GPS原理及应用_张勤_第五章GPS控制网的设计与外业工作
第五章：用GNSS施测平面控制网
（二）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～台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， 每点观测数分钟 （2）精度：流动站相对于基准站的基线中 误差为5 mm+lppm· D （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 （5）优缺点：优点：作业速度快、精度高、 能耗低；缺点：二台接收机工作时，构不成 闭合图形，可靠性较差
3．外业观测：正确使用接收机，测站记录，量取仪器高。 （1）测量前应检查电池容量是否充足。以及仪器及其附件应携带 齐全。 观测组必须按规定的时间进行作业；保证同步观测同一卫 星组。 （2）天线用脚架直接安置在测量标志中心的垂线方向上，对中误
差应≤3mm。天线应整平，天线基座上的圆气泡应居中。
（3）每时段开机前，作业员应先量取天线高，在关机后再量取一 次天线高后作较核，两次所量天线高互差不得大于3mm,取平均值
（一）静态定位 （1）作业方法：采用2台(或2台以上)接收 机，分别安置在一条或数条基线的2个端点， 同步观测4颗以上卫星，每时段长45min-2h 或更多 （2）精度：基线的相对定位精度可达 5mm+1PPM•D，D为基线长度(km) （2）应用范围：建立全球性或国家级大地 控制网、地壳运动监测、建立长距离检校基 线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密 工程控制网建友等 （4）注意事项：所有已观测基线应组成— 系列封闭图形。以利于外业检核和内业平差， 提高成果可靠度和定位精度
发送用于导航定 位的信号
GPS控制网的建立
2.1、GPS控制网技术设计的一般原则（2）
• 城市GPS控制网的主要技术要求:
等级 平均距离 a(mm) b(1*10-6) 最弱边相对中误差 二等 三等 四等 一级 二级 9(km) 5(km) 2(km) 1(km) ＜ 1(km) ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤15 ≤2 ≤5 ≤10 ≤10 ≤20 1/120000 1/80000 1/45000 1/20000 1/10000 闭合边数 ≤6 ≤8 ≤10 ≤10 ≤10
二、GPS控制网的技术设计
2.1、GPS控制网技术设计的一般原则
1. 尽量满足各方面的要求 • 工程：满足勘测设计、施工放样、运行维护阶段的需 要。 • 城市：满足近期建设和远期规划的需要。 2. 分级布网 • 国家控制网的布网要求
A(km) B(km) 相邻点最小距离 相邻点最大距离 相邻点平均距离 固定误差a(mm) 比例误差b(mm) 100 2000 300 ≤5 ≤0.1 15 250 70 ≤8 ≤1 C(km) 5 40 15～10 ≤10 ≤5 D(km) 2 15 10～5 ≤10 ≤10 E(km) 1 10 5～2 ≤10 ≤20
• • • • • • •
坐标系统与起算数据 网形设计 选点和埋石 观测精度标准 外业作业要求 基线向量解算及成果检核 GPS网平差计算和坐标转换
• 提交成果
三、GPS外业测量工作
3.1、作业模式
1. 静态相对定位模式 2. 快速静态相对定位模式 3. 准动态相对定位模式(走走停停) 4. 动态相对定位模式
GPS控制网的建立
2004年
提
• 概述
要
• GPS控制网的技术设计 • GPS外业测量工作 • GPS基线解算与成果检核 • GPS网平差计算与坐标转换 • GPS接收机的检定
GPS卫星定位原理及其应用.ppt课件
10/20/2023
7
电磁波传播中常用公式的转换
10/20/2023
8
大气层对电磁波传播的影响
根据电磁波传播的不同影响，一般可将大气层分为： 1.对流层
系指从地面上约40Km范围内的大气底层。 对流层具有很强的对流作用，云、雾、雨、雪、风
