測量技術(shù)設(shè)計

1、第九講GPS測量技術(shù)設(shè)計學(xué)習(xí)指南主要講述GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的方法與過程。進(jìn)行GPS網(wǎng)設(shè)計時，應(yīng)了解控制網(wǎng)設(shè)計的依據(jù)，掌握GPS控制網(wǎng)的布網(wǎng)形式與布網(wǎng)原則。在設(shè)計中要確定GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)，同時通過精度預(yù)算進(jìn)行GPS網(wǎng)的精度設(shè)計。GPS測量在外業(yè)觀測工作之前，應(yīng)做好施測前的收集、器材準(zhǔn)備、人員組織、外業(yè)觀測計劃擬訂以及技術(shù)設(shè)計書的編寫等工作。這一階段要進(jìn)行衛(wèi)星的可視見性預(yù)報、最佳觀測時段的選擇、制定接收機(jī)的調(diào)度計劃。完成了一個GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計之后，必須按一定內(nèi)容和格式的要求編寫相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計書，它是GPS作業(yè)開展的指導(dǎo)性文件。在對講內(nèi)容學(xué)習(xí)時，要掌握GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)

2、設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合一定實(shí)際，掌握GPS網(wǎng)的圖形構(gòu)成的基本概念和網(wǎng)的特征條件的內(nèi)容。重點(diǎn)掌握GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計及設(shè)計原則，能夠進(jìn)行觀測綱要的設(shè)計，熟悉技術(shù)設(shè)計書的編寫內(nèi)容與要求。本節(jié)的難點(diǎn)是GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)和精度設(shè)計問題。本單元教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、GPS測量技術(shù)設(shè)計書的編寫。2、GPS網(wǎng)圖形的設(shè)計。3、GPS點(diǎn)選擇的原則方法。教學(xué)目標(biāo)1、掌握GPS測量技術(shù)設(shè)計書的編寫。2、掌握GPS網(wǎng)圖形的設(shè)計。3、結(jié)合理論，在實(shí)際的工程中靈活應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容GPS測量規(guī)范（規(guī)程）的應(yīng)用，GPS測量精度標(biāo)準(zhǔn)及分類、GPS點(diǎn)的密度標(biāo)準(zhǔn)、GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計、GPS網(wǎng)圖形的設(shè)計、基本圖形的選擇、GPS測量技術(shù)設(shè)計書的編

3、寫，GPS接收機(jī)的選擇與檢驗(yàn)等。一、GPS測量的技術(shù)設(shè)計GPS測量的技術(shù)設(shè)計是進(jìn)行GPS測量定位的最基礎(chǔ)性工作，它是根據(jù)國家現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程，針對GPS控制網(wǎng)的用途及用戶要求，提出對GPS測量的網(wǎng)形、精度及基準(zhǔn)等的具體設(shè)計。1 GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計的依據(jù)GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計及業(yè)外測量的主要技術(shù)依據(jù)是GPS測量規(guī)范（規(guī)程）和測量任務(wù)書。11GPS測量規(guī)范（規(guī)程）GPS測量規(guī)范（規(guī)程）是國家測繪管理部門和行業(yè)部門所制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，目前GPS控制網(wǎng)設(shè)計依據(jù)的規(guī)范（規(guī)程）有： 2001年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范，以下簡稱國標(biāo)（GB）； 1992年國家測繪局

4、發(fā)布的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范，以下簡稱規(guī)范； 1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程，以下簡稱規(guī)程； 各部委根據(jù)本部門GPS工作的實(shí)際情況指定的其他GPS測量規(guī)程或細(xì)則。12測量任務(wù)書測量任務(wù)書或測量合同是測量施工單位上級主管部門或合同甲方下達(dá)的技術(shù)要求文件。這種技術(shù)文件是指令性的，它規(guī)定了測量任務(wù)的范圍、目的、精度和密度要求、提交成果資料的項(xiàng)目和時間、完成任務(wù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。在GPS測量方案設(shè)計時，一般首先依據(jù)測量任務(wù)書提出的GPS網(wǎng)的精度、點(diǎn)位密度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)或其他行業(yè)規(guī)范（規(guī)程），現(xiàn)場具體確定點(diǎn)位及點(diǎn)間的連接方式、各點(diǎn)設(shè)站觀測的次數(shù)、時

5、段長短等布網(wǎng)施測方案。2 GPS控制網(wǎng)的精度、密度設(shè)計應(yīng)用GPS定位技術(shù)建立的測量控制網(wǎng)稱為GPS控制網(wǎng)，其控制點(diǎn)稱為GPS點(diǎn)。GPS控制網(wǎng)可分為兩大類：一類是國家或區(qū)域性的高精度GPS控制網(wǎng)；另一類是局部性的GPS控制網(wǎng)，包括城市或工礦區(qū)及各類工程控制網(wǎng)。21GPS測量的精度標(biāo)準(zhǔn)及分級對于GPS網(wǎng)的精度要求，主要取決于網(wǎng)的用途和定位技術(shù)所能達(dá)到的精度。精度指標(biāo)通常是以GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長標(biāo)準(zhǔn)差來表示，即：式中： 標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長中誤差，mm）；a GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差（mm）；b GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)（1×10-6）d 相鄰點(diǎn)間的距離（km）。根據(jù)

