GPS測量與數(shù)據(jù)處理第三講

GPS測量與數(shù)據(jù)處理

第三講河南工程學(xué)院土木工程系測繪教研室本講主要內(nèi)容GPS網(wǎng)的精度和密度設(shè)計GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計1.4GPS網(wǎng)的精度和密度設(shè)計主要內(nèi)容GPS網(wǎng)的等級劃分不同等級GPS網(wǎng)的用途精度和密度設(shè)計基本原則一、GPS測量的等級及其用途GPS基線向量網(wǎng)被分為：AA、A、B、C、D、E六個級別級別用途實例AA

全球參考框架、全球性地球動力學(xué)研究、地殼形變測量和精密定軌IGS永久跟蹤站網(wǎng)A國家參考框架、區(qū)域性地球動力學(xué)研究和地殼形變測量國家A級網(wǎng)B

國家大地控制、地方參考框架、局部形變監(jiān)測和各種精密工程測量國家B級網(wǎng)C

大中城市及工程的基本控制網(wǎng)D

中小城市、城鎮(zhèn)及測圖、地籍、土地信息、房產(chǎn)、物探、勘測、建筑施工等的控制網(wǎng)E二、各級GPS測量的精度指標(biāo)相鄰點間基線長度的中誤差相鄰點間基線長度的中誤差相鄰點間基線長度的中誤差中誤差，單位mm固定誤差，單位mm

比例誤差，單位ppm

相鄰點間的距離，單位mm

二、各級GPS測量的精度指標(biāo)算例根據(jù)2001年發(fā)布的全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范，C級網(wǎng)相鄰點間弦長精度（距離中誤差）之固定誤差要求優(yōu)于10mm，比例誤差要求優(yōu)于5ppm，則在C級網(wǎng)中，一條邊長為10km的基線，其距離中誤差至少應(yīng)小于A15mm

B10mm

C51mm

D60mm二、各級GPS測量的精度指標(biāo)相鄰點間基線長度的精度要求大地高差的限差可放寬1倍執(zhí)行級別固定誤差(mm)比例誤差(ppm)AA≤3≤0.01A≤5≤0.1B≤8≤1C≤10≤5D≤10≤10E≤10≤20二、各級GPS測量的精度指標(biāo)點位精度及基線長度年變化率的精度要求級別點位的地心坐標(biāo)精度基線長度年變化率精度AA≤0.05m≤2mm/年A≤0.1m≤3mm/年二、各級GPS測量的精度指標(biāo)廠商給出的儀器標(biāo)稱精度指標(biāo)儀器標(biāo)稱精度指標(biāo)，一般是指在某些標(biāo)準(zhǔn)條件下的精度。而GPS規(guī)范中的規(guī)定考慮了一些實際工作中外界因素的影響。一般單頻GPS接收機(jī)的精度指標(biāo)雙頻GPS接收機(jī)的精度指標(biāo)三、各級GPS測量的密度指標(biāo)相鄰點間基線長度的密度要求相鄰點間的最小距離可為平均距離的1/3～1/2；最大距離可為平均距離的2～3倍。級別平均距離(km)AA1000A300B70C10~15D5~10E0.2~5四、GPS網(wǎng)精度和密度設(shè)計基本原則設(shè)計內(nèi)容網(wǎng)的精度，密度，觀測時段數(shù)，觀測時段長度，高度角，采樣率等設(shè)計基本原則一般依據(jù)GPS測量規(guī)范進(jìn)行設(shè)計當(dāng)用戶的要求介于兩個等級之間時，在無需顯著增加工作量的情況下，一般直接上靠導(dǎo)較高的等級；特殊情況，按照測量任務(wù)書或測量合同書提出的技術(shù)要求單獨進(jìn)行網(wǎng)的密度和精度設(shè)計（高精度GPS形變監(jiān)測）1.5GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計主要內(nèi)容位置基準(zhǔn)尺度基準(zhǔn)方位基準(zhǔn)GPS基線向量

WGS-84坐標(biāo)系實際坐標(biāo)