等主要天气现象，均出现在其中，这些对电磁波的
11
电离层改正模型
10/20/2023
12
减弱电离层影响的措施
1.利用两种不同的频率进行观测
2.两观测站同步观测量求差
10/20/2023
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GPS卫星的测距码信号
GPS卫星所发射的信号包括： 载波信号 P码（或Y码） C/A码 数据码（又称作D码）
其中：C/A码和P码统称为测距码。
10/20/2023
基准频率 10.23 MHz
x 154 x 120
/10
L1
C/A 码
1575.42 MHz 1.023 MHz
P (Y) 码 10.23 MHz
L2 1227.60 MHz
P (Y)-Code 10.23 MHz
50 bit/s
卫星信悉( 状态信悉和星历)
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载波相位测距
载波相位观测
14
GPS卫星信号的产生与构成的要求
1.适应多用户系统的要 求
2.满足实时定位的要求 3.满足高度定位的要
求 4.满足军事保密的要求
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GPS卫星的导航电文（数据码）
导航电文主要包括： 1.与卫星有关的星 历 2.卫星的工作状态 3.时间系统 4.卫星钟运行状态 5.轨道摄动改正 6.大气摄动改正 7.导航信息的数据 码
GPS测量设计与实施课件
1：星形网无多余观测，可靠性差 两台接收机同步观测中，一
2：点连式相邻同步图形之间只有一个公共点连接。这种布网方式几何强度较弱，抗粗差能力较差，一般可以加测几个时段以增强网的异步图形闭合条件的个数。
2：点连式
点连接、边连接GPS网形
两台以上接收机同步观测图形的点、边连接如右图。上图为两台接收机同步观测点连接。下图为三台接收机同步观测点、边连接。
≤5
≤0.1
B
局部变形监测和各种精密工程测量
≤8
≤1
C
大中城市及工程控制网测量
≤10
≤5
D，E
中小城市测图施工控制测量
≤10
≤10~20
式中， 为GPS基线向量的等效距离误差，a为GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）；b为GPS接收机标称精度中的比例误差；d为GPS网中相邻点间的距离（mm）。
8.1.4 GPS网构成的几个基本概念及网特征条件
网特征条件：6。观测时段：C=nm/N，n为网点数；m为每点设站数；N为接收机数。7。总基线数：J=CN（N-1）/2，N为接收机台数。8。必要基线数：J必=n-1，n为GPS点数。9。独立基线数：J独=C（N-1）。10。多余基线数：J多=C（N-1）-（n-1）。
8.1.3 GPS网的基准设计1.什么叫基准设计？即明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据。
GPS控制网的基准设计包括位置基准、方位基准和尺度基准。8.
（2）GPS网的坐标系统尽量应与测区过去采用的坐标系统一致，一般应了解以下几个参数： l：所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础； 2：坐标系的中央子午线的经度值； 3：纵、横坐标的加常数； 4：坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值； 5：起算点的坐标。 实际工作中，有时难以找到说明以上参数的资料，此时，也可以通过分析计算的方法处理。
辅助电子教案GPS测量的原理与应用教案
