GPS测量及数据处理大地测量(2016)

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图形设计中的注意事项
▪ 当控制网的范围较大时，可采用分级布 设的方法，即首先布设点数较少但等级 较高的框架网，然后再布设项目所要求 等级的全面网*
框架网 全面网
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图形设计中的注意事项
▪ 为求得GPS点的正常高，应进行高程联 测，联测应满足下表要求
级别 AA A B C D E
高程联测点密度要求 逐点联测 逐点联测
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独立基线向量
▪ 定义：线性无关的一组基线向量 ▪ 满足下面条件之一的为独立基线向量
▪ 未构成同步闭合环的一组基线向量（例如： 一条基线向量，未构成闭合环的一组同步观 测基线）
▪ 虽构成了闭合环，但并非所有基线都来自同 一观测时段
▪ 提示 ▪ 完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是 线性相关的，是一组非独立基线向量 ▪ GPS网应由相互独立的基线向量构成
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同步观测基线
▪ 定义
▪ 利用同一时段的多个同步观测站所采集的观 测数据所计算出的若干基线向量
▪ 一个时段中，同步观测基线的数量 ▪ 若在某时段共有n台接收机进行了同步观测， 则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线
n=2
n=3
n=4
n=5
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闭合环和环的闭合差
▪ 闭合环 ▪ 由多条基线向量首尾相连所构成的图 形
▪ 时段长度 ▪ 观测时段所持续的时间
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同步观测、基线向量和GPS基线向量网
▪ 同步观测 ▪ 两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星 信号进行的观测
▪ 基线向量 ▪ 利用进行同步观测的接收机所采集的观测数 据计算出的接收机间的三维坐标差 ▪ 与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系 统
▪ GPS基线向量网 ▪ 采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点 和基线向量所构成
▪ 相邻点间基线长度标准差
a2 b d 106 2
标准差，单位mm 固定误差，单位mm
相邻点间的距离，单位mm 比例误差，单位ppm
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5.1.4 GPS网的基准设计
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GPS网的基准
▪ GPS网的基准包括 ▪ 位置基准 ▪ 尺度基准 ▪ 方位基准
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GPS网的位置基准
▪ 位置基准的确定 ▪ 自由网平差或拟稳平差 ▪ 对网的尺度无影响 ▪ 固定一点（最小约束平差） ▪ 对网的尺度无影响 ▪ 固定多点（约束平差） ▪ 对网的尺度有影响
每隔 2~3 点联测 1 个 每隔 3~6 点联测 1 个
视情况 视情况
高程联测点的等级 二等水准 二等水准 三等水准
四等或精度相当 四等或精度相当 四等或精度相当
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GPS网的特征条件
▪ 总基线数 ▪ 独立基线数 ▪ 必要基线数 ▪ 多余基线数
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GPS网的特征条件
▪ 若某GPS网由n个点组成，每点的设站次 数为m，用N台GPS接收机进行观测 ▪ 观测时段数C：C nm N ▪ 总基线数J总： J总 C N N 1 2 ▪ 独立基线数J独：J独 CN 1 ▪ 必要基线数J必： J必 n 1 ▪ 多余基线数J多：J多 J独 J必 ▪ 整体可靠性指标：J多/J独
用户部 分
2
2、GPS定位原理 ▪ 距离交会
GPS测量原理
3
3、GPS观测值 ▪ 码伪距 ▪ 载波相位 ▪ 多普勒
GPS测量原理
S
(tR )
接收机根据自身 的 钟 在tR时 刻 复 制信号的相位
接收机根据自身 的 钟 在tR时 刻 所 接 收 到 卫 星 在tS 时刻所发送信号 的相位
(tS)
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GPS网的尺度基准
▪ 尺度基准的确定 ▪ GPS基线向量 ▪ 测距边 ▪ 已知点间的固定边 ▪ 其他空间技术观测量（VLBI、SLR等）
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GPS网的方位基准
▪ 方位基准的确定 ▪ GPS基线向量 ▪ 起始方位 ▪ 其他空间技术（如VLBI）提供的方位
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5.1.5 GPS网的图形设计
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GPS测量的作业流程
