第六单元_GPS卫星定位测量的设计与实施 (2)

GPS测量定位技术测量定位技术第六章第六章 GPSGPS卫星定位测量的设计与实施卫星定位测量的设计与实施 学习目标第一节 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本章小结思考题与习题GPS测量定位技术测量定位技术第六章第六章 GPSGPS卫星定位测量的设计与实施卫星定位测量的设计与实施学习目标学习目标了解最佳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。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。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。GPS定位网的测设方案，最佳观测时段的选择，数据处理。GPS测量定位技术测量定位技术第一节第一节 建立建立GPSGPS控制网的技术依据控制网的技术依据 一、一、GPSGPS测量的精度分级测量的精度分级 对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以相临点间弦长的标准差来表示，即(6-1)式中 GPS基线向量的弦长中误差，mm；GPS接收机标称精度中的固定误差，mm；b GPS接收机标称精度中的比例误差系数，ppm；d GPS卫星定位网中相临点间的距离，km。GPS测量定位技术测量定位技术 一、一、GPSGPS测量的精度分级测量的精度分级 GPS卫星定位网虽然不存在常规控制网的那种逐级控制问题，但是由于不同的GPS网的应用和目的不同，其精度标准也不相同。根据传统的习惯做法，人们应将GPS卫星定位网划分成几个等级。根据修订后的规范规定，GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六级，如表61（一）所列。其中AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究、地壳形变测量；B级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量；C级主要用于国家大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E级多用于中、小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等控制网测量。GPS测量定位技术测量定位技术 一、一、GPSGPS测量的精度分级测量的精度分级级别平均距离（km）固定误差a（mm）比例误差b（ppmD）AA100030.01A30050.1B7081C1015105D5101010E0.251020表6-1 规范规定的GPS测量精度分级（一）GPS测量定位技术测量定位技术 一、一、GPSGPS测量的精度分级测量的精度分级 为了进行城市和工程测量，规程规定其GPS网按相邻点的平均距离和精度划分为二、三、四等和一级、二级，如下表所列。并规定在布网时可以逐级布设、越级布设或布设同级全面网。等级平均距离（km）a（mm）b（ppmD）最弱边相对中误差二91021/12万三51051/8万四210101/4.5万一级110101/2万二级115201/1万表6-2 规程规定的GPS测量精度分级（二）注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。GPS测量定位技术测量定位技术 二、二、GPSGPS点的密度点的密度 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。例如，国家特级（AA级）基准点主要用于提供国家级基准，有助于定轨、精密星历计算和大范围大地变形监测，希望能以几百公里的平均距离而布满全国。而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，规范和规程对GPS网中两相临点间距离视其需要作出了规定：相邻点间最小距离应为平均距离的1/21/3；最大距离应为平均距离的23倍。规程还规定，特殊情况下，个别点的间距还允许超出表中规定。由此可以看出，对于城市和工程测量而言，规程比规范有较大的灵活性。GPS测量定位技术测量定位技术 三、测量作业基本技术规定三、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。为了了解外业观测和内业计算，先介绍有关的术语，然后再介绍有关技术指标的概念。1.1.术语 （1）观测时段observation session 测站上开始接收卫星信号到停止接收，连续观测的时间间隔称为观测时段，简称时段。（2）同步观测simultaneous observation 两台或两台以上接收机同时对同一组卫星所进行的观测。（3）同步观测环simultaneous observation loop 三台或三台以上接收机同步观测所获得的基线向量构成的闭合环。（4）独立观测环independent observation loop 由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环。GPS测量定位技术测量定位技术 三、测量作业基本技术规定三、测量作业基本技术规定 （5）数据剔除率percentage of data rejection 同一时段中，删除的观测值个数与获取的观测值总数的比值。（6）天线高antenna height 观测时接收机天线相位中心至测站中心标志面的高度。（7）国 际 地 球 参 考 框 架 ITRF Y Y，International Terrestrial Reference Frame 由国际地球自转服务局推荐的以国际参考子午面和国际参考极为定向基准，以ITRF Y Y天文常数为基础所定义的一种地球参考系和地心（地球）坐标系。