第七章GPS測量技術(shù)與外業(yè)觀測

第七章

GPS測量技術(shù)設(shè)計與外業(yè)觀測主要內(nèi)容7.1GPS測量的步驟及質(zhì)量要求7.2GPS技術(shù)設(shè)計的編寫7.3GPS接收機的檢定7.4GPS網(wǎng)的設(shè)計7.5GPS測量的作業(yè)組織7.1GPS測量步驟及質(zhì)量要求7.1.1GPS測量的工作步驟（以基線向量網(wǎng)為例）測前工作工程項目的提出測區(qū)位置及其范圍提交成果的內(nèi)容用途和精度等級點位分布及點的數(shù)量技術(shù)設(shè)計測繪資料的搜集與整理儀器的檢驗踏勘、選點埋石時限要求投資經(jīng)費

測量實施實地了解測區(qū)情況衛(wèi)星狀況預(yù)報確定作業(yè)方案外業(yè)觀測數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)儲基線處理與質(zhì)量評估重復(fù)“確定作業(yè)方案”、“外業(yè)觀測”、“數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)儲”及“基線處理與質(zhì)量評估”四步，直至完成所有GPS觀測工作

測后工作結(jié)果分析（網(wǎng)平差處理與質(zhì)量評估）技術(shù)總結(jié)成果驗收7.1.2GPS測量質(zhì)量的評定精度指標(biāo)

：網(wǎng)中相鄰點間的距離中誤差(mm)；a：固定誤差(mm)；b：比例誤差(ppm)；D：相鄰點間的距離(km)。

GPS網(wǎng)的等級各類GPS網(wǎng)的用途A級網(wǎng)一般為區(qū)域或國家框架網(wǎng)、區(qū)域動力學(xué)網(wǎng)B級網(wǎng)為國家大地控制網(wǎng)或地方框架網(wǎng)C級網(wǎng)為地方控制網(wǎng)和工程控制網(wǎng)D級網(wǎng)為工程控制網(wǎng)E級網(wǎng)為測圖網(wǎng)。美國聯(lián)邦大地測量分管委員會（FederalGeodeticControlSubcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相對定位的精度標(biāo)準(zhǔn)中有一個AA級的等級，其要求固定誤差≤3mm，比例誤差≤0.01ppm，此等級的網(wǎng)一般為全球性的坐標(biāo)框架和地球動力學(xué)測量。7.1.3GPS測量規(guī)范主要內(nèi)容：精度分級網(wǎng)的設(shè)計要求選點與埋石的要求儀器設(shè)備類型要求檢定內(nèi)容外業(yè)觀測及記錄要求數(shù)據(jù)處理成果驗收與上交資料

目的：指導(dǎo)規(guī)范GPS測量工作規(guī)范的種類：全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范，1992，國家測繪局全球定位系統(tǒng)城市測量規(guī)程，1997，建設(shè)部...7.2GPS技術(shù)設(shè)計的編寫7.2.1技術(shù)設(shè)計的作用作業(yè)、數(shù)據(jù)處理的技術(shù)依據(jù)技術(shù)設(shè)計的內(nèi)容項目來源測區(qū)概況工程概況技術(shù)依據(jù)現(xiàn)有測繪成果施測方案作業(yè)要求觀測質(zhì)量控制數(shù)據(jù)處理方案提交成果要求7.3GPS接收機的檢定7.3.1接收機的檢定利用基線場進(jìn)行儀器檢定零基線的檢定檢驗儀器的內(nèi)部噪聲基座的檢定7.3.2其它設(shè)備的檢定尺的檢定7.4GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計與網(wǎng)形設(shè)計1、GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計GPS控制網(wǎng)的建設(shè)，要依托現(xiàn)有城市控制網(wǎng)。如果起算點與擬建的GPS網(wǎng)不兼容，將會引起GPS控制網(wǎng)的扭曲和變形，損害GPS網(wǎng)精度。因此，如何選取合適的城市高等級控制點作為GPS擴展網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)會直接影響擴展網(wǎng)的精度，或?qū)е翯PS控制網(wǎng)的失控和相對超控。根據(jù)城市控制網(wǎng)布設(shè)原則，選取地面起算點必須充分分析已有地面控制網(wǎng)的資料，綜合考慮控制網(wǎng)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化選取。7.4.1GPS基線向量網(wǎng)的布網(wǎng)形式跟蹤站式會戰(zhàn)式多基準(zhǔn)站式同步圖形擴展式單基準(zhǔn)站式

跟蹤站式的布網(wǎng)形式：若干臺接收機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。優(yōu)點：精度極高，具有框架基準(zhǔn)特性。缺點：需建立專門的永久性建筑即跟蹤站，觀測成本很高。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)）。