6、2001年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范，將GPS控制網(wǎng)按其精度劃分為AA、A、B、C、D、E六個精度級別，如表6-1所示。表6-1 GB規(guī)范規(guī)定的GPS測量控制網(wǎng)精度分級級別平均距離/Km固定誤差a/mm比例誤差系數(shù)b/10-6AA100030.01A30050.1B7081C1015105D5101010E0.251020其中，AA級主要用于全球性的地球動力學(xué)研究、地殼形變測量和精密定軌；A級主要用于區(qū)域性的地球動力學(xué)研究和地殼形變測量；B級主要用于局部變形監(jiān)測和各種精密工程測量；C級主要用于大、中城市及工程測量的基本控制網(wǎng)；D、E級主要用于中、小城市，城鎮(zhèn)

7、及測圖、地籍、土地信息、房產(chǎn)、物探、勘測、建筑施工等控制測量。AA、A級是建立地心參考框架的基礎(chǔ)，同時AA、A、B級也是建立國家空間大地測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)。為了進(jìn)行城市和工程測量，建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程將GPS測量劃分為二等、三等、四等和一級、二級，如表6-2所示。表6-2規(guī)程規(guī)定的GPS測量控制網(wǎng)精度分級等 級平均距離/km固定誤差a/(mm)比例誤差b/10-6最弱邊相對中誤差二等91021/120000三等51051/80000四等210101/45000一級110101/20000二級<115201/10000注：當(dāng)邊長小于200m時，邊長中誤差應(yīng)小于20

8、mm。在實(shí)際工作中，精度標(biāo)準(zhǔn)的確定還要根據(jù)用戶的實(shí)際需要及人力、物力、財力等情況合理設(shè)計，也可參照本部門已有的生產(chǎn)規(guī)程和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)掌握。在布網(wǎng)時可以逐步布設(shè)、越級布設(shè)或布設(shè)同級全面網(wǎng)。22 GPS定位的密度設(shè)計各種不同的任務(wù)要求和服務(wù)對象，對GPS網(wǎng)的分布有不同的要求。例如，國家特級（AA級）基準(zhǔn)點(diǎn)主要用于提供國家級基準(zhǔn)，有助于定軌、精密星歷計算和大范圍大地變形監(jiān)測，平均距離幾百公里。而一般工程測量所需要的網(wǎng)點(diǎn)則應(yīng)滿足測圖加密和工程測量，平均邊長幾公里，甚至更短幾百米以內(nèi)。綜合以上因素，國家規(guī)范和規(guī)程對GPS網(wǎng)中兩相鄰點(diǎn)間距離視其需要做出了規(guī)定：各級GPS相鄰點(diǎn)間平均距離應(yīng)符合表6-1、6-

9、2中所列數(shù)據(jù)的要求，相鄰點(diǎn)間最小距離可為平均距離的1/31/2倍，最大距離可為平均距離的23倍。 在特殊情況下，個別點(diǎn)的間距可也可結(jié)合任務(wù)和服務(wù)對象，對GPS點(diǎn)分布要求做出具體的規(guī)定。3 GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計通過GPS測量可以獲得地面點(diǎn)間的GPS基線向量，它屬于WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)系。在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們需要的是國家坐標(biāo)系（1954年北京坐標(biāo)系或1980年西安坐標(biāo)系）或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。因此，對于一個GPS網(wǎng)測量工程，在技術(shù)設(shè)計階段必須明確GPS成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)。通常將這項(xiàng)工作稱為GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)

10、和尺度基準(zhǔn)。位置基準(zhǔn)一般由GPS網(wǎng)中起算點(diǎn)的坐標(biāo)確定。方位基準(zhǔn)一般由給定的起算方位角值確定，也可以將GPS基線向量的方位作為方位基準(zhǔn)。尺度基準(zhǔn)一般由GPS網(wǎng)中兩起算點(diǎn)間的坐標(biāo)反算距離確定，也可以利用地面的電磁波測距邊確定，或者直接根據(jù)GPS基線向量的距離確定。因此，GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計，實(shí)質(zhì)上主要是指確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問題。在GPS網(wǎng)控制的基準(zhǔn)設(shè)計時，必須考慮以下幾個問題: (1)GPS測量成果轉(zhuǎn)化到工程所需的地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，應(yīng)選擇足夠的地面坐標(biāo)系的起算數(shù)據(jù)與GPS測量數(shù)據(jù)重合，或者聯(lián)測足夠的地方控制點(diǎn)，以求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)用以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在選擇聯(lián)測點(diǎn)時既要考慮充分利用舊資料，又要使新建的高精度G

11、PS網(wǎng)不受因舊資料精度較低的影響。因此，大中城市GPS控制網(wǎng)應(yīng)與附近的國家控制點(diǎn)聯(lián)測3個以上。小城市或工程控制可以聯(lián)測2-3個點(diǎn)。(2)為保證GPS網(wǎng)進(jìn)行約束平差后坐標(biāo)精度的均勻性以及減少尺度比誤差影響，對GPS網(wǎng)內(nèi)重合的高等級國家點(diǎn)或原城市等級控制網(wǎng)點(diǎn)，除未知點(diǎn)連結(jié)圖形觀測外，對他們也要構(gòu)成圖形。(3)在布設(shè)GPS網(wǎng)時，可以采用高精度的激光測距邊作為起算邊長，激光測距邊的數(shù)量可在35條左右。這些邊可設(shè)在GPS網(wǎng)中的任何位置，但激光測距邊兩端的高差不應(yīng)過份懸殊。(4)在布設(shè)GPS網(wǎng)時，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多。起算方位可布設(shè)在GPS網(wǎng)中任何位置。(5)GPS網(wǎng)經(jīng)三維平差計算后，得到