國家坐標(biāo)系或地方獨立坐標(biāo)系明確GPS成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)基準(zhǔn)設(shè)計二、GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通常是由給定的起算點坐標(biāo)確定位置基準(zhǔn)的確定自由網(wǎng)平差或擬穩(wěn)平差對網(wǎng)的尺度無影響固定一點（最小約束平差）對網(wǎng)的尺度無影響固定多點（約束平差）對網(wǎng)的尺度有影響三、GPS網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)GPS網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)可以由地面的電磁波測距邊確定，或由兩個以上的起算點之間的距離確定，也可以由GPS基線向量的距離確定。尺度基準(zhǔn)的確定GPS基線向量測距邊已知點間的固定邊其他空間技術(shù)手段（VLBI、SLR等）四、GPS網(wǎng)的方位基準(zhǔn)GPS網(wǎng)的方位基準(zhǔn)可以通過給定起算方位角值確定，也可以由GPS基線向量的方位作為方位基準(zhǔn)。方位基準(zhǔn)的確定GPS基線向量起始方位其他空間技術(shù)（如VLBI）提供的方位五、GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)選取原則布設(shè)GPS網(wǎng)時起算點的選取與分布若要求所布設(shè)的GPS網(wǎng)的成果與舊成果吻合最好，則起算點越多越好。若不要求所布設(shè)的GPS網(wǎng)的成果完全與舊成果吻合，則一般可選3~5個起算點，這樣既可以保證新老坐標(biāo)成果的一致性，也可以保持GPS網(wǎng)的原有精度。為保證整網(wǎng)的點位精度均勻，起算點一般應(yīng)均勻地分布在GPS網(wǎng)的周圍。要避免所有的起算點分布在網(wǎng)中一側(cè)的情況。五、GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)選取原則布設(shè)GPS網(wǎng)時起算邊長的選取與分布采用高精度激光測距邊作為起算邊長，激光測距邊的數(shù)量可在3~5條左右。可設(shè)置在GPS網(wǎng)中的任意位置。布設(shè)GPS網(wǎng)時起算方位的選取與分布起算方位不宜太多，可布設(shè)在網(wǎng)中的任意位置1.6GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計主要內(nèi)容：GPS網(wǎng)形設(shè)計的內(nèi)容GPS網(wǎng)的基本圖形圖形設(shè)計中的注意事項一、GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容一般控制網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容與精度和可靠性有關(guān)的點位設(shè)計觀測設(shè)計（觀測點、測回數(shù)等）GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容觀測設(shè)計（同步觀測圖形、重復(fù)觀測次數(shù)、重復(fù)觀測邊的設(shè)置、觀測參數(shù)設(shè)置、觀測時長要求）一、GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容注意：GPS網(wǎng)沒有與精度和可靠性直接相關(guān)的圖形設(shè)計問題（點位觀測環(huán)境方面的問題除外）如果假定對應(yīng)基線向量的質(zhì)量一樣，則在下面兩個圖形中，對應(yīng)各點的可靠性和精度是完全一樣的