（8）参考站Reference station 在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定站就称为参考站。（9）流动站roving station 在参考站的一定范围内流动作业的接收机所设立的测站。GPS测量定位技术测量定位技术 三、测量作业基本技术规定三、测量作业基本技术规定 2.2.规范和规程规定的技术指标 由于卫星的轨道运动和地球的自转，卫星相对于测站的几何图形在不断变化。一些卫星从地平线升起至一定高度，可以投入观测作业，另一些卫星观测高度角越来越小，无法继续观测。考虑到作业中尽可能选取图形强度较好的卫星进行观测，因而在一个观测时段要几次更换跟踪的卫星。我们将时段中任一卫星有效观测时间符合要求的卫星，称为有效观测卫星。测量等级越高，有效观测卫星总数需要越多，时段中任一卫星有效观测时间需要越长，观测时段应该越多，时段长度也应越长。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.规范和规程规定的技术指标 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级。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。各级GPS测量作业的基本技术规定列于表6-3和表6-4。GPS测量定位技术测量定位技术级 别 项 目AAABCDE卫星截止高度角（）101015151515同时观测有效卫星数444444观测有效卫星总数20209644观测时段数106421.61.6时段长度min静态720540240604540快速静态双频+P(Y)码1052双频全波151010单频或双频半波302015采样间隔S静态303030103010301030快速静态515515515静态151515151515快速静态双频+P(Y)码111双频全波333单频或双频半波555注：1 在时段中观测时间符合表63中第七项规定的卫星，为有效观测卫星；2 计算有效观测卫星总数时，应将各时段的有效观测卫星数扣除其间的重复卫星数；3 观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段；4 观测时段数1.6，指每站观测一时段，至少60%测站再观测一时段。时段中任一卫星有效观测时间min表6-3 规范规定的各级GPS测量基本技术要求规定GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.规范和规程规定的技术指标项 目 等 级观测方法二等三等四等一级二级卫星截止高度角（）静 态1515151515快速静态有效观测卫星数静 态44444快速静态5555平均重复设站数静 态221.61.61.6快速静态21.61.61.6时段长度（min）静 态9060454545快速静态20151515数据采样间隔（S）静 态10601060106010601060快速静态PDOP静态、快速静态66666表6-4 规程规定的GPS测量各等级的作业的基本技术要求 GPS测量定位技术测量定位技术第二节第二节 GPSGPS定位网的布设定位网的布设 一、技术设计中应考虑的因素一、技术设计中应考虑的因素 1.1.测站因素 同测站布设有关的技术因素有：网点的密度；网的图形结构；时段分配、重复设站和重合点的布置等。2.2.卫星因素 同观测对象卫星有关的一些因素有：卫星高度角与观测卫星的数目；图形强度因子；卫星信号质量。大部分接收机具有解码并记录来自卫星的广播星历表的能力。3.3.仪器因素 同仪器有关的一些因素有：接收机，用于相对定位至少应有两台；天线质量；记录设备。4.4.后勤因素 后勤保障方面的因素有：使用的接收机台数、来源和使用时间；各观测时段的机组调度；交通工具和通讯设备的配置等。GPS测量定位技术测量定位技术 二、二、GPSGPS网的布网原则网的布网原则 为了用户的利益，GPS网图形设计时应遵循以下原则：（1）GPS网应根据测区实际需要和交通状况，作业时的卫星状况，预期达到的精度，成果的可靠性以及工作效率，按照优化设计原则进行。（2）GPS网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。（3）GPS网的点与点之间不要求通视，但应考虑常规测量方法加密时的应用，每点应有一个以上通视方向。GPS测量定位技术测量定位技术 二、二、GPSGPS网的布网原则网的布网原则 （4）在可能条件下，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。（5）GPS网点，应利用已有水准点联测高程。C级网每隔36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。GPS测量定位技术测量定位技术 三、三、GPSGPS网的联测设计网的联测设计 1.1.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WGS84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。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。GPS测量定位技术测量定位技术 三、三、GPSGPS网的联测设计网的联测设计 2.2.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。显然，为了更好地解决GPS网与地面网两者成果的转换问题，应有更多的联测点。分析研究和作业实践表明，一个GPS网应联测35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。GPS测量定位技术测量定位技术 三、三、GPSGPS网的联测设计网的联测设计 3.3.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。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。