會戰(zhàn)式的布網(wǎng)形式：在布設(shè)GPS網(wǎng)時，一次組織多臺GPS接收機，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，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，因而具有特高的尺度精度。適用范圍：用于布設(shè)A、B級網(wǎng)。

多基準(zhǔn)站式的布網(wǎng)形式：若干臺接收機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，另外一些接收機則在這些基準(zhǔn)站周圍相互之間進(jìn)行同步觀測。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。

同步圖形擴展式的布網(wǎng)形式：多臺接收機在不同測站上進(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：擴展速度快，圖形強度較高，且作業(yè)方法簡單。適用范圍：C，D。

單基準(zhǔn)站（星形網(wǎng)）式的布網(wǎng)形式：以一臺接收機作為基準(zhǔn)站，在某個測站上連續(xù)開機觀測，其余的接收機在此基準(zhǔn)站觀測期間，在其周圍流動，每到一點就進(jìn)行觀測，流動的接收機之間一般不要求同步，這樣，流動的接收機每觀測一個時段，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)站為中心的星形。優(yōu)點：效率高。缺點：圖形強度弱適用范圍：D，E。7.4.2同步圖形的連接方式點連式邊連式網(wǎng)連式混連式

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。邊連式形式：相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個公共點）相連。優(yōu)點：作業(yè)效率較高，圖形強度較強。

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：圖形強度最強。缺點：作業(yè)效率低。

混連式形式：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：圖形強度最強。缺點：作業(yè)效率低。7.4.3GPS基線向量網(wǎng)的設(shè)計指標(biāo)效率指標(biāo)可靠性指標(biāo)精度指標(biāo)費用指標(biāo)效率指標(biāo)Smin：最少觀測時段數(shù)R：最少重復(fù)觀測期數(shù)n：點數(shù)m：儀器數(shù)Sd：設(shè)計觀測時段數(shù)可靠性指標(biāo)lr：多余獨立觀測基線數(shù)；lt：總獨立觀測基線數(shù)。精度指標(biāo)相鄰點距離中誤差。采用協(xié)因數(shù)矩陣Q或與其有關(guān)的一些指標(biāo)來衡量。7.4.4GPS基線向量網(wǎng)的設(shè)計原則選點的原則為保證對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測和衛(wèi)星信號的質(zhì)量，要求測站上空應(yīng)盡可能的開闊，在10°~15°高度角以上不能有成片的障礙物。為減少各種電磁波對GPS衛(wèi)星信號的干擾，在測站周圍約200m的范圍內(nèi)不能有強電磁波干擾源，如大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線等。為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生，測站應(yīng)遠(yuǎn)離對電磁波信號反射強烈的地形、地物，如高層建筑、成片水域等。為便于觀測作業(yè)和今后的應(yīng)用，測站應(yīng)選在交通便利，上點方便的地方。測站應(yīng)選擇在易于保存的地方。

提高可靠性的原則增加觀測期數(shù)（增加獨立基線數(shù)）。保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)。保證每點與三條以上的獨立基線相連。最小異步環(huán)邊數(shù)不大于6。提高精度的原則網(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。建立框架網(wǎng)。最小異步環(huán)邊數(shù)不大于6。適當(dāng)引入高精度測距邊。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。選取適當(dāng)數(shù)量的已知點，已知點分布均勻。7.5GPS測量的作業(yè)組織7.5.1GPS測量隊伍的組織結(jié)構(gòu)內(nèi)業(yè)處理人員外業(yè)觀測小組1外業(yè)觀測小組2...外業(yè)觀測小組n隊長7.5.2隊長的職責(zé)根據(jù)作業(yè)進(jìn)度，參考技術(shù)人員的意見，下達(dá)作業(yè)指令作業(yè)現(xiàn)場指揮安排測量人員的在測區(qū)工作生活的相關(guān)事宜7.5.3內(nèi)業(yè)處理人員的職責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制為隊長決策提供參考意見7.5.4外業(yè)觀測小組的職責(zé)根據(jù)調(diào)度指令及現(xiàn)場命令進(jìn)行外業(yè)觀測7-6GPS測量的外業(yè)工作一、GPS相對定位作業(yè)模式1、靜態(tài)相對定位2、快速靜態(tài)相對定位3、準(zhǔn)動態(tài)相對定位4、動態(tài)相對定位二、GPS測量基本技術(shù)規(guī)定項目等級