一、GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容兩點重要提示GPS網(wǎng)的圖形強度與基線向量的數(shù)量和分布有關(guān)GPS點的精度和可靠性與與其相連的基線向量數(shù)密切相關(guān)，相連的基線向量數(shù)越多，精度和可靠性越高①提高GPS網(wǎng)可靠性的方法增加觀測期數(shù)（增加獨立基線數(shù)）。保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)?？捎行У匕l(fā)現(xiàn)設(shè)站、對中、整平、量測天線高等人為錯誤。重復(fù)設(shè)站次數(shù)的增加，也意味著觀測期數(shù)的增加。保證每點與三條以上的獨立基線相連。各個點的可靠性與點位無直接關(guān)系，而與該點上所連接的基線數(shù)有關(guān)，點上所連接的基線數(shù)越多，點的可靠性則越高最小異步環(huán)邊數(shù)不大于6。②提高GPS網(wǎng)精度的方法網(wǎng)中距離較近的點一定要進(jìn)行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線。在全面網(wǎng)上建立框架網(wǎng)。最小異步環(huán)邊數(shù)不大于6。適當(dāng)引入高精度激光測距邊，作為觀測值與GPS觀測值（基線向量）一同進(jìn)行聯(lián)合平差，或?qū)⑺鼈冏鳛槠鹚氵呴L。若要進(jìn)行高程擬合，水準(zhǔn)點密度要高，分布要均勻，且要將擬合區(qū)域包圍起來。適當(dāng)延長觀測時間，增加觀測時段。二、GPS網(wǎng)的基本圖形三角形網(wǎng)多邊形網(wǎng)附和導(dǎo)線網(wǎng)星形網(wǎng)二、GPS網(wǎng)的基本圖形三角形網(wǎng)定義：以三角形作為基本圖形所構(gòu)成的GPS網(wǎng)特點優(yōu)點：幾何強度高、抗粗差能力強、可靠性高缺點：工作量大提高圖形強度的方法加測對角線二、GPS網(wǎng)的基本圖形多邊形網(wǎng)定義：以多邊形（邊數(shù)≥4）作為基本圖形所構(gòu)成的GPS網(wǎng)特點：效率高，工作量較小，圖形強度不如三角形網(wǎng)保證及提高圖形強度的方法對多邊形邊數(shù)加以限制二、GPS網(wǎng)的基本圖形附和導(dǎo)線網(wǎng)定義：附和導(dǎo)線（或稱附和路線）作為基本圖形所構(gòu)成的GPS網(wǎng)特點效率高，工作量較小，圖形強度不如三角形網(wǎng)和多邊形網(wǎng)保證及提高圖形強度的方法對多邊形邊數(shù)加以限制，仍能保證一定的強度二、GPS網(wǎng)的基本圖形星形網(wǎng)（單基準(zhǔn)站）定義：從一個已知點上分別與各待定點進(jìn)行相對定位（待定點間一般無任何聯(lián)系）所構(gòu)成的GPS網(wǎng)特點：作業(yè)速度快，但抗粗差能力極差提高可靠性的方法：從兩個已知點（基準(zhǔn)站）上對同一待定點（流動站）進(jìn)行觀測；適當(dāng)復(fù)測應(yīng)用：界址點、碎部點和低等級控制點（圖根點）工作模式：GoandStop，RTK二、GPS網(wǎng)的基本圖形多基準(zhǔn)站定義：兩臺以上的接收機(jī)（基準(zhǔn)站）固定不間斷觀測，其余接收機(jī)流動觀測所構(gòu)成的GPS網(wǎng)。特點：精度高，圖形結(jié)構(gòu)強應(yīng)用：C，D級網(wǎng)四、圖形設(shè)計中的注意事項布網(wǎng)形式AA、A、B級GPS網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成連續(xù)網(wǎng)，除邊緣點外，每點至少應(yīng)與3個點相連，C、D、E級GPS網(wǎng)可布設(shè)成多邊形或附和導(dǎo)線網(wǎng)形。四、圖形設(shè)計中的注意事項各級GPS網(wǎng)中最簡獨立閉合環(huán)或附和導(dǎo)線的邊數(shù)滿足下表要求級別閉合環(huán)和附和導(dǎo)線的邊數(shù)AA-A≤5B≤6C≤6D≤8E≤10四、圖形設(shè)計中的注意事項各級GPS網(wǎng)中最簡獨立閉合環(huán)或附和導(dǎo)線的邊數(shù)滿足下表要求級別聯(lián)測永久GPS跟蹤站的最少站數(shù)AA≥4A≥3B≥2四、圖形設(shè)計中的注意事項AA、A、B級GPS網(wǎng)點應(yīng)與參加過全國天文大地網(wǎng)整體平差的三角點、導(dǎo)線點及一、二等水準(zhǔn)點重合新布設(shè)的GPS網(wǎng)應(yīng)與附近已有的國家高等級GPS點進(jìn)行聯(lián)測，聯(lián)測點數(shù)不少于2個大陸、島、礁之間的A、B級GPS網(wǎng)的邊長可視實際情況變通。重要島礁與大陸之間的聯(lián)測點數(shù)不得少于3個。為求得GPS點在某一參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，應(yīng)與該坐標(biāo)系中的原有控制點進(jìn)行聯(lián)測，聯(lián)測點數(shù)不得少于3個。四、圖形設(shè)計中的注意事項框架網(wǎng)的采用當(dāng)控制網(wǎng)的范圍較大時，可采用分級布設(shè)的方法，即首先布設(shè)點數(shù)較少但等級較高的框架網(wǎng)，然后再部分項目所要求等級的全面網(wǎng)。四、圖形設(shè)計中的注意事項確定正常高時的注意事項為求得GPS點的正常高，應(yīng)進(jìn)行高程聯(lián)測，聯(lián)測應(yīng)滿足下表要求級別高程聯(lián)測點密度要求高程聯(lián)測點的等級AA逐點聯(lián)測二等水準(zhǔn)A逐點聯(lián)測二等水準(zhǔn)B每隔2~3點聯(lián)測1個三等水準(zhǔn)C每隔3~6點聯(lián)測1個四等或精度相當(dāng)D視情況四等或精度相當(dāng)E視情況四等或精度相當(dāng)五、GPS網(wǎng)的觀測形式跟蹤站式會戰(zhàn)式多基準(zhǔn)站式同步圖形擴(kuò)展式單基準(zhǔn)站式1.跟蹤站式形式：若干臺接收機(jī)長期固定安放在測站上，進(jìn)行常年、不間斷的觀測，即一年觀測365天，一天觀測24小時，這種觀測方式很象是跟蹤站，因此，這種布網(wǎng)形式被稱為跟蹤站式（實際上就是跟蹤站）。數(shù)據(jù)處理通常采用精密星歷和精密處理軟件(GAMIT,Bernese等）。優(yōu)點：精度極高，具有框架基準(zhǔn)特性；觀測時間長、數(shù)據(jù)量大，可應(yīng)用與地球科學(xué)的許多領(lǐng)域（如大氣科學(xué)等）缺點：需建立專門的永久性建筑跟蹤站，觀測成本很高，觀測時間長。適用范圍：一般用于建立GPS跟蹤站（AA級網(wǎng)），永久性的的監(jiān)測網(wǎng)（如用于監(jiān)測地殼形變、大氣物理參數(shù)等的永久性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)）。2.會戰(zhàn)式形式：在布設(shè)GPS網(wǎng)時，一次組織多臺GPS接收機(jī)，集中在一段不太長的時間內(nèi)，共同作業(yè)。在作業(yè)時，觀測分階段進(jìn)行，在同一階段中，所有的接收機(jī)，在若干天的時間里分別各自在同一批點上進(jìn)行多天、長時段的同步觀測，在完成一批點的測量后，所有接收機(jī)又都遷移到另外一批點上采用相同方式，進(jìn)行另一階段的觀測，直至所有點觀測完畢。優(yōu)點：可以較好地消除SA等因素的影響，因而具有非常高的尺度精度。缺點：觀測時間長，作業(yè)規(guī)模大，儀器多，外業(yè)觀測組織復(fù)雜適用范圍：用于布設(shè)A、B級網(wǎng)。3.多基準(zhǔn)站式形式：若干臺接收機(jī)在一段時間里長期固定在某幾個點上進(jìn)行長時間的觀測，這些測站稱為基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測的同時，另外一些接收機(jī)則在這些基準(zhǔn)站周圍相互之間進(jìn)行同步觀測。3.多基準(zhǔn)站式優(yōu)點：各個基準(zhǔn)站之間進(jìn)行了長時間的觀測，因此，可以獲得較高精度的定位結(jié)果，這些高精度的基線向量可以作為整個GPS網(wǎng)的骨架。另外一方面，其余的進(jìn)行了同步觀測的接收機(jī)間除了自身間有基線向量相連外，它們與各個基準(zhǔn)站之間也存在有同步觀測，因此，也有同步觀測基線相連，這樣可以獲得更強的圖形結(jié)構(gòu)。適用范圍：C，D和變形監(jiān)測。4.同步圖形擴(kuò)展式形式：多臺接收機(jī)在不同測站上進(jìn)行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進(jìn)行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形，在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公共點相連，整個GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。優(yōu)點：擴(kuò)展速度快，圖形強度較高，且作業(yè)方法簡單。適用范圍：C，D。同步圖形擴(kuò)展式是布設(shè)GPS網(wǎng)時最常用的一種布網(wǎng)形式5.單基準(zhǔn)站（星形網(wǎng)）式形式：以一臺接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，在某個測站上連續(xù)開機(jī)觀測，其余的接收機(jī)在此基準(zhǔn)站觀測期間，在其周圍流動，每到一點就進(jìn)行觀測，流動的接收機(jī)之間一般不要求同步，這樣，流動的接收機(jī)每觀測一個時段，就與基準(zhǔn)站間測得一條同步觀測基線，所有這樣測得的同步基線就形成了一個以基準(zhǔn)站為中心得星形。5.單基準(zhǔn)站（星形網(wǎng)）式優(yōu)點：效率高。