GPS测量定位技术测量定位技术 四、卫星空间分布的几何图形强度设计四、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。规范对图形强度因子PDOP值没有要求；规程对点的空间位置图形强度因子PDOP值要求不应超过上表所列值。级 别二三四一级二级PDOP66666表6-5 图形强度因子（PDOP）规定值 GPS测量定位技术测量定位技术 五、野外选点五、野外选点 1.1.GPS选点应符合下列要求：（1）点位应选设在易于安置接收设备和便于操作的地方，视野应开阔。被测卫星的地平高度角一般应大于1015，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（如电视台、微波站等，其距离不得小于200m；并应远离高压输电线，其距离不得小于50m），以避免周围磁场对GPS卫星信号的干扰。（3）点位附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，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。（6）应充分利用符合要求的旧有控制点。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.选点作业 选点人员在实地选定的点位上，打一木桩或以其它方式加以标定，同时树立测旗，以便埋石及观测人员能迅速找到点位，开展后续工作。选点人员还应按技术设计的要求，最后确认该点是否进行水准联测，并应实地踏勘水准路线，提出有关建议。GPS点名可取村名、山名、地名、单位名、应向当地政府部门或群众进行调查后确定。当利用符合要求的旧有控制点时，点名不宜更改。不论是新选定的点或利用原有点位，均应按规范或规程中规定的格式在实地绘制GPS点点之记，如表6-7所示。点位周围有高于10的障碍物时；应用平板仪和罗盘仪绘制点的环视图。测区选点完成后，还应绘制GPS网选点图。测区选点完成后，还应绘制GPS网选点图。最后，要对选点工作写出总结，包括详细的交通情况，车的种类、车次以及通讯、供电、充电情况等。GPS测量定位技术测量定位技术点名及种类GPS点名土 质号旧点名所 在 地交通路线所在图幅号概略位置X YL B(略图)备 注标石说明（单、双层、类型）旧点 相临点（名、号、里程、通视否）日期：20 年 月 日 记录者：绘图者：校对者：表6-6 GPS点点之记 图6-1 GPS网选点图 GPS测量定位技术测量定位技术 六、标石埋设六、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下表所列。标 石 类 型适用级别a.基岩天线墩b.岩层天线墩c.基岩标石d.岩层普通标石e.土层天线墩f.普通基本标石g.冻土基本标石h.固定沙丘基本标石i.普通标石j.建筑物上的标石AA、AAA、ABBEAA、ABEBBBEBE表67 标石类型及其适用级别 GPS测量定位技术测量定位技术 六、标石埋设六、标石埋设 其中普通标石的规格，如右图所示。各等级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。图6-2 标石结构 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书。GPS测量定位技术测量定位技术第三节第三节 GPSGPS接收机的选择接收机的选择一、接收机的类型选择一、接收机的类型选择 1.1.单、双频接收机的选择 1）单频接收机 单频接收机只能接收经调制的L1 信号。它虽然可以利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响的改正，但由于改正模型的不完善，误差较大，所以单频接收机主要用于基线较短（例如10km）的精密定位工作。但是，单频接收机的优点是工艺成熟，所用的电子元件较少，对微处理器的要求较低，不需要昂贵的互相关器，不受P 码保密的限制，产量大，价格比双频接收机便宜的多。GPS测量定位技术测量定位技术1）单频接收机 目前单频接收机已经历经三代。其中第三代的窄距相关接收机，使C/A码达到了P码精度，加之第三代的先进软件，即使基线在30300km范围内，精度也能达到7cm+210-6D。所以在我国工矿地区，测区范围有限，从单位的实情出发，为完成一般控制测量和工程测量任务，采用第三代单频接收机的硬、软件是可取的。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，所以定位精度较高，基线长度不受限制。其次，解算整周未知数的时间较短，约为单频机的一半，所以作业效率较高。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.信号通道类型的选择 接收机的通道类型有三种：多通道接收机；序贯通道接收机、多路复用通道接收机。1)多通道接收机 多通道接收机具有多个卫星信号通道，一个通道仅连续跟踪一个卫星信号，所以也称为连续跟踪型接收机。它可以将来自不同卫星的信号，分离开来进行处理，实现对各卫星信号的跟踪、处理和测量。由于实现了对不同卫星信号的隔离，所以其观测比较可靠，并且具有良好的信噪比，能够接收较弱的信号，但可能产生通道间的干扰。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.信号通道类型的选择 2）序贯通道接收机 序贯通道接收机通常只有12个通道。为了跟踪多个卫星信号，在其软件控制下，按时序依次轮换（切换）跟踪不同的卫星，一次跟踪和量测时间大于20ms，所以它对卫星的跟踪是不连续的。这样，序贯通道在对一个卫星信号测量时，必将丢失其他一些卫星信号的信息，无法获得一个卫星完整的导航电文，这就需要另备额外通道来获取卫星电文。这种接收机的优点是结构简单，利于减小接收机的体积和重量；其缺点是难于保持载波信号的跟踪，其通道控制软件比较复杂。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.