12、是相對于參考橢球面的大地高程，為求得GPS點(diǎn)的正常高程，可根據(jù)具體情況聯(lián)測高程點(diǎn)。聯(lián)測的高程點(diǎn)需均勻分布于網(wǎng)中，對丘陵或山區(qū)聯(lián)測高程點(diǎn)應(yīng)按高程擬合曲面的要求進(jìn)行布設(shè)。AA、A級網(wǎng)應(yīng)按二等水準(zhǔn)逐點(diǎn)聯(lián)測高程。B級網(wǎng)應(yīng)按三等水準(zhǔn)或與其相當(dāng)?shù)姆椒ㄖ辽倜扛?3點(diǎn)聯(lián)測一點(diǎn)。C級網(wǎng)應(yīng)按四等水準(zhǔn)或與其相當(dāng)?shù)姆椒ㄖ辽倜扛?6點(diǎn)聯(lián)測一點(diǎn)。D、E級網(wǎng)具體聯(lián)測宜采用不低于四等水準(zhǔn)或與其精度相等的方法進(jìn)行。GPS點(diǎn)高程在經(jīng)過精度分析后可供測圖或其他方面使用。(6)新建GPS網(wǎng)的坐標(biāo)系應(yīng)盡量與測區(qū)過去采用的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。如果采用的是地方獨(dú)立或城市獨(dú)立坐標(biāo)系，應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并應(yīng)具備下列技術(shù)參數(shù)：所采用的參考橢球幾何參數(shù)；

13、坐標(biāo)系的中央子午線經(jīng)度值；縱橫坐標(biāo)的加常數(shù)；坐標(biāo)系的投影面高程及測區(qū)均高程異常值；起算點(diǎn)的坐標(biāo)值及起算方位。(7) 當(dāng)GPS網(wǎng)的世界大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方獨(dú)立坐標(biāo)系時，應(yīng)滿足投影長度變形不大于2.5mm/Km。可根據(jù)測區(qū)所在地理位置和平均高程按下述方法選定坐標(biāo)系統(tǒng)：當(dāng)長度變形值不大于2.5mm/Km時，采用高斯正形投影統(tǒng)一帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)；當(dāng)長度變形值大于2.5mm/Km時，可以采用投影于抵償高程面上的高斯正形投影帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)；當(dāng)長度變形值大于2.5mm/Km時，也可以采用高斯正形投影任意帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)，投影面可采用黃海平均海水面或測區(qū)平均高程面。(8) 當(dāng)GPS測量的高程值轉(zhuǎn)換

14、為正常高時，其高程系統(tǒng)，應(yīng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)或沿用1956年黃海高程系統(tǒng)、地方高程系統(tǒng)。1985年國家高程基準(zhǔn)青島原點(diǎn)高程為72.260m；1956年黃海高程系統(tǒng)青島原點(diǎn)高程為72.289m。4 GPS控制網(wǎng)圖形構(gòu)成的基本概念和網(wǎng)的特征條件在進(jìn)行GPS網(wǎng)圖形設(shè)計前，必須明確有關(guān)GPS網(wǎng)構(gòu)成的幾個概念，掌握網(wǎng)的特征條件計算方法。41GPS網(wǎng)圖構(gòu)成的幾個基本概念 觀測時段（Observation session）：測站上開始接收衛(wèi)星信號進(jìn)行觀測到停止，連續(xù)觀測的時間間隔。 同步觀測（Simultaneous observation）：兩臺及以上接收機(jī)同時對同一組衛(wèi)星進(jìn)行的觀測。 同步觀測環(huán)

15、（Simultaneous observation loop）：三臺及以上接收機(jī)同步觀測獲得的基線向量所構(gòu)成的閉合環(huán)。 獨(dú)立觀測環(huán)（Independent observation loop）：由獨(dú)立觀測所獲得的基線向量構(gòu)成的閉合環(huán)。(5)異步觀測環(huán)（Non-Simultaneous observation loop）：在構(gòu)成多邊形環(huán)路的所有基線向量中，只要有非同步觀測基線向量，則該多邊形環(huán)路叫異步觀測環(huán)，簡稱異步環(huán)。獨(dú)立基線（Independent baseline）：對于N臺GPS接收機(jī)構(gòu)成的同步觀測環(huán)，有J條同步觀測基線，其中獨(dú)立基線數(shù)為N-1。星歷（Ephemeris）：是不同時刻衛(wèi)星在

16、軌道上的坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)剔除率（Percentage of data rejection）刪除的觀測值個數(shù)與應(yīng)獲得的觀測值個數(shù)比值。 天線高（Antenna height）：觀測時接收機(jī)天線平均相位中心到測站中心標(biāo)志面的高度。參考站（Reference station）：在一定的觀測時間內(nèi)，一臺或幾臺接收機(jī)分別固定在一個或幾個測站上，一直保持跟蹤觀測衛(wèi)星，其余接收機(jī)在這些測站的一定范圍內(nèi)流動設(shè)站作業(yè)，這些固定站稱為參考站。(11)流動站（Moving station）：在參考站的一定范圍內(nèi)流動作業(yè)的接收機(jī)設(shè)立的測站。42 GPS網(wǎng)特征條件的計算假若在一個測區(qū)中需要布設(shè)n個GPS點(diǎn)，用N臺收接機(jī)進(jìn)行