缺點：圖形強度弱適用范圍：D，E級網(wǎng)。

基準(zhǔn)站

流動站六、同步圖形擴(kuò)展式的連接方式在GPS網(wǎng)布設(shè)時，通常網(wǎng)中的點數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于用來觀測的GPS接收機(jī)的數(shù)量，這就需要采用逐步推進(jìn)的測量方法。采用同步圖形推進(jìn)的作業(yè)方式具有作業(yè)效率高、圖形強度好的特點，是目前GPS測量中普遍采用的一種推進(jìn)方式。點連式邊連式網(wǎng)連式混連式1.點連式形式：相鄰的同步圖形間

只通過一個公共點相連。

優(yōu)點：作業(yè)效率高，

圖形擴(kuò)展迅速。

缺點：圖形強度低，

如果連接點發(fā)生問題，

將影響到后面的同步圖形。

m臺儀器共同作業(yè)，第一個時段可測得m個點，

每觀測一個新時段，就可以測得m-1個新點，

當(dāng)觀測S個時段后，就可測得1+s*(m-1)個點。2.邊連式形式：相鄰的同步圖形間有一條公共邊（即兩個公共點）相連。優(yōu)點：作業(yè)效率較高，圖形強度較強。

m臺儀器共同作業(yè)，第一個時段可測得m個點，每觀測一個新時段，就可以測得m-2個新點，當(dāng)觀測S個時段后，就可測得2+s*(m-2)個點。3.網(wǎng)連式形式：相鄰的同步圖形間有3個（含3個）以上的公共點相連。優(yōu)點：圖形強度很強。缺點：作業(yè)效率低。m臺儀器共同作業(yè)，第一個時段可測得m個點，每觀測一個新時段，就可以測得m-k個新點，當(dāng)觀測S個時段后，就可測得k+s*(m-k