信号通道类型的选择 3）多路复用通道接收机 多路复用通道接收机与序贯通道接收机相似，一般也只有12个通道。但是，它在相应软件控制下，对其跟踪的卫星信号量测一个循环时间较短（20ms），实现了在不同的卫星信号之间以及两个频率L1 和L2信号之间的高速转换，而且转换的速率同导航电文的比特率（20ms）同步，所以这种通道不仅能获得所跟踪卫星的完整导航电文，还可以连续地跟踪载波信号，对载波相位进行连续测量。多路复用通道接收机的主要缺点是信噪比较低，通道的控制软件比较复杂。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.码相关型和码相位型的选择 根据接收机信号通道的工作原理，接收机可以分为：码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机。1）码相关型接收机 码相关型接收机的特点是采用了码相关技术。所以它能够产生与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码，在相关器中对接收到的卫星测距码和接收机产生的复制码进行相关分析，当两码达到最大相关时，便可测定出两信号间的时间延迟。码相关型接收机可利用C/A码，也可利用P码，其要求是必须掌握测距码的结构，所以又称其为有码接收机。码相关型接收机的优点是，既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文。它的主要缺点是要求用户必须掌握测距码的结构，由于美国政府对P码的保密政策，所以一般用户无法采用码相关技术获得L2载波的相位观测值。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.码相关型和码相位型的选择 2）平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术，将接收的卫星信号进行自乘，去掉载波上的调制码，得到一个载波的二次谐波，以便进行载波相位测量。这种接收机只利用卫星信号无需解码，所以不必掌握测距码的结构，故也称为无码接收机。平方型接收机的主要优点是无需掌握测距码（C/A码、P码）的结构便能获得L1、L2载波信号，这就可以通过双频技术，减弱电离层折射的影响，提高定位的精度。它的缺点是卫星信号经平方后，完全消掉了其中的测距码和数据码，无法获得卫星的导航电文和时间信息，必须通过其他方法获取卫星星历和时间信息。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.码相关型和码相位型的选择 3）混合型接收机 所谓混合型接收机，是综合利用相关技术和平方技术的优点，可以同时获得码相位和载波相位观测量，可以提供多种导航和定位信息，如导航电文和时间信息等。目前在测量工作中广泛使用的多属这种类型的接收机。二、最佳二、最佳GPSGPS接收机具备的条件接收机具备的条件 （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；GPS测量定位技术测量定位技术 二、最佳二、最佳GPSGPS接收机具备的条件接收机具备的条件（3）精度高、单频机达到5mm+210-6D，双频机达到5mm+110-6D；（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1224通道，在海、陆、空应用时，都能跟踪全部可见卫星；（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（10100Mb），以便用于动态测量；（11）体积小（2000cm 3），重量轻（2kg），功耗低（13W）；（12）工作温度在4065C之间，以便在炎热和酷寒地区均能工作。GPS测量定位技术测量定位技术 三、三、GPSGPS接收机简介接收机简介（一）（一）Trimble 4800 Trimble 4800 型型GPSGPS全站仪全站仪 1.1.概况 美国天宝（Trimble）导航有限公司，是1978年成立的专门从事生产和销售GPS接收机的股份公司。该公司迄今已生产有测地型、导航型和授时型三大类20多种型号的GPS接收机。测地型接收机均称为4000系列，其型号经历了A/AX、S/SX、SL/SD、ST/SST、SE/SSE、4600、4700、4800、的发展过程。2000年以来，5000系列的5700、5800接收机也已相继问世，更新的R8、R7也已推向市场。我国前些年多引进的主要 是 ST/SST型，其 中 单 频 机（4600）标 称 精 度 为 5mm+1ppmD，双频机（4800）标称精度为5mm+1ppmD。该公司1998年下半年推出的4800型为该接收机系列的第九代新产品。GPS测量定位技术测量定位技术（一）（一）Trimble 4800 Trimble 4800 型型GPSGPS全站仪全站仪 2.2.硬件部分 Trimble4800是把GPS接收机、GPS天线、RTK电台及电台天线缩小在单一的轻型机壳中的新型双频GPS接收机。3.3.使用 作为GPS全站仪的移动站，4800可安装在特制的“Power LiTE”GPS测距杆上，它能把可卸式锂电池装在测距杆的底部，并为系统提供电源。这套包括天宝手簿TSC1在内的RTK定位系统，重量只有3.9kg。在主机和测杆之间不需要电缆连接，在身后也不需要背带和背包。4800使用非常简单。单键操作、三种状态显示使得初学者也非常容易使用。4800不仅可以配置成GPS全站仪，也可以配置成后处理应用的测量系统。该设备很容易安装在测距杆上进行工程放样和地形测量，也可以安装在三脚架上进行控制测量。手簿上的可卸式PCMCIA卡能有效地扩展内存。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.使用 对RTK测量用户，他们可以发挥内置UHF（450MHZ）电台和电台天线的优势。使用UHF波段，把功能强大的基准站扩展其相应的工作距离，连接的UHF/VHF或者扩频电台也可以和4800同时使用。