17、觀測，在每一個點(diǎn)觀測m次，則根據(jù)R A sany提出的觀測時段數(shù)計算公式（6-2），計算GPS觀測時段數(shù)S：可以計算出所需要GPS網(wǎng)特征條件參數(shù)如下表6-3表6-3 GPS網(wǎng)特征條件參數(shù)GPS網(wǎng)特征條件參數(shù)GPS網(wǎng)特征條件計算公式公式編號總基線數(shù)（6-3）必要基線數(shù)（6-4）獨(dú)立基線數(shù)（6-5）多余基線數(shù)（6-6）一個具體GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)的主要特征，可依據(jù)以上公式進(jìn)行計算。43 GPS網(wǎng)同步圖形構(gòu)成及獨(dú)立邊選擇根據(jù)公式（6-3），由N臺GPS接收機(jī)同步觀測可得到的基線（GPS邊）數(shù)為：B= N（ N 1 ）/ （6-7）圖6-1 N臺接收機(jī)同步觀測圖形但其中僅有N 1條是獨(dú)立邊，其余為非獨(dú)立邊

18、。圖6-1給出了當(dāng)接收機(jī)數(shù)N= 25時所構(gòu)成的同步圖形。在圖6-1中，僅有N1條邊是獨(dú)立的，其余邊為非獨(dú)立邊。圖6-2給出了獨(dú)立GPS邊的不同選擇形式。圖6-2 獨(dú)立GPS邊的不同選擇當(dāng)同步觀測的GPS接收機(jī)數(shù)N3時，同步閉合環(huán)的最少個數(shù)應(yīng)為：（6-8）接收機(jī)數(shù)N、GPS邊數(shù)B和同步閉合環(huán)數(shù)L（最少個數(shù)）的對應(yīng)關(guān)系如表6-4所示。理論上，同步環(huán)中各GPS邊的坐標(biāo)差分量之和（即坐標(biāo)閉合差）應(yīng)為0，但由于各臺GPS接收機(jī)間并不嚴(yán)格同步，以及模型誤差和處理軟件內(nèi)在的缺陷，導(dǎo)致同步閉合環(huán)的閉合差并不等于0。GPS規(guī)范規(guī)定了同步閉合差的限差，對于同步較好的情況，應(yīng)遵守此限差要求。表6-4 GPS接收機(jī)數(shù)

19、同邊數(shù)，同步閉合環(huán)關(guān)系接收機(jī)數(shù)23456GPS邊數(shù)1361015同步閉合環(huán)數(shù)013610在工程應(yīng)用中，同步閉合環(huán)的閉合差的大小只能說明GPS基線向量的解算是否合格，并不能說明GPS基線向量的精度高低，也不能發(fā)現(xiàn)接受的信號是否受到干擾而含有粗差。為了確保GPS觀測效果的可靠性，有效地發(fā)現(xiàn)觀測成果中的粗差，必須使GPS網(wǎng)中的獨(dú)立邊構(gòu)成一定的幾何圖形，這種幾何圖形，可以是由數(shù)條GPS獨(dú)立邊構(gòu)成的非同步多邊形（亦稱非同步閉合環(huán)），如三邊形、四邊形、五邊形。當(dāng)GPS網(wǎng)中有若干個起算點(diǎn)時，也可以是由兩個起算點(diǎn)之間的數(shù)條GPS獨(dú)立邊構(gòu)成附合路線。當(dāng)某條基線進(jìn)行了兩個或多個時段觀測時，即形成所謂的重復(fù)基線坐標(biāo)

20、閉合差條件。異步環(huán)條件及全部基線坐標(biāo)條件，是衡量精度、檢驗(yàn)粗差和系統(tǒng)差的重要指標(biāo)。GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計，也就是根據(jù)對所布設(shè)的GPS網(wǎng)的精度和其他方面的要求，設(shè)計出由獨(dú)立GPS邊構(gòu)成的多邊形網(wǎng)（或稱為環(huán)形網(wǎng)）。對于異步環(huán)的構(gòu)成，一般應(yīng)按所設(shè)計的網(wǎng)圖選定，必要時在經(jīng)技術(shù)負(fù)責(zé)人審定后，也可根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)接收機(jī)多于3臺時，也可按軟件功能自動挑選獨(dú)立基線構(gòu)成環(huán)路。二、GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計及設(shè)計原則由于GPS控制網(wǎng)點(diǎn)間不需要通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測時衛(wèi)星與測站間的幾何圖形、觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法，與GPS網(wǎng)形關(guān)系不大。因此在GPS布網(wǎng)時，與常規(guī)網(wǎng)相比較為靈活方便，GPS的布設(shè)主要取

21、決于用戶的要求和用途。GPS控制網(wǎng)是由同步圖形作為基本圖形擴(kuò)展得到的，采用的連接方式不同，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的形狀也不同。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)就是如何將各同步圖形合理地銜接成一個整體，使其達(dá)到精度高、可靠性強(qiáng)、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。1 GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計根據(jù)不同的用途，GPS網(wǎng)的布設(shè)按網(wǎng)的構(gòu)成形式可分為：星形連接、點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接等。選擇怎樣的網(wǎng)，取決于工程所要求的精度、外業(yè)觀測條件及GPS接收機(jī)數(shù)量等因素。圖6-3 星形網(wǎng)11星形網(wǎng)圖6-4 點(diǎn)連式網(wǎng)形星形圖的幾何圖形簡單，直接觀測邊之間不構(gòu)成任何閉合圖形，所以檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)粗差的能力較差，如圖6-3所示。這種圖形的主要優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)中只需

