GPS 卫星定位测量的设计与实施

1. 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施

2. 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习目标 1.了解最佳GPS接收机应具备的条件，GPS接 收机类型的选择：单频、双频。了解美国天宝导航公司、美国阿士泰克公司、瑞士徕卡等公司生产的GPS接收机。

3. 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习目标 2.理解GPS网的联测设计中应注意的问题，野外选点埋石的选择与外业成果的记录，野外数据的检核、技术总结与上交资料。

4. 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习目标 3.掌握建立GPS网的技术依据和规范要求，GPS测量的精度分级，作业基本技术规定，GPS网的布网原则，卫星空间分布的几何图形强度设计。掌握GPS定位网的测设方案，最佳观测时段的选择及数据处理。

5. 第六章 GPS卫星定位测量的设计与实施 学习内容 第一节 建立GPS控制网的技术依据 第二节 GPS定位网的布设 第三节 GPS接收机的选择 第四节 GPS定位网的测设方案 第五节 外业观测 第六节 观测成果的外业检核及处理

6. 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网点的分布有着不同的要求。一般工程测量所需要的网点则应满足测图加密和工程测量的需用，平均边长需要缩短到几公里以内。考虑到这些情况，《规范》对GPS网中两相临点间距离视其需要作出了的规定。特殊情况下，个别点的间距还允许超出表中规定。

7. 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 在地球上的任何地点和时间，用一台GPS信号接收机，均能够以±120m左右的精度测定它的所在位置。但是如果用基线两端的两台接收机同时观测4颗以上的共视卫星，两者所采集的GPS定位数据又经过求差处理，此时相对定位精度可以达到毫米量级。..

8. 第一节 建立GPS控制网的技术依据 一、GPS点的密度 试验表明，在静态相对定位环境下进行载波相位测量，对于3000km以内的站间距离D，可以达到（5mm+10-8D）的精度，三维位置精度能够达到 ±3cm 。因此，以载波相位观测量为根据的静态相对定位，是建立GPS控制网的基本方式。《规范》中的各项规定，就是针对这一基本方式做出的。

9. 第一节 建立GPS控制网的技术依据 二、测量作业基本技术规定 GPS测量的仪器和方法与常规测量的仪器和方法显著不同，所以反映其技术规格的主要指标亦不相同。为此先介绍一下有关技术指标的概念。

10. 级别 项目 A B C D E 卫星高度角（°） ≥10 ≥15 ≥15 ≥15 ≥15 有效观测卫星总数 ≥12 ≥9 ≥6 ≥4 ≥3 时段中任一卫星 有效观测时间（min） ≥30 ≥30 ≥20 ≥15 ≥15 观测时段数（个） ≥8 ≥6 ≥2 ≥2 ≥2 时段长度（min） ≥180 ≥120 ≥90 ≥60 ≥60 数据采样间隔（S） 15～60 15～60 15～60 15～60 15～60 卫星观测值象限分布 （25±5）% （25±10）% （25＋20)% （25±20）%－25）% （25±20）%－25）% 第一节 建立GPS控制网的技术依据 各级GPS测量作业的基本技术规定列于表6－3。

11. 第一节 建立GPS控制网的技术依据 二、测量作业基本技术规定 GPS 控制网的布设，包括技术设计、踏勘选点、埋设标石三个工作环节。其中技术设计是GPS测量中外业准备阶段的重要内容，它是优质低耗完成GPS作业的依据和条件。

12. 第二节 GPS定位网的布设 一、技术设计中应考虑的因素 1．测站因素； 2．卫星因素； 3．仪器因素 4．后勤因素。

13. 第二节 GPS定位网的布设 二、GPS网的布网原则 （1）GPS网的布设应视其目的，作业时卫星状况，预期达到的精度， GPS网成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。 （2）一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如一个或若干个独立观测环，或者附合路线形式，以增加检核条件，提高网的可靠性。

14. 第二节 GPS定位网的布设 二、GPS网的布网原则 （3）GPS网内点与点之间虽不要求通视，但应有利于按常规测量方法进行加密控制时应用。 （4）可能条件下，新布设的GPS网应与附近已有的GPS点进行联测；新布设的GPS网点应尽量与地面原有控制网点相联接，联接处的重合点数不应少于三个，且分布均匀，以便可靠地确定GPS网与原有网之间的转换参数。

15. 第二节 GPS定位网的布设 二、GPS网的布网原则 （5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。C级网每隔3~6点联测一个高程点，D和E级网视具体情况确定联测点数。A和B级网的高程联测分别采用三、四等水准测量的方法；C至E级网可采用等外水准或与其精度相当的方法进行。

16. 第二节 GPS定位网的布设 三、GPS网的联测设计 GPS卫星定位所测得的点位坐标，属于WGS－84世界大地测量坐标系。为了将它们转换成国家或地方坐标系，在设计GPS定位网时，一定要考虑联测一定数量的常规控制点和基准点。