4800的特点在于它采用了天宝公司最新的双频技术，其中包括已申请专利的微型对中天线，它可以进一步提高定位精度。此外，还包括快速而可靠的RTK初始化技术、很短的定位时间延迟、每秒5次的快速位置数据更新以及可靠的卫星“超跟踪技术”，它适用于GPS应用的许多困难地区。4800如果配置成全站仪使用，测量员还能进一步提高它的生 产 效 率，并 且 从 Trimble手 簿 TSC1和 Trimble后 处 理 软 件GPSurvey和Trimble Survey office软件包中获益匪浅。GPS测量定位技术测量定位技术（二）苏州一光（二）苏州一光SGS220SGS220型双频型双频GPSGPS接收机接收机 1.1.概况 苏州一光仪器有限公司（原名苏州第一光学仪器厂）是国内最早专门从事测量仪器生产的厂家之一，也是国内光学行业中首家通过国际（挪威船级社）ISO-9001质量管理体系认证的厂家。苏州一光GPS产品包括：静态测量系统、动态RTD测量系统、双频RTK定时测量系统、利普软件、GPS后处理软件以及水上测量软件等。2.2.产品概述 SGS220型双频RTK测量系统采用进口GPS主板和核心部件，配以武汉大学GPS工程中心开发的适合中国国情的GPS后处理软件，成为目前市场上性价比最高的双频RTK接收机。可用于地形地籍测量、控制测量、管线测量、勘界测量、工程放样与建筑应用等。GPS测量定位技术测量定位技术（二）苏州一光（二）苏州一光SGS220SGS220型双频型双频GPSGPS接收机接收机(a)基准站(b)流动站 图6-3 基准站和流动站 GPS测量定位技术测量定位技术（二）苏州一光（二）苏州一光SGS220SGS220型双频型双频GPSGPS接收机接收机 3.3.技术特征 a.并行40通道，C/A码、P码，L1、L2载波相位 b.具有动态初始化OTF功能，时间小于1分钟 c.定位精度 静态：5mm+1ppm RTD：1m RTK：2cm+2ppm d.工作温度：2050图6-4 RTK基准站连接图 GPS测量定位技术测量定位技术（三）（三）Rogue-800Rogue-800型型GPSGPS接收机接收机 美国加州理工学院喷气推进实验室在航空航天局的支持下，经过多年努力于1992年推出了改进型Turbo Rogue-8000型GPS接收机。试验结果表明，其陆地定位精度为3mm+0.1ppmD，海上定位精度为厘米级，飞机动态定位精度为10cm。该接收机能同时跟踪8颗卫星。可由L1C/A码、L1P码和L2P码信号进行伪距测量和载波相位测量。接收机的硬件和软件采用了独特的信号处理技术，对采集的双频C/A码和P码数据进行人工差分组合，使之从现有的 L1(19cm)和 L2(24cm)产生更大的波长（86cm）和带观测噪声的P码（60cm）。GPS测量定位技术测量定位技术（三）（三）Rogue-800Rogue-800型型GPSGPS接收机接收机 此时借助下式求出宽波的整周未知数：式中 L1和L2的载波相位；L1和L2 的传播时间；载波频率。由于准确、快速地解算整周未知数，使GPS测量的速度和精度大为提高。接收机天线采用双频交叉偶极型，天线上装有独特的扼流圈天线，可极大地消除多路径效应。GPS测量定位技术测量定位技术第四节第四节 GPSGPS定位网的测设方案定位网的测设方案一、两台接收机相对定位的测设方案一、两台接收机相对定位的测设方案 1.1.静态定位 （1）作业方法 采用两套接收设备，分别安置在一条基线的两个端点，同步观测4颗卫星1h左右，或同步观测5颗卫星20min左右。（2）精度 基线的相对定位精度可达5mm+1ppmD，D为基线长度（km）。（3）适用范围 建立全球性或国家级大地控制网、建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位。（4）注意事项 所有观测过的基线应组成一系列封闭图形（如上图），以利于外业检核，提高成果可靠度。并且可以通过平差，有助于进一步提高定位精度。图6-5 静态定位 GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.快速静态定位 （1）作业方法 在测区中部选择一个基准站，并安置一套接收设备连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，每点观测12min。（2）精度 流动站相对于基准站的长度中误差为5mm+1ppmD。（3）应用范围 控制网的建立及其加密、工程测量、地籍 测量、大批相距百米左右的点位定位。（4）注意事项 在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km；流动站上的接收机在转移时，不必保持对所测卫星连续跟踪，可关闭电源以降低能耗。图6-6 快速静态定位 GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.准动态定位 （1）作业方法 在测区选择一个基准站，安置接收机连续跟踪所有可见卫星；将另一台接收机先置于1号站观测12min；在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，将流动接收机分别在2、3、4各点观测数秒钟。图6-7 准动态定位 （2）精度 基线的中误差约为12cm。（3）应用范围 开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及路线测量等。（4）注意事项 应确保在观测时段上有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点距离不超过20km；观测过程中流动接收机不能失锁，否则应在失锁的流动点上延长观测时间12min。GPS测量定位技术测量定位技术 4.4.往返式重复设站 （1）作业方法 建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星；流动接收机依次到每点观测12min；1h后逆序返测各流动点12min。