22、要兩臺GPS接收機(jī)，作業(yè)簡單，是一種快速定位作業(yè)方式，廣泛地應(yīng)用于精度較低的工程測量、邊界測量、地籍測量和地形測圖等領(lǐng)域。12點(diǎn)連式形點(diǎn)連式是指僅通過一個公共點(diǎn)將兩個相鄰?fù)綀D形連接在一起。點(diǎn)連式布網(wǎng)主要的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)效率高、圖形擴(kuò)展迅速。但點(diǎn)連式布網(wǎng)所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度很弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，所構(gòu)成的網(wǎng)形抗粗差能力不強(qiáng)。一般在作業(yè)中不單獨(dú)采用。如圖6-4所示為3臺接收機(jī)同步觀測構(gòu)成的點(diǎn)連式圖形。13邊連式網(wǎng)形圖6-5 邊連式網(wǎng)形邊連式是指通過一條公共邊將兩個同步圖形之間連接起來。如圖6-5所示。邊連式布網(wǎng)有較多的重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán)，有較好的幾何強(qiáng)度。與點(diǎn)連式上比較，在相同的儀器臺數(shù)

23、條件下，觀測時段數(shù)將比點(diǎn)連式大大增加。14網(wǎng)連式網(wǎng)連式是指相鄰?fù)綀D形之間有兩個以上的公共點(diǎn)相連接，相鄰圖形間有一定的重疊。這種作業(yè)方法需要4臺以上的接收機(jī)。采用這種布網(wǎng)方式所測設(shè)的GPS網(wǎng)具有較強(qiáng)的圖形強(qiáng)度和較高的可靠性，但作業(yè)效率低，花費(fèi)的經(jīng)費(fèi)和時間較多，一般僅適于要求精度較高的控制網(wǎng)測量。15邊點(diǎn)混合連接式在實(shí)際作業(yè)中，由于上述幾種布網(wǎng)方案都存在缺點(diǎn)，因而把點(diǎn)連式與邊連式有機(jī)地結(jié)合起來，組成邊點(diǎn)混連接式網(wǎng)，如圖6-6所示。混連式是實(shí)際作業(yè)中較常采用的布網(wǎng)方式，能保證網(wǎng)的幾何強(qiáng)度，提高網(wǎng)的可靠指標(biāo)，能有效地發(fā)現(xiàn)粗差，這樣既減少了外業(yè)工作量，又降低了成本。圖6-6 邊點(diǎn)混連式網(wǎng)形a）b在實(shí)際

24、布網(wǎng)設(shè)計時還要注意以下幾點(diǎn)：1）GPS網(wǎng)點(diǎn)間盡管不要求通視，但考慮到利用常規(guī)測量加密時的需要，每點(diǎn)應(yīng)有一個以上通視方向。（2）為了顧及原有城市測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的延用，應(yīng)采用原有城市坐標(biāo)系統(tǒng)。凡符合GPS網(wǎng)點(diǎn)要求的舊點(diǎn)，應(yīng)充分利用其標(biāo)石。（3）GPS網(wǎng)必須構(gòu)成若干非同步閉合環(huán)或附合路線。各級GPS網(wǎng)中每個最簡單獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線中的邊數(shù)應(yīng)符合表6-4中的規(guī)定。2 GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計原則從不同的構(gòu)網(wǎng)形式可見，在GPS技術(shù)設(shè)計中應(yīng)設(shè)計出一個比較實(shí)用的網(wǎng)形，使其既可以滿足一定的精度、可靠性要求，又有較高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，GPS網(wǎng)形設(shè)計布設(shè)應(yīng)遵循一定的原則：（1）GPS 網(wǎng)應(yīng)根據(jù)測區(qū)

25、實(shí)際需要和交通狀況進(jìn)行設(shè)計。GPS 網(wǎng)的點(diǎn)與點(diǎn)間不要求通視，但應(yīng)考慮常規(guī)測量方法加密時的應(yīng)用，每點(diǎn)應(yīng)有一個以上的通視方向。（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，宜采用原有坐標(biāo)系統(tǒng)。對凡符合GPS 網(wǎng)布點(diǎn)要求的舊有控制點(diǎn)，應(yīng)充分利用其標(biāo)石。（3）GPS網(wǎng)應(yīng)由一個或若干個獨(dú)立觀測環(huán)構(gòu)成，也可采用附合線路形式構(gòu)成。各等級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6-5和表6-6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(dú)立基線構(gòu)成環(huán)路。表6-5 GB規(guī)范規(guī)定的閉合環(huán)或附合線路邊數(shù)級別ABCDE閉合環(huán)或附合路線邊數(shù)566810