辅助电子教案GPS测量的原理与应用教案第一章：GPS概述1.1 GPS的定义与发展历程1.2 GPS系统的组成与工作原理1.3 GPS的优点与局限性第二章：GPS测量原理2.1 卫星信号传播与接收2.2 坐标系统与坐标转换2.3 定位算法与误差分析第三章：GPS测量工具与设备3.1 GPS接收机的选择与使用3.2 GPS测量工具的操作与维护3.3 数据传输与处理软件介绍第四章：GPS测量方法与应用4.1 静态定位测量4.2 动态定位测量4.3 GPS在工程测量中的应用案例第五章：GPS测量数据的处理与分析5.1 数据格式与文件管理5.2 数据预处理与编辑5.3 误差分析与数据修正第六章：GPS在地理信息系统（GIS）中的应用6.1 GIS与GPS的关系6.2 GPS数据在GIS中的采集与处理6.3 GPS在土地管理、城市规划与环境监测中的应用案例第七章：GPS在交通运输领域的应用7.1 GPS在车辆导航与跟踪中的应用7.2 GPS在船舶航行与港口管理中的应用7.3 GPS在航空导航与飞行管理中的应用第八章：GPS在户外运动与探险中的应用8.1 GPS在户外运动导航中的应用8.2 GPS在野外探险与救援中的应用8.3 GPS安全与道德使用注意事项第九章：GPS在农业与资源监测中的应用9.1 GPS在农业精准生产中的应用9.2 GPS在森林资源监测与管理中的应用9.3 GPS在地质调查与灾害预警中的应用第十章：GPS技术的发展与未来趋势10.1 北斗导航系统的介绍与对比10.2 GPS技术的创新与挑战10.3 未来GPS技术在智能城市与物联网中的应用前景重点和难点解析重点一：GPS的定义与发展历程解析：理解GPS的概念及其发展历程对于掌握整个教案内容至关重要。
学生需要了解GPS从军用到民用的发展过程，以及其在全球定位系统中的重要地位。
重点二：GPS系统的组成与工作原理解析：GPS系统的组成和工作原理是理解GPS技术的基础。
GPS测量原理与应用绪论
空间部分：
用户部分： GPS信号接收 机
Colorado Springs
监控站： 科罗拉多 卡瓦加兰 狄哥-伽西亚 阿松森岛 夏威夷
地面监控部分
五、全球导航卫星系统——GNSS
1、未来的十年将进入群星灿烂的时代； 2、GPS现代化为GNSS的启动吹响了进军号； 3、GNSS代表了新的需求和新的发展方向； 4、要实现全球无缝的工作环境，必须解决增强和互操作性问题； 5、GNSS+X是最具发展前景的应用模式； 6、中国将从导航卫星应用大国发展为强国； 7、导航卫星用户设备产业化是我国的当务之急； 8、建设GPS信息综合服务体系是个大方向。
二、卫星激光测距 （Satellite Laser Ranging ——SLR）
• 激光脉冲发射到卫星 • 卫星上的反射镜反射后由地面的接 收设备接收 • 测出往返时间即可知地面至卫星的 距离
三、卫星测高（ห้องสมุดไป่ตู้atellite Altimetry）
• 星载雷达测量卫星到地面 的距离 • 对于大地测量而言：可以 直接测定大地水准面
四、全球定位系统——GPS
全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球 上任何地方可连续同步观测到至少4颗卫星。保障了全球、
•
全天候连续实时导航与定位星 • • • 功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、 实时定位速度快，一秒即可完成定位 抗干扰性能好，保密性强 三维速度和时间信息
GPS系统的组成 •GPS系统的组成 21颗工作卫星
• 新的系统（New Systems…）— Galileo
GNSS 的类型 Global Navigation Satellite Systems (GNSS)
GPS定位原理及应用》授课教案(可编辑修改word版)
教学内容：本节主要介绍GPS 测量技术设计的一般要求和设计指标。
教学重点：1.介绍 GPS 测量技术设计的依据；2.介绍 GPS 测量的标准；3.介绍 GPS 测量的图形设计。
教学难点：GPS 的图形设计。
教学方法：课堂教学为主，充分利用多媒体教学方法。
教学要求：学会局部性的 GPS 控制网的图形设计，掌握 GPS 测量技术设计书的编写。