（2）精度 相对于基准点的基线中误差为5mm+1ppmD。（3）应用范围 控制测量及控制网加密、取代导线测量及三角测量、工程测量及地籍测量等。（4）注意事项 流动点与基准点相距不超过20km；基准点上空开阔，能正常跟踪3颗及以上的卫星。图6-8 往返式重复设站 GPS测量定位技术测量定位技术 5.5.动态定位 （1）作业方法 建立一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星；流动接收机先在出发点上静态观测12min；然后流动接收机从出发点开始连续运动；按指定的时间间隔自动测定运动载体的实时位置。（2）精度 相对于基准点的瞬时点位精度可达12cm。（3）应用范围 精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等。（4）注意事项 需同步观测5颗卫星，其中至少4颗卫星要连续跟踪；流动点与基准点相距不超过20km。图6-9 动态定位 GPS测量定位技术测量定位技术 二、多台接收机的同步网测设方案二、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。右图表示用三台（图a）、四台（图b、c）、五台（图d、c）接收机作同步观测所构成的同步网的几何图形。图6-10 同步网的几何图形 GPS测量定位技术测量定位技术 二、多台接收机的同步网测设方案二、多台接收机的同步网测设方案 由图6-10，若三角形同步网的点数为m，则网中同步边（基线）总数为 （6-2）不过在S条基线中，只有m1条独立基线，其余基线均可由独立基线推算而得，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。GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案 在城市或大、中型工程中布设GPS控制网时，控制点数目比较多，由于受接收机数量的限制，难以再选择同步网的测设方案。此时必须将多个同步网相互连接，构成统一整体的GPS控制网。这种由多个同步网相互连接的GPS网，称作异步网。异步网的测设方案决定于投入作业的接收机数量和同步网之间的连接方式。不同的接收机数量决定了同步网的网形结构，而同步网的不同连接方式又会出现不同的异步网的网形结构。由于GPS网的平差及精度评定，主要是由不同时段观测的基线组成异步闭合环的多少及闭合差大小所决定的，而与基线边长度和其间所夹角度无关，所以异步网的网形结构与多余观测密切相关。GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案 同步网之间的连接方式有以下三种。1.1.点连式 同步网之间仅有一点相连接的异步网称为点连式异步网，如右图所示。图6-11 点连式异步网GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案 在图6-11a中共有10个点，用三台接收机分别在五个三边同步网中依次作同步观测。同步网间用1、3、5、7、9各点相连接，连接点上设站二次，其余点只设站一次。该图形中有5个同步环和1个异步环，基线总数为15，其中独立基线数为9，非独立基线数为6，没有重复基线。在图6-1b中共有15个点，用四台接收机分别在五个多边同步网中依次作同步观测，构成点连式异步网。该图形中有5个同步环和1个异步环，基线总数为30，其中独立基线数为14，非独立基线数为16。由图611可以看出，在点连式异步网中均没有重复基线出现。GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案2.边连式 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，如右图所示。图6-12 边连式异步网 GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案 图6-12a表示用三台接收机分别在13个三角形同步网中先后作同步观测。同步网间有一条公共基线连结，公共基线在相连的同步环中分别测量两次。该网中有13个同步环和1个异步环，基线总数为26，其中独立基线数为13，重复基线数为13。这样，就出现了13个同步环检核、1个异步环检核、13个重复基线的检核。图6-12b为四台接收机先后在八个观测时段进行同步观测所构成的边连式异步网。网中有8个同步环和1个异步环、8个重复基线的检核。其中在同步环检核中，又可产生大量同步闭合环。GPS测量定位技术测量定位技术 三、多台接收机的异步网测设方案三、多台接收机的异步网测设方案 3.3.混连式 混连式是点连式与边连式的一种混合连接方式，如右图所示。其中图a为三台接收机作同步观测，由9个三边同步网所构成的混连式异步网；图b为四台接收机进行同步观测，由5个多边同步网构成的混连式异步网。图6-13 混连式异步网 GPS测量定位技术测量定位技术第四节第四节 GPSGPS定位网的测设方案定位网的测设方案 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。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。通常GPS相对定位精度较高，比较容易达到工程的期望精度，这时也就没有必要以高额投入换取更高的精度。GPS测量定位技术测量定位技术第五节第五节 外业观测外业观测 一、接收设备及其检验一、接收设备及其检验 GPS接收机是完成测量定位的关键设备，可根据需要按表6-8（规范）和表6-9（规程）选用。级别AAABCD、E单频/双频双频/全波长双频/全波长双频双频或单频双频或单频观测量至少有L1、L2载波相位L1、L2载波相位L1、L2载波相位L1载波相位L1载波相位同步观测接收机数54432表6-8 接收机选用（规范）GPS测量定位技术测量定位技术 一、接收设备及其检验一、接收设备及其检验等级项目二三四一级二级接收机类型双频或单频双频或单频双频或单频 双频或单频 双频或单频标称精度（10mm+2106d（10mm+5106d（10mm+5106d（10mm+5106d（10mm+5106d观测量载波相位载波相位载波相位载波相位载波相位同步观测接收机数33222表6-9 接收机选用（规程）GPS测量定位技术测量定位技术 一、接收设备及其检验一、接收设备及其检验 新购置的GPS接收机或经过维修后的接收机应按规定进行全面检验，合格后方能参加作业。