17. 第二节 GPS定位网的布设 三、GPS网的联测设计 1．联测点（公共点）的精度要求 联测点作为GPS成果转化到常规地面坐标系的基准点，在GPS测量数据处理中具有重要的意义。联测点的地面实用坐标是将GPS定位结果的WGS—84坐标系转换至地面坐标系时的起算数据，所以要求联测点的地面坐标具有较高的精度。

18. 第二节 GPS定位网的布设 三、GPS网的联测设计 为此，联测点应是下列几种点之一： （1）测区内现有的最高等级的常规地面控制点； （2）地方坐标系中控制网定位、定向的起算点； （3）联接国家坐标系和地方坐标系的联接点； （4）水准点。

19. 第二节 GPS定位网的布设 三、GPS网的联测设计 2．联测点的密度和分布 GPS网与地面网的联测点最少应有两个。其中一个作为GPS在地面网坐标系内的定位起算点，两个点间的方位和距离作为GPS网在地面坐标系内定向、长度的起算数据。

20. 第二节 GPS定位网的布设 三、GPS网的联测设计 显然，为了更好地解决GPS网与地面网两者成果的转换问题，应有更多一些联测点。分析研究和作业实践表明，一个GPS网应联测3～5个精度较高、分布合理的地面点作为GPS网的一部分。当测区较大时，还应适当增加联测点。

21. 第二节 GPS定位网的布设 3．GPS网中水准点的选择和分布 GPS网一般是求得测站点的三维坐标，其中高程为大地高，而实际应用的高程系统为正常高系统。为此，通常是在GPS网中施测或重合少量的几何水准点，用数值拟合法（多项式曲面、拟合或多面函数拟合）拟合出测区的似大地水准面，继而内插出其它GPS点的高程异常，再求出其正常高。

22. 第二节 GPS定位网的布设 3．GPS网中水准点的选择和分布 根据研究，在平原地区布测的GPS网中，只要用三等实测或重合全网五分之一GPS点的几何水准，用数值拟合法求定GPS点的正常高，即可代替四等水准测量。所实测的水准点，大部分应布设在网的周围点上，少量放在网的中间，以求获得最佳效果。

23. 第二节 GPS定位网的布设 四、卫星空间分布的几何图形强度设计 GPS定位精度同卫星与测站构成的图形强度有关，与能同步跟踪的卫星数和接收机使用的通道数有关。若接收机有观测到5颗卫星以上的能力，就应该把所有可能观测到的卫星都进行跟踪观测，若只有观测到4颗卫星的能力，应在所有可见星中选取PDOP值最小的那一组卫星进行观测，这是根据伪距定位时求解公式推算出的选星原则。

24. 级 别 A B C D E PDOP ≤4 ≤6 ≤8 ≤10 ≤10 第二节 GPS定位网的布设 四、卫星空间分布的几何图形强度设计 表6～4 图形强度因子（PDOP）规定值 《规范》规定，点的空间位置图形强度因子PDOP不应超过表6－4所列值。

25. 第二节 GPS定位网的布设 五、野外选点 1．对点位的基本要求 （1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地方，且视野开阔。视场内障碍物的高度角一般应大于10°～15°，以减弱对流层折射的影响。 （2）点位应远离大功率无线电发射源，以避免周围磁场对GPS卫星信号的干扰。

26. 第二节 GPS定位网的布设 五、野外选点 （3）点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避免大面积水域，以减弱多路径误差的影响。 （4）点位应选在交通方便的地方，有利于用其他测量手段联测或扩展。 （5）地面基础稳定，利于点位保存。

27. 第二节 GPS定位网的布设 六、标石埋设 中心标石是地面GPS点的永久性标志，为了长期使用GPS测量成果，点的标石必须稳定、坚固以利长期保存和利用。目前，GPS点的标石类型及其适用范围如课本表6～7所列。其中普通标石的规格，如图6－2所示。 图6-2

28. 第二节 GPS定位网的布设 六、标石埋设 各级GPS点的标石用混凝土灌制。一般普通标石分上标石和下标石两层，其上均设有金属的中心标志。 埋设标石时，须使各层标志中心在同一铅垂线上， 其偏差不得大于2mm。 新埋标石时，应依法办理征地手续和测量标志委托保管手续。

29. 1.单频接收机 Trimble 4600 ASHTECH-Locus 第三节 GPS接收机的选择 一、接收机的类型选择

30. 第三节 GPS接收机的选择 一、接收机的类型选择 1.单频接收机 • 只能接收经调制的L1信号 • 主要用于基线较短（例如＜10km ）的定位工作 • 优点：价格便宜

