GPS在隧道测量中的应用

沈阳建筑大学

毕业论文

毕业论文题目GPS在隧道平面控制测量中的应用

学院专业班级土木工程学院测绘07-02班

学生姓名李晓卫性别男

指导教师刘茂华职称讲师

2011 年06 月16 日

摘要

随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，面向21世纪的我国测量技术的发展趋势和方向是：测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪器等将广泛应用于测量中，并发挥其主导作用。GPS应用在隧道贯通工作中，很大程度上提供稳定性，方便性等保障。特别是在特长隧道中的应用，由于GPS无需通视，与传统的测量手段相比较具有很多的优越性。

本文以铁背山隧道施工GPS控制网的建立及测量数据为例，在GPS控制测量的理论基础上和相关的技术规范条件下，论述了隧道贯通新的测量方法，。依据规范要求，搜集测区相关资料，制定了一合理控制网，利用GPS测量方法对该测区控制网进行了观测，并对观测数据进行了一些技术处理，在满足各种条件的基础上，此方法与传统观测相比，不仅有强大的优势，而且处理后的精度也完全能够达到相关要求。

关键词：GPS；控制网；隧道工程测量

Abstract

Transforms along with the traditional mapping technology to the digitized mapping technology, face the 21st century our country project survey technology trend of development and the direction is: Survey data acquisition and processing automation, solid current events. Survey data management scientific style, standardization, standardization; Survey data dissemination and application network, diversification, The GPS technology, the RS technology, the GIS technology, the digitized mapping technology as well as the advanced ground survey instrument and so on will be widespread apply in the project survey, and will display its leading role.GPS used in the tunnel through work, largely to provide stability, convenience and other support. Especially in the long tunnel application, no need to pass as the GPS, and compared to the traditional means of measurement has many advantages.

In this paper, Tiebei Shang Rail Tunnel GPS control network and measurement data, for example, the GPS control survey of the theoretical basis and technical specifications related conditions, discusses a new measurement method through the tunnel. According to specifications, test area to collect relevant information, formulate a reasonable control of the network, the use of GPS measurement control network of the survey area were observed, and observed a number of technical data processing to meet a variety of conditions, based on This method is compared with the traditional observation, not only has a strong advantage, but the precision of treatment can fully meet the relevant requirements.

Key word：GPS；Tunnel To construct；Tunneling survey

目录

第一章绪论 (1)

1.1 GPS技术发展现状 (1)

1.1.1 GPS的市场应用状况和市场需求分析 (2)

1.1.2 国内市场状况 (2)

1.1.3 巨大的市场空间 (3)

1.1.4 不成熟的消费市场 (4)

1.2 GPS在隧道控制测量中的发展现状 (5)

1.3 本文研究的目的和意义 (5)

第二章 GPS的原理与应用 (7)

2.1 GPS系统的组成 (7)

2.1.1 GPS卫星星座 (7)

2.1.2 地面监控系统 (7)

2.1.3 GPS信号接收机 (8)

2.2 GPS的定位原理 (9)

2.3 GPS系统的特点 (10)

2.3.1 定位精度高 (10)

2.3.2 观测时间短 (10)

2.3.3 测站间无须通视 (10)

2.3.4 可提供三维坐标 (10)

2.3.5 操作简便 (11)

2.3.6 全天候作业 (11)

2.4 GPS测量相关规范 (11)

2.4.1 级别划分 (11)

2.4.2 测量精度 (11)

2.4.3 GPS网布设的基本原则 (12)

2.4.4 观测基本技术规定 (14)

2.4.5 外业数据质量检核 (15)

2.4.6 GPS网平差 (16)

第三章控制网的概述 (18)

3.1 布设测量控制网应遵循的原则 (18)

3.2 控制网布设的一般过程 (18)

3.2.1 准备工作 (18)

3.2.2 确定布网方案 (19)

3.3 编写技术设计说明书 (19)

3.4 造标埋石 (19)