觀測方法二等三等四等一級二級衛(wèi)星高度角(°)靜態(tài)快速靜態(tài)≥15≥15≥15≥15≥15有效觀測衛(wèi)星數(shù)靜態(tài)快速靜態(tài)≥4—≥4≥5≥4≥5≥4≥5≥4≥5平均重復(fù)設(shè)站數(shù)靜態(tài)快速靜態(tài)≥2—≥2≥2≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6≥1.6時段長度(min)靜態(tài)快速靜態(tài)≥90—≥60≥20≥45≥15≥45≥15≥45≥15數(shù)據(jù)采樣間隔(S)靜態(tài)快速靜態(tài)10～6010～6010～6010～6010～60三、GPS衛(wèi)星預(yù)報和觀測調(diào)度計劃7-7GPS基線向量計算一、GPS數(shù)據(jù)處理流程：數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集成果輸出GPS網(wǎng)平差起算點兼容性分析數(shù)據(jù)預(yù)處理二、數(shù)據(jù)下載：“download”

GPS接收機采集的數(shù)據(jù)是記錄在接收機的PC卡上。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，生成四個數(shù)據(jù)文件：載波相位和偽距觀測值文件、星歷參數(shù)文件、電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件、測站信息文件。具體為：（1）A*.day---衛(wèi)星可見性預(yù)報文件：衛(wèi)星狀態(tài)、DOP值（2）B*.day---接收機位置數(shù)據(jù)文件：衛(wèi)星個數(shù)、高度角、位置、信噪比等（3）E*.day---衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)文件：衛(wèi)星軌道參數(shù)等（4）S*.day---測站信息數(shù)據(jù)文件：測站號、天線高、天線半徑、氣象元素等三、空間基線解算采用Ashtech接收機隨機提供的商用軟件Winprism進(jìn)行及時處理。對解算結(jié)果不好的基線進(jìn)行單獨解算，通過增刪衛(wèi)星、重選基星、改變時段和高度角等方法改善基線解算結(jié)果，對于單獨解算不滿意的基線作重測或刪除處理?；€解算成果中有五種文件，具體為：1）I*.*---輸入信號文件2）L*.*---基線向量文件3）O*.*---基線向量數(shù)據(jù)文件4）P*.*---衛(wèi)星殘差分布文件5）Summary.out---基線解算向量文件四、基線解分析：1）觀測值殘差分析2）基線長度的精度3）基線向量環(huán)閉合差檢核4）雙差固定解和雙差實數(shù)解五、空間基線向量的質(zhì)量檢核為提高GPS測量的精度與可靠度，需要對基線解算質(zhì)量進(jìn)行檢核。同步環(huán)閉合差是檢驗一個時段觀測質(zhì)量好壞的標(biāo)志。同步環(huán)閉合差超限，可能是因為同步環(huán)上各測站沒有完全同步，或是各測站周跳修復(fù)不同，也可能是軟件本身的缺陷所至。異步環(huán)閉合差超限，可能因各種觀測條件較差（如多路徑誤差影響、強輻射、電離層、對流層的影響）。基線解算后，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，計算同步環(huán)閉合差、非同步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線的檢查，各環(huán)閉合差符合規(guī)范要求。（2）非同步環(huán)坐標(biāo)分量及全長相對閉合差（3）重復(fù)基線的長度較差：坐標(biāo)分量閉合差限差：坐標(biāo)分量閉合差限差：（1）同步環(huán)坐標(biāo)分量及全長相對閉合差全長相對閉合差限差：全長相對閉合差差：7-7高精度GPS測控網(wǎng)的施測技術(shù)一、工程概況南京地鐵1#線工程南起小行，北至邁皋橋，西延至奧體中心，線路總長度21.72公里，其中地下線14.43km，地上線7.02km，過渡段0.27km，線路貫穿主城區(qū)的中心腹地，把城市中心區(qū)商業(yè)、金融、文化、綜合服務(wù)等繁華區(qū)及對外交通口等客流集散點連接起來，形成主城區(qū)中軸線的快速軌道交通走廊。GPS控制網(wǎng)是地鐵工程施工的全線總控制網(wǎng)，其網(wǎng)點的穩(wěn)定、準(zhǔn)確直接關(guān)系到工程施工的質(zhì)量和隧道的貫通。因此，必須對全線控制網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，并進(jìn)行定期復(fù)測，以滿足工程建設(shè)的需要。南京市快速軌道線網(wǎng)規(guī)劃圖二、網(wǎng)形優(yōu)化分析1、GPS控制網(wǎng)測區(qū)：位于東經(jīng)118°42′~118°50′，北緯31°57″~32°07′，東起紫金山、土山，西至棉花堤、水佐崗，南起韓府山，北至勞山。2、測區(qū)中心線自南向北貫穿繁華市區(qū)，居民密集，高樓林立，大氣能見度差，各種電磁波干擾嚴(yán)重，對控制測量工作極為不利。3、GPS控制網(wǎng)的覆蓋范圍廣，精度要求特殊，網(wǎng)形設(shè)計時必須做到網(wǎng)點位布設(shè)合理、精度高且有很高的可靠性。4、GPS控制網(wǎng)既要考慮與原城市二等網(wǎng)的聯(lián)系，又要考慮地鐵網(wǎng)的獨立性，充分體現(xiàn)GPS控制網(wǎng)的高精度。4、GPS控制網(wǎng)選取在測區(qū)范圍內(nèi)可供選擇的高級聯(lián)測點城市二等三角點有6個：DT22DT27DT28DT29DT30DT31DT30紫金山DT04DT03DT02DT01小行郵校DT28韓府山DT29土山DT27棉花堤DT21DT05中華門DT06DT07