检验项目包括：（1）一般检视 接收机及天线型号应正确，外观是否良好；各种部件及其附件是否齐全、完好；紧固部件不得松动和脱落；设备的使用手册应齐全。（2）通电检验 正确联接电缆，然后通电检验有关信号灯、按键、显示系统以及仪表、测试系统是否正常。最后按操作步骤进行卫星的捕获与跟踪，检验其工作情况。（3）实测检验 应在不同长度的标准基线上或专设的GPS测量检验场上进行。对广大用户而言，可采用较为简单的超短基线（准确测得它的实际长度），作为检测的标准值。GPS测量定位技术测量定位技术 一、接收设备及其检验一、接收设备及其检验 检测时将受检接收机按照全组合方式对超短基线做双差定位测量。在这种几米长的超短基线上作双差定位测量时，既可不顾及对流层和电离层时延改正的残差影响，又可消除星历和星钟误差以及接收机钟差。各站际双差成果和基线标准值之差，能较客观地反映各接收机对的仪器误差极其稳定性。除上述三项检验以外，天线底座的圆水准器和光学对点器，也都要在出测前进行检验和校正。作业中所用的测量作业仪表，如通风干湿表、空盒气压表、温度计，也应定期送气象部门检验，以保证正常工作。GPS接收机是贵重的精密电子仪器，对于它的运输、使用、存放，用户均需制定严格的维护办法。GPS测量定位技术测量定位技术 二、制定实测方案二、制定实测方案 右图表示了利用四台接收机进行同步环路测量的实施方案。图中用网环路与子环路分别构成闭合的GPS网。GPS点的编号就是环路测量的推进顺序。根据所设计的网环路制定实测方案时还会出现其它不同形式，应视测区内的交通状况和站址位置作出周密的安排。图6-14 网环路与子环路 GPS测量定位技术测量定位技术 三、选择最佳观测时段三、选择最佳观测时段 GPS卫星的观测，是待GPS卫星升离地平线一定的角度才开始的，这个角度就是卫星高度截止角。高度角愈小，愈有利于减小三维位置图形强度因子（PDOP），从而延长最佳观测时间；但是卫星高度角愈小，对流层影响愈显著，测量误差随之增大。在精密定位测量时，卫星高度截止角宜选定在15左右。当卫星高度角15时，某测站上在视GPS卫星的PDOP随时间变化曲线的例子如左图所示。图6-15 PDOP变化曲线图GPS测量定位技术测量定位技术 三、选择最佳观测时段三、选择最佳观测时段 图6-5它是用测站概略经纬度和现有GPS卫星星历所做出的PDOP预报，用以选择最佳观测时段。由图可知，整个作业时段上除10：17至10：33间16min只有4颗卫星外，均有5颗以上卫星可供观测；除8：42至8：53约11min内PDOP8外，其余时间的几何图形处于良好状态或一般状态。通常用一个子环路的平均经纬度和最接近观测时日的GPS卫星星历绘制PDOP变化曲线，以此选择测量该子环路的公共观测时段，而不是依每一个测站选择最佳观测时段。GPS测量定位技术测量定位技术 四、编排作业调度表四、编排作业调度表 作业小组应在观测前根据测区地形、交通状况、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网的设计、星历预报表和测区的天气、地理环境等编制作业调度表，以提高工作效益。时段编号观测时间测战号/名测战号/名测战号/名测战号/名测战号/名机号机号机号机号机号01234表6-10 GPS作业调度表GPS测量定位技术测量定位技术 五、天线安置五、天线安置 天线要尽量利用脚架安置，直接在点上对中。当控制点上建有寻常标时，应在安置天线之前先放倒觇标或采取其它措施。只有在特殊情况下，方可进行偏心观测，此时归心元素应以解析法精确测定。天线的定向标志线应指向正北。其中A与B级在顾及当地磁偏角修正后，定向误差不应大于5。天线底盘上的圆水准气泡必须居中。天线安置后，应在每时段观测前、后各量取天线高一次。对备有专门测高标尺的接收设备，将标尺插入天线的专用孔中，下端垂准中心标志，直接读出天线高。对其它接收设备，可采用倾斜测量方法。从脚架互成120的三个空挡测量天线底盘下表面至中心标志面的距离，互差小于3mm时，取平均值L，若天线底盘半径为R，再利用厂方提供的平均相位中心至底盘下表面的高度hc，按求出天线高。（6-3）GPS测量定位技术测量定位技术 六、观测作业六、观测作业 观测作业的主要任务是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。在离开天线不远的地面上，安放接收机。接通接收机至电源、天线、控制器的联接电缆，并经过预热和静置，即可启动接收机进行观测。接收机开始记录数据后，观测员可使用专用功能键和选择菜单，查看测站信息、接收卫星数量、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化、存储介质记录情况等。观测员要细心操作，静置和观测期间防止接收设备震动，防止人员和其它物体碰动天线和阻挡信号。GPS测量定位技术测量定位技术 七、外业成果记录七、外业成果记录 在外业观测过程中，所有信息资料和观测数据都要妥善记录。记录的形式主要有以下两种：1.1.观测记录 观测记录由接收设备自动完成，均记录在存储介质（如磁带、磁卡等）上，记录项目主要有：载波相位观测值及其相应的GPS时间；GPS卫星星历参数；测站和接收机初始信息（测站名、测站号、时段号、近似坐标及高程、天线及接收机编号、天线高）。存储介质的外面应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段号、采集日期、测量手簿编号等。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.观测记录 接收机内存数据文件转录到外存介质上时，不得进行任何剔除和删改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。