3.5 外业观测 (19)

3.6 内业计算 (20)

3.7 编写技术总结 (20)

第四章 GPS在隧道平面控制测量中的应用 (21)

4.1 GPS隧道控制网选点要求 (21)

4.2 GPS控制网网型设计 (21)

4.3 GPS隧道控制测量实例 (22)

4.3.1 工程概况 (22)

4.3.2 布网设计 (22)

4.3.3 GPS的外业测量 (23)

4.3.4 GPS测量的数据处理和精度分析 (24)

第五章结论 (36)

5.1 经济技术分析 (36)

5.2 结论及展望 .......................................... 错误！未定义书签。

5.2.1 结论 (36)

谢辞 (39)

附录1

附录2

GPS在隧道平面控制测量中的应用

第一章绪论

1.1 GPS技术发展现状

自从GPS问世以来，就以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引了全世界许多用户。目前，国内GPS应用发展势头迅猛，短短几年间，GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变了人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益，具有广阔的应用前景。

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

目前GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网以测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。

由于多元化空间资源环境的出现使得GPS GLONASS等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境促使国际民间形成了一个共同的策略即一方面对现有系统充分利用一方面积极筹建民间GNSS系统，到2010年后GNSS纯民间系统形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势才能从根本上摆脱对单一系统的依赖形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一策略反过来有影响和迫使美国对其GPS

使用政策作出更开放的调整。总之由于多元化空间资源环境的确立给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。

1.1.1 GPS的市场应用状况和市场需求分析

特别是“十五”期间将以可持续发展为前提，建立客运快速化和货运物流化的智能型综合交通运输体系。发展智能交通（ITS）已经写入我国“十五”综合交通体系发展规划，能有效地规范交通行为，实现各种运输方式的现代化，提高基础设施利用率，从而使人类拥有一个高效、悠闲的生存空间。因此，卫星定位系统的应用市场在我国已形成一个巨大的产业需求。

1.1.2 国内市场状况

经过多年的发展和培育，我国GPS车辆跟踪系统市场现在已到了可以进入规模发展时期，尤其是从去年开始，北京市申奥及物流配送推动的GPS车辆跟踪市场的发展，同时及加大公司切入这一行业，若干较为成熟的产品推向市场，数千台车的项目和几万辆车的计划也在出台。一旦各城市的公交车和出租车项目有所启动，特别是长途运输车辆的应用的实施，将有可能出爆发性增长的势头。以长途运输为例，我国有430万辆的货运车和170万辆的客运车，这是GPS在物流运输管理上能发挥重大作用的领域，其应用市场需求迫切，潜力巨大。从实际情况来看，近年来我国运输市场持续升温，各种物流系统均显示出对GPS车辆监控管理系统的明显需求。估计2001年车辆跟踪系统装车总量会接近和超过10万台。在“十五”末期每年新增加量至少能达到30-50万辆。

但是，值得指出的是，从GPS整个应用而言，我国所有的GPS芯片和OEM接收板几乎都是靠进口，也没有开发出高水平的整机和系统。在GPS车辆跟踪方面，所使用的GPS核心定位产品主要来源为美国、日本、韩国和台湾等地，目前国内商家鲜有人开发核心定位产品，基本都是在这些核心产品上进行二次开发，生产车载终端、自导航和手持定位仪等产品。而国外GPS生产商能长期立足于我国GPS市场，显然与其产品技术分不开的。就拿美国GARMIN公司来说，在中国GPS市场上占有较大份额，其GPS手持机系列，无论是机器性能、内部功能、用户接口、接收灵敏度，还是机器封装、尺寸、视感及手感等各个方面，无一不是精心设计。