8.1.1GPS 网技术设计的依据1.GPS 测量规范（规程）（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》（2）《全球定位系统城市测量技术规程》（3）各行业部门的其他 GPS 测量规程或细则2.测量任务书8.1.2GPS 网的精度, 密度设计1.GPS 测量精度标准及分类（1）GPS 测量精度分类对于各类 GPS 网的精度设计主要取决于网的用途。
用于地壳形变及国家基本大地测量的 GPS 控制网可按表 8-1 分级。
表8-1 GPS 测量精度分级（一）用于城市或工程的 GPS 控制网可按表 8-2 分级。
表8-2 GPS 测量精度分级（二）a 2 + (bd ) 2三 5 ≤10 ≤5 1/8 万 四 2 ≤10 ≤10 1/4.5 万 一级 1 ≤10 ≤10 1/2 万 二级1≤15≤201/1 万（2） GPS 测量的精度标准GPS 测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为：=（8-1）式中：σ——距离中误差（毫米）；ɑ—— 固 定 误 差 （mm ）； b ——比例误差系数（ppm ）； d ——相邻点之间的距离（km ）。
实际生产中，应根据测区大小、GPS 网的用途，来设计网的等级和精度标准。
2.GPS 点的密度标准制定 GPS 网的密度标准，主要考虑任务要求和服务对象。
密度可参照表 8-3的规定执行。
表 8-3GPS 网中相邻点间距离(单位：km)级别项目ABCDE 相邻点最小距100 15 5 2 1 相邻点最大距2000 250 40 15 10 相邻点平均距3007015～1010～55～28.1.3 GPS 网的基准设计1. 基准设计的定义：在 GPS 网的技术设计中，必须明确 GPS 网的成果所采用的坐标系统和起算数据的工作，称为 GPS 网的基准设计。
GPS原理及应用教材
GPS原理及应用教材GPS原理及应用一、GPS原理及基本构成全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是由美国国防部于20世纪70年代末开始研发的定位导航系统。
它基于一组卫星和地面接收站组成的系统，可以提供精准的地理位置和导航信息。
GPS原理主要由以下三个方面组成。
1.卫星系统：GPS系统由24颗工作卫星组成，它们在不同轨道上环绕着地球运行。
这些卫星被放置在6个轨道上，每个轨道上有4颗卫星。
卫星的轨道是为了覆盖全球而设计的，确保在任何时间和地点都能获得足够数量的卫星信号。
2.接收机：接收机是GPS系统的核心部件，它用于接收卫星发射的信号。
接收机通过接收卫星信号并计算信号传播的时间和距离来确定自身的位置。
接收机还可以接收其他地面基站传输的辅助信号，以提高定位的准确性和稳定性。
3.控制部分：GPS系统还包括地面的控制部分，用于监控卫星的状态并确保卫星系统的正常运行。
控制部分通过发射校正信号来调整卫星的时钟和轨道参数。
这些校正信号可以由卫星发射到接收机，并用于计算和校正接收机的位置。
二、GPS应用GPS技术已经广泛应用于各个领域，包括交通运输、航空航天、军事作战、地质勘探、环境监测等。
以下是一些常见的GPS应用。
1.车辆导航：GPS可以用于车辆导航系统，帮助司机确定最佳路线和实时交通状况。
通过车载GPS设备，司机可以获得实时的导航指示和路况信息，避免拥堵和迷路。
2.航空导航：GPS在航空领域的应用非常广泛。
飞行员可以使用GPS设备指引飞机的航线和高度。
航空GPS设备还可以提供附近机场、导航台和天气条件等有用的信息。
3.军事用途：GPS技术在军事上具有重要的战略意义。
军方可以使用GPS设备追踪和定位自己的部队，确定和追踪敌方目标，指导导弹和无人机等武器系统的精确打击。
4.地质勘探：GPS可以用于地质勘探和矿产资源开发。
通过定位和导航技术，地质工程师可以更准确地勘探矿产储量，预测地震和火山活动，并监测地表移位。
GPS测量技术设计与外业施测
边连接
混合连接
其中三种连接方式主要特征统计
连接方式
总点数n 同步图形个数C 总基线向量数C*N*(N-1)/2 独立基线向量数C*(N-1) 必要基线向量数n-1 多余基线向量数J独-J必 重复基线向量数 非同步图形个数 一次设站数 二次设站数 三次设站数 总体可靠性指标：多余基线数/ 独立基线数
