規(guī)定 式中 為閉合環(huán)邊數(shù) 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的精度 按實際平均邊長計算 2 補測與重測 補測與重測 1 無論何種原因造成一個控制點不能與兩條合格的獨立基線相連接 則在該點上應(yīng) 補測或重測不得少于一條獨立基線 2 可以舍棄在重復(fù)基線較差 同步環(huán)閉合差 獨立環(huán)閉合差中超限的基線 但應(yīng)保 證舍棄基線后的獨立環(huán)所含基線數(shù)不超過表 2 的規(guī)定 否則應(yīng)重測該基線或者有關(guān)的同步 圖形 3 由于點位不符合 GPS 測量要求而造成一個測站多次重測仍不能滿足各項技術(shù)規(guī)定 時 可按技術(shù)設(shè)計要求另增選新點進行重測 3 GPS 網(wǎng)平差網(wǎng)平差 1 起算數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系統(tǒng) 首先要了解測區(qū)中央子午線經(jīng)度 起算數(shù)據(jù)的帶號 采用的坐標(biāo)系等 如岳麓山校區(qū) 的起算數(shù)據(jù)為 3 度帶的 1954 北京坐標(biāo) 則中央子午線經(jīng)度為 114 故采用 1954 北京坐 標(biāo)系 取中央子午線經(jīng)度 L0 114 的 3 帶高斯投影 即有 參考橢球為克拉索夫斯基橢 球 長半徑 a 6378245m 扁率 1 298 3 中央子午線經(jīng)度 L0 114 00 00 高程系統(tǒng)采用 1985 國家高程基準(zhǔn) 2 三維無約束平差 當(dāng) GPS 基線各項質(zhì)量檢驗符合要求時 應(yīng)以所有獨立基線組成閉合圖形 以三維基線 向量及其協(xié)方差陣作為觀測信息 以一個點的 WGS 84 系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù) 進行 GPS 網(wǎng)的三維無約束平差 以提供各 GPS 控制點在 WGS 84 坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) 各基線 7 向量三個坐標(biāo)差觀測值的改正數(shù) 基線邊長以及點位和邊長的精度信息 并生成 GPS 高程 擬合的數(shù)據(jù)文件 在三維無約束平差中 基線向量的改正數(shù) V x V y V z 絕對值應(yīng)滿足下式要求 V x 3 V y 3 V z 3 式中 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的基線的精度 當(dāng)超限時 可認(rèn)為該基線或其附近存在粗差基線 應(yīng)采用軟件提供的方法或人工方法 剔除粗差基線 直至符合上式要求 3 二維約束平差 在無約束平差確定的有效觀測量基礎(chǔ)上 以起算數(shù)據(jù)中提供的已知點作為強制約束的 固定值 進行二維約束平差 平差結(jié)果就輸出各 GPS 控制點在前述的坐標(biāo)系統(tǒng)中的二維平 面坐標(biāo) 基線向量改正數(shù) 基線邊長 方位以及坐標(biāo) 基線邊長 方位的精度信息 轉(zhuǎn)換 參數(shù)及其精度信息 約束平差中 應(yīng)將已知坐標(biāo)點組合成不同的約束條件 以發(fā)現(xiàn)作為約束的已知坐標(biāo)與 GPS 網(wǎng)不兼容 即約束平差結(jié)果嚴(yán)重扭曲 GPS 無約束平差結(jié)果的精度 4 水準(zhǔn)聯(lián)測 水準(zhǔn)聯(lián)測 為滿足 GPS 控制網(wǎng)高程擬合的需要 GPS E 級控制點應(yīng)聯(lián)測一定比例的四等水準(zhǔn) 聯(lián) 測水準(zhǔn)的 GPS 點均勻分布在測區(qū) 水準(zhǔn)路線連接成水準(zhǔn)網(wǎng) 5 GPS 點高程擬合計算點高程擬合計算 要精確計算各 GPS 點的正常高 目前主要有 GPS 水準(zhǔn)高程 GPS 重力高程和 GPS 三角高程等方法 其中 GPS 水準(zhǔn)高程是目前 GPS 作業(yè)中是常用的方法 用于 GPS 高程擬合 計算的方法主要是曲面擬合法 包括平面擬合法 多項式曲面擬合法 多面函數(shù)擬合法 曲面樣條擬合法 非參數(shù)回歸曲面擬合法和移動曲面法 七 提交成果七 提交成果 GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)工作和數(shù)據(jù)處理工作結(jié)束后 應(yīng)及時編寫技術(shù)總結(jié)報告 并上交資 料 1 技術(shù)總結(jié)報告應(yīng)包含以下內(nèi)容 技術(shù)總結(jié)報告應(yīng)包含以下內(nèi)容 1 工程概況 包括測區(qū)的范圍與位置 自然地理條件 氣候特點以及任務(wù)來源 測 區(qū)已有測量情況 項目名稱 施測目的和基本精度要求等 8 2 施測單位 施測起止時間 技術(shù)依據(jù) 作業(yè)人員情況 接收機類型 數(shù)量及檢驗 情況 觀測方法 重測 補測情況 作業(yè)環(huán)境 重合點情況 工作量與工日情況 3 野外數(shù)據(jù)檢核情況與分析 起算數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系統(tǒng)說明 數(shù)據(jù)后處理內(nèi)容 方法與 軟件情況 平差結(jié)果精度分析 4 方案實施與規(guī)范執(zhí)行情況 5 各種附表與附圖 6 提交成果中尚存問題和需要說明的其它問題 2 GPS 測量任務(wù)完成后 應(yīng)提交下列資料 測量任務(wù)完成后 應(yīng)提交下列資料 1 E 級 GPS 控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計書 2 GPS 控制點的點之記 見附錄 B 3 GPS 控制網(wǎng)展點圖及通視圖 4 GPS 野外觀測原始數(shù)據(jù)及平差計算資料 5 GPS 野外測量作業(yè)調(diào)度表 見附錄