另一大GPS国外生产商JA V AD也不甘落后，其OEM产品是目前技术性能最好的

GPS／GLONASS双星双频的高文件OEM产品，1PPS的精度可达25NS，具有带内干扰抑制功能。来自日本的ICOM公司也在二十世纪八十年代初就凭借其优良的品质、卓越的性能、完善的售后服务打入了中国市场，占领了无线电通讯市场的较大份额。加拿大的CSI公司、美国PCC公司同样也不会将这一块庞大的市场让给以上国际GPS巨头。CSI公司已成为信标接收产品的主导供货商，而美国PCC公司在GPS差分上有其独特优势，现已成为全球80%以上的GPS厂家的指定专用无线数传电台。虽然目前GPS关键性零组件如GPS芯片组的供应仍掌握在几家国外厂商手中，国内厂家的机会不大，但由GPS衍生出来的相关产品与服务提供仍然能够带来十分可观的收益，是一个非常值得投入资金和人力的新领域。例如，生产移动电话的厂商可将GPS功能纳入未来产品设计之中，而开发其它电子产品的厂商也可考虑将GPS与现有产品相结合，使得产品更符合功能多元化的趋势。GPS提供的地理方位是以经度与纬度表示的，必须有电子地图的配合才能发挥功效，这对于我国电子地图的开发商而言也意味着无限商机。目前GPS系统的成本已大大降低，GPS系统将会得到更广泛的应用。

1.1.3 巨大的市场空间

目前，我国有大量的出租车、430万辆的货运车、170万辆的客运车和各类船只90多万，铁路和航空方面也拥有相当数量的运输载体。国内物流业是朝阳行业，物流业的发展必然带来各类运输载体的迅速增加。

随着人们对运输载体的监控、跟踪以及智能化管理的要求提高，GPS市场需求将越来越大。如果GPS跟踪系统从特种车辆应用扩展到私家车辆和公众车辆应用，特别是长途运输车辆应用，则市场将迅速扩大，估计每年将会有超过10万以上的装车量，产值约为4亿元。

我国轿车普及率极低，随着国内经济的发展和居民收入的提高，国内轿车市场容量将在相当长时间内呈较快的速度增长。中国加入WTO后，由于汽车进口关税下降，轿车售价随之降低，市场需求更加旺盛。根据国家信息中心及中国汽车工业协会统计，2001年汽车销售236.37万辆，同比增长13.29%。其中，轿车销售72.1463万辆，同比增长18.25%。由此可见，轿车的销售量增长率明显高于汽车平均增长率。轿车的市场需求日趋旺盛，据悉，2002年前6个月，轿车销量同比增长率达到约28%。

具有导航、定位、防盗等十分实用功能的GPS在日益增长的轿车市场中具有极大

的市场需求。如果新增车辆中有10%的装车量，则每年需求量将超过7万台。未来当GPS 性价比进一步提高时，其市场需求将呈倍增趋势。

目前，国内GPS导航应用处于导入期，根据西方国家经验，从长远看，市场容量极大。GPS导航应用较为普遍的是北美、欧洲、日本等地，汽车导航销售额雄居各类GPS市场之首。根据统计，2000年汽车导航系统销售额占GPS销售收入的35.4%。而我国之GPS导航的发展则远远落后于GPS控制、定位、跟踪方面的应用，尚处于导入期。如果与GPS紧密相关的电子地图逐步完善，并且不断丰富动态内容，提高GPS导航的实用性，则未来导航系统的市场前景相当看好，其市场容量将随着汽车市场的发展而大幅度增加。

1.1.4 不成熟的消费市场

但是，GPS车载系统市场并没有像开发商们所预期的那样出现热销局面，离叫座尚有一段距离。

消费者对GPS缺乏了解。一位从事开发GPS软件的工程师说，现在之所以在GPS 市场企业一直唱独角戏，是因为开发成本高，使GPS车载系统的价格居高不下，上万元钱的东西，要物有所值才会卖得好。这位工程师还表示，既缺乏对消费者有效指导，又缺乏实际应用的更多功能，生产及开发产品的企业一厢情愿，因此，消费者冷眼旁观的现象还将持续。