26、表6-6規(guī)程規(guī)定的閉合環(huán)或附合線路邊數(shù)等級二等三等四等一級二級閉合環(huán)或附和路線的邊數(shù)68101010（4）為求得GPS點(diǎn)在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，應(yīng)在地面坐標(biāo)系中選定起算數(shù)據(jù)和聯(lián)測原有地方控制點(diǎn)若干個。 大、中城市的GPS網(wǎng)應(yīng)與國家控制網(wǎng)相互聯(lián)接和轉(zhuǎn)換，并應(yīng)與附近的國家控制點(diǎn)聯(lián)測，聯(lián)測點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于3個點(diǎn)。小城市或工程控制網(wǎng)可聯(lián)測23個點(diǎn)。（5） 為了求得GPS網(wǎng)點(diǎn)的正常高，應(yīng)進(jìn)行水準(zhǔn)測量的高程聯(lián)測，并應(yīng)按下列要求實(shí)施：高程聯(lián)測應(yīng)采用不低于四等水準(zhǔn)測量或其精度相當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行；平原地區(qū)，高程聯(lián)測點(diǎn)應(yīng)不少于5個點(diǎn)，并應(yīng)均勻分布于網(wǎng)中；丘陵或山地，高程聯(lián)測點(diǎn)應(yīng)按測區(qū)地形特征，適當(dāng)增加高程聯(lián)測點(diǎn)，其點(diǎn)數(shù)不宜少

27、于10個點(diǎn)；GPS點(diǎn)高程（正常高）經(jīng)計算分析后符合精度要求的可供測圖或一般工程測量使用。三、GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)及精度設(shè)計GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計是實(shí)施GPS測量的基礎(chǔ)性工作，它是在網(wǎng)的精確性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面，尋求GPS控制網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計的最佳方案。根據(jù)GPS測量特點(diǎn)分析可知，GPS網(wǎng)需要以一個點(diǎn)的坐標(biāo)為定位基準(zhǔn)，而此點(diǎn)的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時由于GPS網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差以及同地面網(wǎng)的尺度匹配問題，所以有必要提供精度較高的外部尺度基準(zhǔn)。1 GPS控制網(wǎng)基準(zhǔn)設(shè)計GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)包括：GPS網(wǎng)基線的向量解中的位置基準(zhǔn)的選擇；GPS網(wǎng)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系所需的基準(zhǔn)設(shè)計

28、；GPS網(wǎng)尺度基準(zhǔn)設(shè)計。1.1 位置基準(zhǔn)設(shè)計通過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，GPS基線向量解算中作為位置基準(zhǔn)的固定點(diǎn)誤差是引起基線誤差的一個重要因素，使用單點(diǎn)定位坐標(biāo)值作為起算坐標(biāo)時，其誤差可達(dá)數(shù)十米以上。因此，在基線解算中必須對網(wǎng)的位置基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計?；€解算所需的起算點(diǎn)坐標(biāo)，應(yīng)按以下優(yōu)先順序采用：（1）國家GPS A、B級網(wǎng)控制點(diǎn)或其它高等級GPS網(wǎng)控制點(diǎn)的已有WGS84坐標(biāo)；（2） 國家或城市較高等級控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系后的坐標(biāo)值；（3） 若網(wǎng)中無任何其他已知起算數(shù)據(jù)，可將網(wǎng)中觀測條件較好、觀測時間較長（不少于30min）的單點(diǎn)定位結(jié)果的平差值提供的WGS84系坐標(biāo)。1.2尺度基準(zhǔn)設(shè)計盡管GPS

29、觀測的基線向量本身已含有尺度信息，但由于GPS網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差，為有效地降低或消除這種尺度誤差，還需要提供外部尺度基準(zhǔn)。尺度基準(zhǔn)設(shè)計有以下幾種方案：（1）采用外部尺度基準(zhǔn)。對于邊長小于50km的GPS網(wǎng)，可用較高精度的測距儀（10-6或更高）測量23條基線邊，作為整網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。對于大型長基線網(wǎng)，可采用SLR站的相對定位觀測值和VLBI基線作為GPS網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。（2）采用內(nèi)部尺度基準(zhǔn)。在沒有外部尺度基準(zhǔn)的情況下，在網(wǎng)中選擇一條長基線，并對該基線進(jìn)行長時間、多次觀測，最后取多次觀測時段所得到的基線的平均值，以其邊長作為網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。由于它是不同時段的平均值，尺度誤差基本上可以抵消。因此，它

30、的精度要比網(wǎng)中其他短基線高得多，可以作為尺度基準(zhǔn)。2 GPS網(wǎng)的精度設(shè)計精度是用來衡量網(wǎng)的坐標(biāo)參數(shù)估值受觀測偶然誤差影響程度的指標(biāo)。網(wǎng)的精度設(shè)計是根據(jù)偶然誤差的傳播規(guī)律，按照一定的精度設(shè)計方法，分析網(wǎng)中各未知點(diǎn)平差后預(yù)期能達(dá)到的精度。一般可用誤差橢圓來描述坐標(biāo)點(diǎn)的精度狀況，也可用方位、距離和角度的標(biāo)準(zhǔn)差來定義。對于GPS網(wǎng)的精度，一般用網(wǎng)中點(diǎn)之間的距離誤差來表示。然而，對于大多數(shù)工程控制網(wǎng)來講，僅用點(diǎn)位之間距離的相對精度要求還不夠，還需要提供GPS網(wǎng)中各點(diǎn)點(diǎn)位精度和網(wǎng)中的平均點(diǎn)位精度。GPS網(wǎng)精度設(shè)計可按下列步驟進(jìn)行：（1）根據(jù)布網(wǎng)目的，進(jìn)行圖上選點(diǎn)。并到野外踏勘選點(diǎn)，以保證所選點(diǎn)滿足測量任務(wù)