主要内容：
精度分级 网的设计要求 选点与埋石的要求
仪器设备 类型要求 检定内容 外业观测及记录要求 数据处理 成果验收与上交资料
规范种类： 全球定位系统GPS测量 规范（国标-国家质量技
术监督局2001）
全球定位系统城市测量 规程（规程-建设部1998）
全球定位系统GPS测量 规范（规范-国家测绘局
A 1 3
C
B 2 4
D
用两台接收机进行相对定位的网形设计
观测时段数：8
A
B
同步环个数：0
异步环个数：1 重复边个数：0 独立基线数：8 必要基线数：4
1
2
异步环
3
4
多余基线数：4
重复设站数：2.0
C
D
3、GPS网同步图形构成及独立边的选择
对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时段包含 的基线（或简称GPS边、同边数）数为：
独立边构成的多边形网
§ 6.2.1 GPS网的图形设计
定义：GPS网图形设计就是将各同步图形合理衔接，以改善 GPS网的精度、增强其可靠性并提高其效率。
GPS网结构和形状视连接方式而异。连接方式的选择取决于 工程精度需求、外业观测条件以及GPS接收机数量等因素。
根据以上布网原则，GPS网的布设通常有五种方式：星形， 点连式、边连式、网连式和混合式。
《GPS控制网的建立》课件
运行监测和维护
GPS控制网的运行需要进行定期监测和维护，以确保系统的可用性和精度。
结论
1 重大意义
2 必要条件
GPS控制网的建立对于国家地理信息和空 间信息的资源管理具有重大意义，是地理 信息系统和全球定位系统发展的必要条件 之一。
GPS控制网的建立为地理信息系统和全球 定位系统的发展提供了准确的空间定位和 测量基准。
《GPS控制网的建立》 PPT课件
本PPT课件将介绍GPS控制网的建立，包括概念、意义、控制点建立方式、 框架结构、观测数据处理和管理。
GPS控制网的概念和意义
概念
GPS控制网是由一系列精确的GPS控制点组 成的空间网，用于实现地理信息和空间信息 的精确定位和准确测量。
意义
GPS控制网的建立对于国家地理信息和空间 信息的资源管理具有重大意义，是地理信息 系统和全球定位系统发展的必要条件之一。
GPS控制网框架结构
框架结构
作用
GPS控制网由一系列相互连接的GPS控制点组成， GPS控制网框架结构提供了参考坐标系统和准确
形成一个空间网格的结构。
的坐标转换，用于空间定位和测量。
GPS控制网观测数据处理
1
数据处理流程
GPS控制网观测数据的处理流程包括数据预处理、精密定位计算和坐标转换等 多个步骤。
GPS控制点及其建立方式
1 控制点定义
2 建立方式
3 建立的技术指标
GPS控制点是通过GPS 测量技术精确确定其空 间位置坐标的点，用于 提供空间定位和测量的 基准。
GPS控制点可以通过使 用高精度GPS接收器采 集观测数据，然后进行 数据处理和计算得到。
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第五章 GPS控制网的设计与外业工作
第一节 概述
GPS定位测量的高精度、高效率和低成本是以测前科学的技术设计和测后精
确可靠的数据处理为基础的。GPS测量的技术设计是按照GPS测量规范要求，
兼顾精度、可靠性、经济性等指标，在测量前制订严格、科学、切实可行的布网
及观测方案。
GPS设计与施测的依据主要是测量任务书和GPS测量规范。由于GPS测量技术
属一门新型的正在发展的技术方法，因此，规范中某些条款在执行过程中可以商
榷。但是，GPS测量规范仍旧是我们进行GPS测量的主要技术标准，应按照GPS
测量规范的统一标准，进行GPS网的设计和制定外业工作方案。
本章着重介绍GPS控制网的设计理论与方法，以及外业测量工作的实施。
1、GPS测量的主要内容
• 布设各类GPS控制网
• 放样（测设）
• 测绘各类地形图或专题地图
• 地理信息要素的采集
• 辅助其它测量工作
• ...
2、布设GPS网的工作步骤
测前
立项：目的、范围、点位数量与分布、精度要求、成果内容、时限、经费、...