电子地图有待进一步开放。众所周知，在GPS导航系统中，最重要的就要算产品所提供的电子地图了。据了解，电子城市地图资源一直为国家严格控制，能够在多大程度上为普通老百姓所用，应该说是GPS面对的最大难题。当初，安装在丰田威驰上DVD 语音及GPS车载系统软件，只有北京、上海、天津、广州4个城市的地图可供消费者应用。国家对电子地图的开放程度，直接影响着GPS车载导航系统消费市场的大小，从现状看，目前国内所开放的电子地图还不足以满足消费者的全部需求。

消费需求不强烈。毋庸置疑，GPS的市场而今已经发展成型，但仍然还有更多的问题需要面对。我们的消费者究竟需要什么样的车载导航系统，恐怕是众多厂家所要率先解决的问题。价格不菲的GPS导航产品市场需求不足，也将成为该类产品不可能在中国市场迅速普及的重要因素。有数据显示，在GPS导航产品市场发达的美国、日本，人们日常开车出行的半径里程都在数百公里，大多数的道路都是城际之间的，因此对导

航设备有需求。而中国大多数车主的日常出行半径里程仅为其1／10，而且大多数是往返在所居住地固定的道路上。

行业缺乏统一的标准。在国外越来越普及的GPS综合管理系统在我国还处于各自为阵、零打碎敲的散乱状态，没有统一的平台支持，行业缺乏统一的标准。如北京出租车采用的GPS系统与其他行业和部门的系统不能互通，难以升级。不同公司的GPS产品及运营系统不能通用、兼容、联网，产品的可靠性、一致性及质量标准方面存在着问题。此外，涉足该领域企业的实力、水平和信誉参差不齐，服务质量上存在不足，收费标准尚待市场统一规范，这些问题妨碍了该产品的推广应用。

1.2 GPS在隧道控制测量中的发展现状

GPS在隧道工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，以知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁和隧道贯通的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

隧道贯通测量是铁路、公路等交通工程建设中重要的工作。以往大多采用传统的控制测量、工程测量方法进行控制网建立及施测，由于该类测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林，周围已知控制点很少，使得传统测量方法在网型布设、误差控制等多方面带来很大问题。同时传统方法作业时间也比较长，直接影响了工程建设的正常进展。自从GPS技术引入该领域以来，使其测量效率及测量精度得到大幅提高，本文将以沈抚高速公路中铁背山隧道贯通GPS网测量及数据处理为例，介绍GPS技术在平面隧道控制测量中的应用。

1.3 本文研究的目的和意义

本文通过对铁北山隧道贯通过程中GPS平面控制网的测量，论述GPS技术在隧道

贯通平面控制测量方面的应用。通过对所测GPS数据的解算与分析，来判断所得数据结果的精度能否达规范要求，能否满足隧道贯通平面控制测量所要求的各种条件，并在特定的环境下能否代替常规测量的一些方法等，为今后更高效的利用GPS技术进行隧道贯通平面控制测量提供帮助。

第二章 GPS的原理与应用

GPS全球定位系统（GPS Global Positioning System）是美国从上世纪70年代开始研制历时20年耗资200亿美元于1994年3月完成其整体部署实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力。现在GPS与现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态、从数据后处理发展到实时的定位与导航，极大地扩展了它的应用广度和深度。载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度，在小范围内可以达到厘米级精度。此外由于GPS测量技术对测点间的通视和几何图形等方面地要求比常规测量方法灵活、方便，已完全可以用来施测各种等级的控制网。GPS全站仪的发展在地形和土地测量以及各种工程变形，地表沉降监测中已经得到广泛应用，在精度、效率、成本等方面显示出了巨大的优越性。

2.1 GPS系统的组成

2.1.1 GPS卫星星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，GPS卫星星座记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。

在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样对于地面观测者来说每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。所以GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

2.1.2 地面监控系统

对于导航定位来说GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

2.1.3 GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间解译出GPS卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三维位置甚至三维速度和时间。

GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS 接收机，产品也有几百种，这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

静态定位中GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度的测量出GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹，GPS 信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰空中的飞机行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地行接收机来说两个单元一般分成两个独立的部件观测时将天线单元安置在测站上接收单元置于测站附近的适

当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电以防止丢失数据。

近几年国内引进了许多种类型的GPS测地形接收机。各种类型的GPS测地形接收机用于精密相对定位时其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位，其精度可达亚米级至厘米级。

目前各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS 和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

2.2 GPS的定位原理

GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR），当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码，每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，

还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

2.3 GPS系统的特点

2.3.1 定位精度高

应用实践已经证明GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6mm，100-500KM可达10-7mm，1000KM可达10-9mm。在300-1500M工程精密定位中1小时以上观测的解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

2.3.2 观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前20KM以内相对静态定位仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位每站观测只需几秒钟。

2.3.3 测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔，即可因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点等测量工作。

2.3.4 可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

2.3.5 操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。

2.3.6 全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响，功能多、应用广。

从这些特点中可以看出GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大GPS系统的应用前景。当初设计GPS系统的主要目的是用于导航收集情报等军事目的。但是后来的应用开发表明GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

2.4 GPS测量相关规范

2.4.1 级别划分

GPS测量按照精度和用途分A、B、C、D、E级。

2.4.2 测量精度

（1）A级GPS网由卫星定位连续运行基准站构成，其精度应不低于表1的要求：

表2-1 A级GPS网相关精度

级别坐标年变化率中误差

相对精度

地心坐标个分量

年平均中误差/ 水平分量/ 垂直分量/

(mm/a) (mm/a) mm

A 2 3 1×10-80.5 （2）B、C、D和E级的精度应不低于表2的要求。

表2-2 B、C、D、E级GPS网相关精度

级别

相邻点基线分量中误差相邻点间平均距离/km 水平分量/

mm

垂直分量/

mm

B 5 10 50

C 10 20 20

D 20 40 5

E 20 40 3

（3）用于建立国家二等大地控制网和三、四等大地控制网的GPS测量，在满足4.2.2规定的B、C、D和E级精度要求的基础上，其相对精度应分别不低于1×10-7m、1×10-6m、1×10-5m。

（4）各级GPS网点相邻点的GPS测量大地高差的精度，应不低于表2规定的各级相邻点基线垂直分量的要求。

2.4.3 GPS网布设的基本原则

（1）各级GPS网一般逐级布设，在保证精度、密度等技术要求时可跨级布设。

（2）各级GPS网的布设应根据其布设目的、精度要求、卫星状况、接收机类型和数量、测区已有的资料、测区地形和交通状况以及作业效率等因素综合考虑，按照优化设计原则进行。

（3）各级GPS网最简异步观测环或符合路线的边数应不大于表3的规定。

表2-3 GPS网闭合环或符合路线边数规定

级别 B C D E 闭合环或符合路线的边数/条 6 6 8 10

（4）各级GPS网点位均匀布设，相邻点间距离最大不宜超过该网平均点间距的2倍。

（5）新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不应少于3点。

（6）为求定GPS点在某一参考坐标中坐标，应与该参考坐标中的原有控制点联测，联测的总点数不应少于3点。在需要常规测量方法加密控制网的地区，D、E级网点应有1～2方向通视。

（7）A、B级网应逐点联测高程，C级网应根据区域似大地水准面精化要求联测高程，D、E级网可依具体情况联测高程。

（8）A、B级网点的高程联测精度应不低于二等水准测量精度，C级网点的高程联测精度应不低于三等水准测量精度，D、E级网点按四等水准测量或与其精度相当的方法惊醒高程联测。各级高程联测的测量方法和技术要求应按GB/T 12897或GB/T 12898规定执行。