31、要求和野外觀測應(yīng)具備的條件，用圖解方法在圖上獲得各觀測測點(diǎn)位的概略坐標(biāo)。（2）根據(jù)將要使用的接收機(jī)臺數(shù)N，選?。∟1）條獨(dú)立基線設(shè)計網(wǎng)的觀測圖形，并選定網(wǎng)中可能追加施測的基線。（3）根據(jù)GPS控制網(wǎng)測量的精度要求，采用解析-模擬方法，依據(jù)精度設(shè)計模型，計算將要施測的GPS網(wǎng)可達(dá)到的各項(xiàng)精度指標(biāo)值。（4）采用逐步增減網(wǎng)中獨(dú)立觀測基線，直至精度指標(biāo)值達(dá)到網(wǎng)的所預(yù)期的精度指標(biāo)，并獲得最終網(wǎng)形及施測方案。圖6-8 GPS網(wǎng)的精度設(shè)計程序流程圖GPS網(wǎng)的精度設(shè)計可采用程序進(jìn)行，圖6-8是GPS網(wǎng)精度設(shè)計的程序流程框圖。四、GPS觀測綱要設(shè)計GPS測量工程項(xiàng)目在進(jìn)行具體的外業(yè)觀測工作之前，應(yīng)做好施測前的資

32、料收集、器材準(zhǔn)備、人員組織、外業(yè)觀測計劃擬訂以及技術(shù)設(shè)計書的編寫等工作。觀測綱要設(shè)計是核心工作，關(guān)鍵做好以下主要任務(wù)：作業(yè)接收機(jī)數(shù)以配置、 測區(qū)劃分、觀測進(jìn)程日歷、可視衛(wèi)星預(yù)測、最佳觀測時段選擇、接收機(jī)調(diào)度計劃。1 測區(qū)踏勘及收集資料11測區(qū)踏勘接到GPS控制網(wǎng)測量任務(wù)后，可以依據(jù)施工設(shè)計圖紙進(jìn)行實(shí)地踏勘、調(diào)查測區(qū)。通過實(shí)地踏勘，結(jié)合工程項(xiàng)目的任務(wù)和目的，主要了解下列情況，以便為編寫技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、成本預(yù)算提供依據(jù)。測區(qū)踏勘的主要任務(wù)：測區(qū)的地理位置、范圍、控制網(wǎng)的面積。 GPS控制網(wǎng)的用途和精度等級。點(diǎn)位分布及點(diǎn)的數(shù)量：根據(jù)控制網(wǎng)的用途與等級，大致確定控制網(wǎng)的點(diǎn)位分布、點(diǎn)的數(shù)量和密度。交

33、通情況：公路、鐵路、鄉(xiāng)村便道的分布及通行情況。水系分布情況：江河、湖泊、池塘、水渠的分布，橋梁、碼頭及水路交通情況。植被情況：森林、草原、農(nóng)作物的分布及面積。 原有控制點(diǎn)的分布情況：三角點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)、GPS點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)的等級、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、點(diǎn)位的數(shù)量及分布，點(diǎn)位標(biāo)志的保存狀況等。居民點(diǎn)分布情況：測區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民點(diǎn)的分布，食宿及供電情況。當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗民情：民族的分布、習(xí)俗、習(xí)慣、地方方言，以及社會治安情況。12資料收集收集資料是進(jìn)行控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的一項(xiàng)重要工作。技術(shù)設(shè)計前應(yīng)收集測區(qū)或工程各項(xiàng)有關(guān)的資料。結(jié)合GPS控制網(wǎng)測量工作的特點(diǎn)，并結(jié)合測區(qū)具體情況，需要收集資料的主要內(nèi)容包括： 各類圖件：

34、測區(qū)1:1萬1:10萬比例尺地形圖，大地水準(zhǔn)面起伏圖，交通圖。原有控制測量資料：包括點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)系統(tǒng)、技術(shù)總結(jié)等有關(guān)資料，以及國家或其他測繪部門所布設(shè)的三角點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)、GPS點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)等控制點(diǎn)測量成果、及相關(guān)的技術(shù)總結(jié)資料。 測區(qū)有關(guān)的地質(zhì)、氣象、交通、通訊等方面的資料。 城市及鄉(xiāng)、村行政區(qū)劃分表。 有關(guān)的規(guī)范、規(guī)程等。2 器材準(zhǔn)備及人員組織根據(jù)技術(shù)設(shè)計的要求，設(shè)備、器材籌備及人員組織應(yīng)包括以下內(nèi)容：觀測儀器、計算機(jī)及配套設(shè)備的準(zhǔn)備。交通、通訊設(shè)施的準(zhǔn)備。準(zhǔn)備施工器材，計劃油料和其他消耗材料。組織測量隊伍，擬訂測量人員名單及崗位，并進(jìn)行必要的培訓(xùn)。 進(jìn)行測量工作成本的詳細(xì)預(yù)算。3

35、外業(yè)觀測計劃的擬訂外業(yè)觀測工作是GPS 測量的主要工作。為了保證外業(yè)觀測工作能按計劃、按質(zhì)、按量順利完成，必須制定嚴(yán)密的觀測計劃。3.1擬訂觀測計劃的依據(jù)根據(jù)GPS網(wǎng)的精度要求確定所需的觀測時間、觀測時段數(shù)。GPS網(wǎng)規(guī)模的大小、點(diǎn)位精度及密度。觀測期間GPS衛(wèi)星星歷分布狀況、衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度。 參加作業(yè)的GPS接收機(jī)類型數(shù)量。 測區(qū)交通、通訊及后勤保障等。3.2.可視衛(wèi)星預(yù)測在作業(yè)組進(jìn)入測區(qū)觀測前，應(yīng)事先編制GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報圖?？梢曅l(wèi)星預(yù)測是預(yù)報將來某一個觀測時間段內(nèi)，某個測站點(diǎn)上能觀測到的衛(wèi)星數(shù)及衛(wèi)星號。GPS衛(wèi)星可見性可利用GPS的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行預(yù)測，通過可視衛(wèi)星分布圖和可視衛(wèi)星數(shù)