▪ 测绘资料收集整理 ▪ 仪器检验、检定 ▪ 踏勘、选点、埋石 ▪ 作业队进驻 ▪ 卫星状态预报 ▪ 观测计划制定 ▪ 作业调度及外业观测 ▪ 数据传输、转储、备份 ▪ 基线解算及质量控制
▪ 两点重要提示 ▪ GPS网的图形强度与基线向量的数量和 分布有关 ▪ GPS点的精度和可靠性与与其相连的基 线向量数密切相关，相连的基线向量 数越多，精度和可靠性越高
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GPS网图形设计的内容*
▪ GPS网布设时的重复设站次数（观测时 段数） ▪ GPS点反复进行设站观测的次数
▪ 复测边（重复边）的布置 ▪ 复测边：同一基线向量不同时段的观 测结果
tR tS R
4
4、GPS的误差源
▪ 与卫星有关的：卫星钟差、卫星 星历误差、相对论效应、SA
▪ 与传播途径有关的：大气折射 （电离层折射、对流层折射）、 多路径效应、其他电磁波干扰
▪ 与接收设备有关的：天线相位中 心偏移及变化、接收机钟差、接 收机噪声
▪ 其他
GPS测量原理
5
Fr i Int() i N 0
i 1
Bn
环的闭合差
X X Y Y Z Z
分量闭合差
s
X
2Βιβλιοθήκη Baidu
Y
2
2 Z
全长闭合差
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同步观测环（同步环）和同步环检验
▪ 同步观测环（同步环） ▪ 三台或三台以上的GPS接收机进行同步 观测所获得的基线向量（完全由同一 观测时段的基线向量）所构成的闭合 环
同步环与非同步环
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同步观测环（同步环）和同步环检验
GPS网图形设计的内容*
▪ 一般控制网图形设计的内容 ▪ 与精度和可靠性有关的点位设计 ▪ 观测设计（观测点、测回数等）
▪ GPS网图形设计的内容 ▪ 观测设计（同步观测图形、重复观测） ▪ 注意：GPS网无与精度和可靠性直接相 关的图形设计问题（点位观测环境方 面的问题除外）
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GPS网图形设计的内容*
这两点也可看作GPS网测量的要求
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GPS网的基本图形
▪ 三角形网 ▪ 多边形网 ▪ 附和导线网 ▪ 星形网
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GPS网的基本图形
▪ 三角形网
▪ 定义：以三角形作为基本图形所构成的GPS网
▪ 特点
▪ 优点：几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高 ▪ 缺点：工作量大 ▪ 进一步提高图形强度的方法 ▪ 加测对角线
▪ 同步环检验 ▪ 定义：检验同步环的闭合差大小 ▪ 特性 ▪ 理论上：采用严密算法所得到的同步环， 无论观测值中是否含有误差，其环闭合差 必为零。（构成同步环的基线向量之间是 线性相关的） ▪ 实践中：如果算法不严密（目前大多数的 商用软件均属于此种情况），其环闭合差 通常不为零，但通常很小 ▪ 结论：同步环闭合差很小，还不能说明基线 解算结果一定能够满足精度要求
▪ 特点：效率高，工作量较小，图形强 度虽不如三角形网和多边形网，但若 对多边形边数加以限制，仍能保证一 定的强度
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GPS网的基本图形
▪ 星形网
▪ 定义：从一个已知点上分别与各待定点进行相对定 位（待定点间一般无任何联系）所构成的GPS网
▪ 特点：抗粗差能力极差 ▪ 应用：界址点、碎部点和低等级控制点（图根dian） ▪ 工作模式：Go and Stop，RTK ▪ 提高可靠性的方法：从两个已知点（基准站）上对
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独立基线向量
▪ 同步观测基线向量的最大线性无关组及 选取方式
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独立观测环（异步环）和独立观测环检验
▪ 独立观测环（异步环） ▪ 定义：由相互函数独立（线性无关） 的基线向量所构成的闭合环。（就是 前面的非同步环）
独立环与非独立环
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独立观测环（异步环）和独立观测环检验
▪ 独立观测环检验 ▪ 定义：检验独立观测环的闭合差大小 ▪ 特性：与同步环闭合差不同，即使采 用严密算法，并且计算过程中未发生 错误，独立观测环的闭合差通常也不 为零，也不一定是个微小量 ▪ 结论：独立观测环闭合差的大小，可 作为评定基线解算结果质量的有力指 标
闭合环和附和导线的边数 ≤5 ≤6 ≤6 ≤8
≤10
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图形设计中的注意事项
▪ A、B级GPS网点应与永久GPS跟踪站联 测。联测站数满足下表要求
级别 AA A B
联测永久 GPS 跟踪站的最少站数 ≥4 ≥3 ≥2
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图形设计中的注意事项
▪ A、B级GPS网点应与参加过全国天文大 地网整体平差的三角点、导线点及一、 二等水准点重合
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5.1.2 技术设计的依据