技术设计
测绘资料的收集
仪器检定
踏勘、选点、埋石
测中
实地了解测区情况
观测期间卫星状态的预报
确定作业方案
外业观测
内业数据处理
数据传输、转储、备份
基线解算
质量评估
测后
测量结果分析
网平差
质量评估
技术总结
成果验收
第二节 GPS测量规
范
1、CH2001-92 《全球定位系统GPS测量规范》，1992，国家测绘局
2、CJJ 73-97 《全球定位系统城市测量技术规程》，1997，建设部
第三节 GPS网的布
设
1、GPS网 – GPS基线向量网
– 同步观测：两台以及两台以上的GPS接收机在相同的时间段内同
时连续跟踪相同的卫星组。
– 同步图形（环）：同步观测时各GPS点间的基线向量首尾相接组成
的闭合图形称为同步图形。
– 同步图形闭合差 ：在同步图形中形成的坐标闭合差条件 （它可以
反映野外观测质量和条件的好坏 ）。
– 同步观测基线与独立基线。
2、异步图形（环）：即由不同时段的基线向量首尾相接构成的闭合图形。
3、异步图形（环）闭合差：由异步图形形成的坐标闭合差条件。
4、重复基线坐标闭合差：当某条基线被两个或多个时段观测时，就构成了所
谓重复基线坐标闭合差条件。
异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件是衡量精度、检验粗差和系统差的重
要指标！
5、布设GPS网的目的
• 提高GPS测量结果的精度和可靠性
• 进行坐标系统的转换
6、GPS网网形设计的一般原则
（1）GPS网中不应存在自由基线。所谓自由基线是指不构成闭合图形的基
线，由于自由基线不具备发现粗差的能力，因而必须避免出现，也就是GPS网
一般应通过独立基线构成闭合图形。
（2）GPS网中的闭合条件中基线数不可过多。网中各点最好有三条或更多
基线分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网中的精度、可靠性较均匀。
（3）GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。这样不同
接收机数测量构成的网之精度和可靠性指标比较接近。
（4）为了实现GPS网与地面网之间的坐标转换GPS网至少应与地面网有2
个重合点。研究和实践表明，应有3-5个精度较高、分布均匀的地面点作为GPS
网的一部分，以便GPS成果较好地转换至地面网中。同时，还应与相当数量的
地面水准点重合，以提供大地水准面的研究资料，实现GPS大地高向正常高的
转换。
（5）为了便于观测，GPS点应选择在交通便利、视野开阔、容易到达的地
方。尽管GPS网的观测不需要考虑通视的问题，但是为了便于用经典方法扩展，
至少应与网中另一点通视。
7、GPS网的等级各类GPS网的用途
– A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网
– B级网为国家大地控制网或地方框架网
– C级网为地方控制网和工程控制网
– D级网为工程控制网
– E级网为测图网
美国联邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control
Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA
级的等级，其要求固定误差a≤3mm，比例误差b≤0.01ppm，此等级的网一般为
建立全球性的坐标框架和地球动力学测量服务。
8、GPS网的设计准则
（1） 选点的原则
• 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能
的开阔，在10°~15°高度角以上不能有成片的障碍物。
• 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围
内不能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等。
• 为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地
形、地物，如高层建筑、成片水域等。
• 为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方。
• 测站应选择在易于保存的地方。
（2） 提高可靠性的原则
• 增加观测期数（增加独立基线数）。
• 保证一定的重复设站次数。
• 保证每点与三条以上的独立基线相连。
• 最小异步环边数不大于6。
（3） 提高精度的原则
• 网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。
• 建立框架网。
• 最小异步环边数不大于6 。
• 适当引入高精度电磁波测距边。
• 若要进行高程拟合，水准点密度要高，分布要均匀，且要将拟合区域包围
起来。
• 适当延长观测时间，增加观测时段。
• 选取适当数量的已知点，已知点分布均匀。