31. 2. 双频接收机 ASHTECH Z-X Trimble 5700 第三节 GPS接收机的选择 一、接收机的类型选择

32. 第三节 GPS接收机的选择 一、接收机的类型选择 2. 双频接收机 • 双频接收机可以同时接收L1和 L2信号 • 利用双频技术可以消除或减弱电离层折射 对观测量的影响 • 定位精度较高，基线长度不受限制 • 作业效率较高

33. 第三节 GPS接收机的选择 二、最佳GPS接收机具备的条件 （1）可靠性高，接收机本身产生的周跳、半周跳和1/4周跳极少； （2）耐用性强，平均无故障工作时间＞5000h； （3）精度高、单频机达到1cm+2×10-6D，双频机达到5mm+1×10-6D； （4）卫星跟踪性能良好不易失真； （5）多功能，既能用于静态、快速静态和动态测量，又能担任DGPS和GIS任务； （6）具有12通道，在海、陆、空应用时，都能跟踪全部可见卫星；

34. 第三节 GPS接收机的选择 二、最佳GPS接收机具备的条件 （7）较低的C/A码测距噪声(≤10cm)和载波相位噪声(＜1mm)； （8）具有削弱多路径误差的功能； （9）较高的原始数据率（最好是20次/s），以便在高动态条件下应用； （10）较大的存储器（10Mb），以便用于动态测量； （11）体积小(＜2000cm 3)，重量轻(＜2kg)，攻耗低(＜10W )； （12）工作温度在－30°~＋70°C之间，以便在炎热和酷寒地区均能

35. 第三节 GPS接收机的选择 三、GPS接收机简介 （一）Trimble 4800 型GPS全站仪 1.概况 2.硬件部分 3.使用

36. 第三节 GPS接收机的选择 三、GPS接收机简介 （二）苏州一光SGS220型双频GPS接收机 作为GPS全站仪的移动站，4800可安装在特制的 1.概况 2.产品概述: 3.技术特征: (a) 基准站 (b) 流动站

37. 第四节 GPS定位网测设方案 应用GPS定位技术建立测量控制网，几乎毫无例外地均采用相对定位方法。相对定位的两点间构成独立观测边，也称基线。显然，独立观测边配置和布设的结果就形成了GPS网的几何图形，它是由投入作业的接收机台数、观测路线和基线连接形式所决定的，我们将它们称为GPS测量控制网的测设方案。

38. 第四节 GPS定位网测设方案 一、两台接收机相对定位的测设方案 1.静态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项

39. 第四节 GPS定位网测设方案 一、两台接收机相对定位的测设方案 2.快速静态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项

40. 第四节 GPS定位网测设方案 一、两台接收机相对定位的测设方案 3.准动态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项

41. 第四节 GPS定位网测设方案 一、两台接收机相对定位的测设方案 4.往返式重复设站 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项

42. 第四节 GPS定位网测设方案 一、两台接收机相对定位的测设方案 5.动态定位 (1)作业方法 (2)精度 (3)适用范围 (4)注意事项

43. 第四节 GPS定位网测设方案 二、多台接收机的同步网测设方案 当投入作业的接收机数目多于二台时，就可以在同一时段内，几个测站上的接收机同步观测共视卫星。此时，由同步观测边所构成的几何图形，称为同步网，或称作同步环路。

44. 第四节 GPS定位网测设方案 二、多台接收机的同步网测设方案 不过在S条基线中，只有m－1条独立基线，其余基线均可由独立多台接收机的同步网测设方线推算而得，属于非独立基线。同一条基线，其直接解算结果与独立基线推算所得结果之差，就产生了所谓坐标闭合差条件，用它可评判同步网的观测质量。

45. 3台 5台 第四节 GPS定位网测设方案 二、多台接收机的同步网测设方案 4台 m—同步网的点数 s —网中同步基线总数 独立基线数：m-1

46. 第四节 GPS定位网测设方案 三、多台接收机的异步网测设方案 由多个同步网相互连接的GPS网，称作异步网。 同步网之间的连接方式有以下三种。 1．点连式；2．边连式；3．混连式。 在上述三种连接方案中： 第1种工作量最小，但无重复基线检核； 第2种工作量最大，检核条件亦最多； 第3种比较灵活，工作量与检核条件比较适中。

47. 10 1 2 9 3 8 4 7 5 6 第四节 GPS定位网测设方案 三、多台接收机的异步网测设方案 • 点连式异步网: 同步网之间仅有一点相连接的异步 网称为点连式异步网。

48. 第四节 GPS定位网测设方案 三、多台接收机的异步网测设方案 • 边连式异步网: 同步网之间由一条基线边相连接的 异步网称为边连式异步网。

49. 第四节 GPS定位网测设方案 三、多台接收机的异步网测设方案 • 混连式异步网: 点连式与边连式的一种混合连 接方式。

50. 第四节 GPS定位网测设方案 在选择测设方案时，应从所具备的 • 接收机数量和精度 • 工作量大小 • 卫星运行状态 • 测区条件 等方面进行权衡。