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测量任务书或测量合同书
▪ 内容
▪ 点位要求 ▪ 分布、密度、数量
▪ 精度要求 ▪ 等级、点位误差、相邻点间距离误差
▪ 进度要求 ▪ 提交成果的时间
▪ 成果要求 ▪ 坐标参照系、是否需要高程成果、提交资 料的内容
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5.1.3 GPS网的精度和密度设计
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各级GPS测量的精度指标
大地测量
GPS测量与数据处理
武汉大学 王泽民
zmwang@whu.edu.cn
1
一、GPS测量原理回顾
1、GPS系统及其构成
▪ 拥有者：美国
▪ 系统构成：空间部分、地 面控制部分、用户部分
▪ 作用：定位、测速、授 （守）时
▪ 信号：载波、测距码、导 航电文
GPS测量原理
空间部
GPS分
地面监 控部分
▪ 根据时效 ▪ 实时定位、事后定位
▪ 根据定位模式 ▪ 绝对定位、相对定位、差分定位
GPS测量原理
7
GPS测量原理
7、导航定位方法及精度
定位方法 单点定位 差分 GPS 相对定位
观测值 测码伪距 载波相位 测码伪距 载波相位
载波相位
卫星星历 广播星历
精密星历
广播星历 广播星历 广播星历
精密星历
观测时间 单历元 数小时 单历元 一天
同一待定点（流动站）进行观测；适当复测
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图形设计中的注意事项
▪ A、B级GPS网应布设成连续网，除边缘 点外，每点至少应与3个点相连，C、D、 E级GPS网可布设成多边形或附和导线。
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图形设计中的注意事项
▪ 各级GPS网中最简独立闭合环或附和导 线的边数满足下表要求
级别 AA A B C D E
▪ 新布设的GPS网应与附近已有的国家高 等级GPS点进行联测，联测点数不少于2 个
▪ 大陆、岛、礁之间的A、B级GPS网的边 长可视实际情况变通。重要岛礁与大陆 之间的联测点数不得少于3个
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图形设计中的注意事项
▪ 为求得GPS点在某一参考坐标系中的坐 标，应与该坐标系中的原有控制点进行 联测，联测点数不得少于3个
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GPS网的基本图形
▪ 多边形网 ▪ 定义：以多边形（边数≥4）作为基本 图形所构成的GPS网
▪ 特点：效率高，工作量较小，图形强 度虽不如三角形网，但若对多边形边 数加以限制，仍能保证一定的强度
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GPS网的基本图形
▪ 附和导线网 ▪ 定义：附和导线（或称附和路线）作 为基本图形所构成的GPS网
8
8、GPS的特点 ▪ 作业范围：全球地面覆盖，无须通视 ▪ 作业时间：实时，全天候 ▪ 成果精度：精度高 ▪ 劳动强度：自动化程度高 ▪ 三维坐标：真三维坐标
GPS测量原理
9
5.1 GPS测量的技术设计
10
5.1.1 GPS测量中的几个基本概念
11
观测时段和时段长度
▪ 观测时段 ▪ 从测站上开始接收卫星信号起至停止 接收卫星信号间的连续工作的时间段 ▪ 是GPS测量的基本单位
GPS测量原理
5、GPS定位原理中的若干基本概念
ti
▪ 伪距测量
▪ 载波相位测量
▪ 整周计数、周跳、整周模糊度 t0
▪ 差分观测值
▪ 零差（非差）、单差、双差、三差
▪ 载波相位观测值的线性组合
N
0
▪ 宽巷、窄巷、无电离层折射影响和无几何关系组F合r0
单差
双差
6
三差
6、GPS的定位模式
▪ 根据运动状态 ▪ 动态定位、静态定位
n=5 由5条基线向量所构成的闭合环
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闭合环和环的闭合差
▪ 环的闭合差
▪ 闭合差：组成闭合环 的基线向量按同一方 向（顺时针或逆时针） 的矢量和
▪ 分量闭合差：组成闭 合环的基线向量按同 一方向（顺时针或逆 时针）矢量的各个分 量的和
▪ 全长闭合差：分量闭 合差的平方和开方
B2
B1
B3
n
Bi
单历元
单历元 数小时
数小时～ 数十小时
精度 20 － 40 m 米级 分米级 厘米级 D < 15 km 分米级、亚米级 15 km D 200 km 米级 厘米级 短边：5 mm 10-6 • D 中边：5 mm 10-7 • D 长边：3 mm 10-8 • D
3 mm 10-9 • D
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GPS网设计书
▪ 编写提纲 ▪ 概述：测区位置，项目概况 ▪ 技术依据：规范、标准… ▪ 坐标系统与起算数据 ▪ 网形设计 ▪ 质量检核 ▪ 选点埋石 ▪ 外业观测 ▪ 数据处理：软件、处理方法（包括基线解算 与网平差） ▪ 成果资料
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5.2 数据采集
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5.2.1 外业观测的流程*
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