2.2.测量手簿 测量手簿是在接收机启动前与作业过程中，由测量员随时填写的。对于D、E级测量记录格式如表6-8所示。其中图幅编号，可填写1：50000地形图图幅编号；近似经纬度填至1，近似高程填至100m。整个观测过程出现的重要问题及其处理情况，亦应如实地填写在记事栏内。观测记录和测量手簿都是GPS精密定位的依据，必须按照规定妥善保管。GPS测量定位技术测量定位技术观测者姓名 日 期 年 月 日测 站 名 测 站 号 时段号 天 气状 况 测站近似坐标：经度：E 纬度：N 高程：本测站为 新点 等大地点 等水准点 记录时间：北京时间 UTC 区时开录时间 结束时间 接收机号 天线号 天线高：（m）测后校核值 1.2.3.平均值 天线高量取方式略图测站略图及障碍物情况观测状况记录1.电池电压 (快、条)2.接收卫星号 3.信噪比（SNR）4.故障情况 5.备注表6-11 GPS外业观测手簿 工程GPS外业观测手簿 GPS测量定位技术测量定位技术第六节第六节 观测成果的外业检核及处理观测成果的外业检核及处理一、野外数据检核一、野外数据检核 对野外观测资料首先要进行复查，内容包括：成果是否符合调度命令和规范的要求；进行的观测数据质量分析是否符合实际。然后进行下列项目的检核：1.1.每个时段同步边观测数据的检核 两端点的接收机，通过多历元同步观测，经平差计算的基线边称为同步边。同步边检核的内容有：GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.每个时段同步边观测数据的检核（1）数据剔除率 剔除的观测值个数与应获取的观测值个数的比值称为数据剔除率。同一时段观测值的数据剔除率，其值应小于10。（2）平差值中的误差 计算同步边各时段平差值中误差和相对中误差。其中中误差应小于0.1m，相对中误差应符合表61的要求。2.2.重复观测边的检核 同一条基线边若观测了多个时段，则可得到多个边长结果。这种具有多个独立观测结果的边就是重复观测边。对于重复观测边的任意两个时段的成果互差，均应小于接收机标称精度的倍。GPS测量定位技术测量定位技术 3.3.环闭合差的检核 当独立观测的各同步边构成闭合环形（如三角形、多边形）时，各边的坐标差之和应为零。但是由于多种误差的存在，环中各独立观测边的坐标差分量闭合差不为零，设其为 式中n为闭合环中同步边数。此时环闭合差的定义是 环闭合差的大小是评价观测成果质量的重要标志之一。“规范”规定，若干个独立边组成闭合环时，各坐标差分量闭合差不应大于 ，其中 为相应级别按平均边长算出的规定中误差。(6-4)(6-5)GPS测量定位技术测量定位技术 4.4.同步观测环检核 当环中各边为多台接收机同步观测时，由于各边是不独立的，所以其闭合差应恒为零。例如三边同步环中只有两条同步边可以视为独立的成果，第三边成果应为其余两边的代数和。但是由于模型误差和处理软件的内在缺陷，使得这种同步环的闭合差实际上仍可能不为零。这种闭合差一般数值很小，不至于对定位结果产生明显影响，所以也可把它作为成果质量的一种检核标准。“规范”规定，三边同步环中第三边处理结果与前两边的代数和之差值应小于下列数值：式中 为相应级别的规定中误差（按平均边长计算）。(6-6)GPS测量定位技术测量定位技术 4.4.同步观测环检核 对于四站以上的多边同步环，可以产生大量同步闭合环,在处理完各边观测值后,应检查一切可能的闭合差。以图616为例，A、B、C、D四站应检核：ABBCCA；ACCDDA；ABBDDA；BCCDDB；ABBCCDDA；ABBDDCCA；ADDBBCCA。所有闭合环的分量闭合差不应大于 ，而环闭合差 图6-16 同步环闭合差式中n为闭合环中的边数；为相应级别的规定中误差。当发现边闭合数据或环闭合数据超出上列规定时，应分析原因并对其中部分或全部成果重测。需要重测的边，应尽量安排在一起进行同步观测。(6-7)GPS测量定位技术测量定位技术 二、数据后处理二、数据后处理 1.1.观测数据的预处理 预处理的主要目的是对原始数据进行编辑、加工与整理，分流并产生各种专用信息文件，为进一步的平差计算做准备。它的基本内容是：（1）数据传输 将GPS接收机记录的观测数据传输到磁盘或其它介质上。（2）数据分流 从原始记录中，通过解码将各种数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.观测数据的预处理（3）统一数据文件格式 将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，统一为标准化的文件格式，以便统一处理。（4）卫星轨道的标准化 采用多项式拟合法，平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，使观测时段的卫星轨道标准化。（5）探测周跳、修复载波相位观测值。（6）对观测值进行必要改正 在GPS观测值中加入对流层改正，单频接收机的观测值中加入电离层改正。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.平差计算 根据上述预处理所获得的标准化数据文件，进行观测数据的平差计算。其主要内容包括：（1）基线向量或多站网平差计算 对于两台接收机，要对多个历元同步观测值进行独立基线向量（坐标差）的平差计算。对于多台接收机所作的同步观测区，要同时确定多条基线向量。由此所得到的平差结果为观测站之间的基线向量及其方差与协方差。（2）GPS网平差的计算 利用上述基线边的平差结果，作为相关观测量进行网的整体平差。平差计算应在WGS84坐标系统中进行，平差结果一般是网点的空间直角坐标、大地坐标和高斯平面坐标以及相应的方差和协方差。GPS测量定位技术测量定位技术 2.2.平差计算（3）坐标系统的转换或与地面网的联合平差 上述GPS网在WGS-84坐标系统中的平差结果，还需要化算到地方所采用的坐标系统中去。如果为了改善已有的地方控制网，还需要确定GPS网与原控制网之间的转换参数，进行两网的联合平差。平差计