DT08DT25中山門DT09DT10DT22河海大學(xué)DT11玄武飯店DT17DT12DT16DT13DT23八字山DT18DT15塑料廠DT31勞山地鐵GPS控制網(wǎng)共有26個控制點，全網(wǎng)包括起算點2個，檢查點4個（根據(jù)平差結(jié)果分析可以任選起算點），選取待定點20個，以同步三角形連接、用邊連式擴展成空間GPS鎖網(wǎng)。在地鐵GPS網(wǎng)形確定后，對觀測綱要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在已知城市二等三角點DT28、DT31上各有5條獨立基線，DT30上有3條獨立基線，DT27、DT29上各有4條獨立基線，而DT22上有7條獨立基線，這樣充分保證與已知點的堅強連結(jié)，同時為加強地鐵南北線一期工程控制點的圖形強度，通過直接與已知點連接或構(gòu)成小三角形以提高精度和可靠性。全網(wǎng)布設(shè)最長邊長8.3km，最短邊長0.8km，平均邊長3.5km，并保證每地鐵車站附近有一對GPS控制點。5、觀測綱要設(shè)計三、GPS控制網(wǎng)精度分析對GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計后，為保證地鐵GPS控制網(wǎng)的精度和可靠性，便于地鐵的施工，確保隧道施工貫通和工程建設(shè)質(zhì)量，對優(yōu)化設(shè)計的地鐵GPS網(wǎng)進(jìn)行了必要的精度估算，做到網(wǎng)點位布設(shè)合理、精度高且有很好的可靠性，實踐表明網(wǎng)點精度比較均勻，估算精度點位誤差均小于±1.0cm，滿足《地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范》要求，能很好地為南京地鐵建設(shè)服務(wù)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，地鐵GPS控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)較強，并有多個由非同步獨立邊構(gòu)成的多邊形閉合環(huán)，具有良好的粗差檢測能力。四、GPS控制網(wǎng)外業(yè)測量1、外業(yè)測量采用GPS靜態(tài)相對定位模式，整網(wǎng)由三臺AshtechZ12型GPS接收機（5mm+1ppm）以同步三角形連接，擴展成空間GPS網(wǎng)。為了保證地鐵施工質(zhì)量，考慮到該GPS控制網(wǎng)的要求與用途，提高GPS觀測的精度與可靠性，GPS點間必須構(gòu)成一定數(shù)量獨立邊組成的非同步閉合環(huán)，使GPS網(wǎng)有足夠的多余觀測。為增加多余觀測邊數(shù)，保證平均每點設(shè)站2次以上，這樣可以構(gòu)成盡量多的多邊形非同步閉合環(huán)，提高網(wǎng)的可靠度。2、觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理1）空間基線向量解算對每天的觀測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行處理，對解算結(jié)果不好的基線進(jìn)行單獨解算，通過增刪衛(wèi)星、重選基星、改變時段和高度角等方法改善基線解算結(jié)果，對于單獨解算不滿意的基線作重測或刪除處理。外業(yè)基線解算采用廣播星歷、相位觀測值雙差分技術(shù)，解算數(shù)據(jù)采用率達(dá)99%以上?；€結(jié)果采用雙差固定解，表示精度的殘差（Rms）均小于1.0cm，滿足規(guī)范規(guī)定要求，表示固定解可靠程度因子（Ratio）達(dá)98%以上。2）基線解算質(zhì)量檢核為提高GPS測量的精度與可靠度，基線解算結(jié)束后，利用商用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，計算檢查同步環(huán)閉合差、非同步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線，各環(huán)閉合差必須符合GPS測量規(guī)范要求。通過檢核，舍去不合格的基線，保證非同步環(huán)的邊數(shù)不大于6。這樣，GPS控制網(wǎng)共構(gòu)成獨立觀測基線83條，組成同步閉合環(huán)27個，