（9）B、C、D、E级网布设时，测区内高于施测级别的GPS网点均应作为本级别GPS网的控制点（或框架点），并在观测时纳入相应级别的GPS网中一并施测。

在局部补充、加密低等级的GPS网点时，采用的高等级GPS网点点数不少于4个。

各级GPS网按观测方法可采用基于A级点、区域卫星连续运行基准站网、临时连续运行基准站网等的点观测模式，或以多个同步观测环为基本组成的网观测模式。网观测模式中的同步环之间，应以边连接或点连接的方式进行网的构建。

（10）采用GPS测量建立各等级大地控制网时，其布设还应遵循以下原则：

①用于国家一等大地控制网时，其点位应均匀分布，覆盖我国国土。在满足条件的情况下，点位宜布设在国家一等水准路线附近或国家一等水准网的结点处。

②用于国家二等大地控制网时，应综合考虑应服务和对国家一、二等水准网的大尺度稳定性监测等因素，统一设计，布设成连续网。点位应在均匀分布的基础上，尽可能与国家一、二等水准网的结点、已有国家高等级GPS点、地壳形变监测网点、基本验潮站等重合。

③用于三等大地控制网布测时，应满足国家基本比例尺测图的基本需求，并结合水准测量、重力测量技术，精化区域似大地水准面。

2.4.4 观测基本技术规定

（1）A级GPS网观测的技术要求按CH/T 2008的有关规定执行。

（2）B、C、D、E级GPS网观测的基本技术规定符合表5的要求

表2-4 B、C、D、E级GPS网观测的基本技术规定

项目级别

B C D E

卫星截止高度角/(°) 10 15 15 15

同步观测有效卫星数≥4 ≥4 ≥4 ≥4

有效观测卫星总数≥20 ≥6 ≥4 ≥4 观测时段数≥3 ≥2 ≥1.6 ≥1.6

时段长度≥23h ≥4h ≥60min ≥40min

采样间隔/s 30 10～305～155～15注1：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。

注2：观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段。

注3：观测时段数≥1.6，指采用网观测模式时，每站至少观测一时段，其中二次设站点数应不少于GPS网总点数的60%。

注4：采用基于卫星定位连续运行基准站点观测模式时，可连续观测，但观测时间应不低于表中规定的各时段观测时间的和。

（3）B、C、D、E级GPS网测量可不观测气象元素，而只记录天气状况。

（4）GPS测量时，观测数据文件名中应包含测站名或测站号、观测单元、测站类型、日期、时段号等信息。

（5）雷电、风暴天气时，不宜进行B级网GPS观测。

2.4.5 外业数据质量检核

（1）同一时段观测值的数据提出率不宜大于10%。

（2）采用点观测模式时，不同点间不进行重复基线、同步环和异步环的数据检验、但同一点不同时段的基线数据应按9.2.3～9.2.7进行各种数据检验。

（3）A 级GPS 网观测数据的检核按CH/T 2008的有关规定执行。

（4）B 级GPS 网基线外业预处理和C 、D 、E 级GPS 网基线处理，复测基线的长度较差d s 应满足公式2-1的规定：

d s ≤22σ 2-1

式中：

σ——基线测量中误差，单位为毫米（mm ），其计算按9.2.5规定执行。

（5）B 、C 、D 、E 级GPS 网基线测量中误差σ采用外业测量时使用的GPS 接收机的标称精度。计算时边长按实际平均边长计算。

（6）B 、C 、D 、E 级GPS 网同步环闭合差，不宜超过相关规定。

（7）B 、C 、D 、E 级GPS 网外业基线处理结果，其独立闭合环或符合路线坐标闭合差W s 和个坐标分量闭合差（W X 、W Y 、W Z ）应满足公式2-2的规定。

W X ≤3n σ

W Y ≤3n σ 2-2

W Z ≤3n σ

W s ≤3n 3σ

式中：

n ——闭合环边数；

σ——基线测量中误差，单位为毫米（mm ），其计算按9.2.5规定执行；

W s =Z2Y2X2 W W W ++