36、分布圖展示，如圖6-8、圖6-9所示。圖6-8 可視衛(wèi)星分布圖圖6-9可視衛(wèi)星數(shù)分布圖編制預(yù)報圖所用的概略坐標(biāo)應(yīng)采用測區(qū)中心位置的經(jīng)、緯度。預(yù)報時間應(yīng)選用作業(yè)期的中間時間。當(dāng)測區(qū)較大時，作業(yè)時間較長時，應(yīng)按不同時間和地區(qū)分段預(yù)報，編制預(yù)報圖所用的概略星歷齡期不超過20天。測區(qū)中心位置的概略坐標(biāo)可通過設(shè)計圖紙獲取，也可利用GPS接收機(jī)進(jìn)行單測量獲取。概略星歷可以將接收機(jī)安置到室外觀測一段時間即可獲得。編制GPS 衛(wèi)星的可見性預(yù)報圖時：在高度角>15°的限制下，根據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件的提示，輸入測區(qū)中心位置的概略經(jīng)、緯度值，輸入將要預(yù)報日期和時間，星歷齡期不超過20天的星歷衛(wèi)星文件，即可

37、編制GPS衛(wèi)星的可見性預(yù)報圖。圖6-10是用Ashtech Solution軟件編制的衛(wèi)星可見性預(yù)報圖。3.圖6-10 Ashtech Solution軟件編制的衛(wèi)星可見性預(yù)報圖3.最佳觀測窗口與最佳觀測時段的選擇GPS定位精度同衛(wèi)星與測站構(gòu)成的圖形強(qiáng)度有關(guān)，所測衛(wèi)星與觀測站所組成的幾何圖形，其強(qiáng)度因子可用空間位置因子（PDOP）來代表，無論是絕對定位還是相對定位，PDOP值不應(yīng)大于6。此時，可視衛(wèi)星幾何分布對應(yīng)的觀測窗口稱為最佳觀測窗口。當(dāng)在進(jìn)行GPS觀測時，可觀測到衛(wèi)星數(shù)大于4顆時，且分布均勻，PDOP值小于6的時段就是最佳時段。當(dāng)衛(wèi)星高度角大于等于15°時，某測站上可視衛(wèi)星的P

38、DOP隨時間變化曲線的例子如圖6-11所示，它是使用Ashtech Solution軟件，用測站的概略經(jīng)、緯度和星歷齡期不大于20d的星歷所做出的PDOP值預(yù)報，用以選擇最佳觀測時段。由圖可知，在整個作業(yè)期間，除10:1511:00期間，可見衛(wèi)星數(shù)有5顆，PDOP6外，其余時段的可見衛(wèi)星數(shù)5顆，PDOP6，均可進(jìn)行觀測。3.圖6-11 PDOP值預(yù)報及最佳觀測時段的選擇4.觀測區(qū)域的設(shè)計與劃分當(dāng)GPS網(wǎng)的點(diǎn)數(shù)較多，網(wǎng)的規(guī)模較大，而參與觀測的接收機(jī)數(shù)量有限，交通和通訊不便時，可實(shí)行分區(qū)觀測。為了增強(qiáng)網(wǎng)的整體性，提高網(wǎng)的精度，相鄰分區(qū)應(yīng)設(shè)置公共觀測點(diǎn)，且公共點(diǎn)數(shù)不得少于3個。3.5.接收機(jī)調(diào)度計劃

39、擬定作業(yè)組在觀測前應(yīng)根據(jù)測區(qū)的地形、交通狀況、控制網(wǎng)的大小、精度的高低、儀器的數(shù)量、GPS網(wǎng)的設(shè)計、衛(wèi)星預(yù)報表和測區(qū)的天氣、地理環(huán)境等擬定接收機(jī)調(diào)度計劃和編制作業(yè)的調(diào)度表，以提高工作效益。調(diào)度計劃制定遵循以下原則：（1）保證同步觀測（2）保證足夠重復(fù)基線（3）設(shè)計最優(yōu)接收機(jī)調(diào)度路徑（4）保證最佳觀測窗口。作業(yè)調(diào)度表包括觀測時段、測站號、測站名稱及接收機(jī)號等。其作業(yè)調(diào)度表見表6-7。表6-7GPS作業(yè)調(diào)度表時段編號觀測時間測站號/名測站號/名測站號/名測站號/名測站號/名測站號/名機(jī)號機(jī)號機(jī)號機(jī)號機(jī)號機(jī)號12若作業(yè)儀器臺數(shù)、觀測時段數(shù)及測站數(shù)較多時，在每日出測前應(yīng)采用外業(yè)觀測通知單進(jìn)行調(diào)度，如表6-8所示。表6-8 GPS測量外業(yè)觀測通知單觀測日期 年 月 日 組別： 操作員： 接收機(jī)號： 點(diǎn)位所在圖幅： 測站編號/名： 觀測時段：1： 2： 3： 4： 5： 6： 安排人： 年 月 日例如擬布設(shè)如圖6-12所示GPS網(wǎng)A-B-C-D-E-F-G