2024年-GPS控制網布設演示幻燈片

工程控制測量學(EngineeringControlSurveying)測量工程與裝備系范百興第十九講

GPS控制網布設原理與方法Principles&MethodofGPSControlNetworkLayout1本次課程內容

一、GPS控制網的技術設計二、GPS控制網的網形設計三、GPS控制網布設四、GPS控制網測量五、GPS觀測成果檢核六、GPS控制網平差七、GPS測量技術總結八、GPS平面坐標轉換九、GPS高程擬合2一、GPS控制網的技術設計1、工程GPS控制網測量規(guī)范《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》國家測繪局《全球定位系統(tǒng)城市測量規(guī)范》國家建設部總參測繪局各個部委制定的GPS測量規(guī)程與細則

2、GPS控制網測量精度GPS控制網按照測量精度分為AA、A、B、C、D、E六級，相鄰點間的基線長度精度計算公式為：其中：

--相鄰點間距離中誤差

a—固定誤差（mm）b—比例誤差（ppm）

D—相鄰點間的距離（km）

3級別固定誤差amm比例誤差bppm相鄰點間平均距離DkmAA30.011000A50.1300B8170C10510~15D10105~10E10200.2~5GPS各級控制網精度指標一、GPS控制網的技術設計4級別用途AA全球性的地球動力學研究、地殼形變測量、精密定軌A區(qū)域性的地球動力學研究、地殼變形測量B局部變形監(jiān)測、各種精密工程測量C大中城市及工程測量的基本控制網D中小城市、城鎮(zhèn)及測圖、地籍、土地信息、房產、物探、勘察、建筑施工等的控制測量EGPS各級控制網用途一、GPS控制網的技術設計53、GPS控制網的基準設計原因

GPS測量得到WGS84坐標系下的基線向量，而通常采用的是國家坐標系或獨立坐標系，應該首先確定GPS成果所采用的坐標系統(tǒng)合起算數(shù)據(jù)，即GPS網基準設計。

GPS網基準分類位置基準根據(jù)給定的起算點坐標確定方位基準常根據(jù)給定的起算方位或GPS基線向量確定長度基準根據(jù)起算點反算邊長、EDM測距邊長或GPS邊長一、GPS控制網的技術設計63、GPS控制網的基準設計注意事項

若GPS測量成果需要進行坐標轉換，應該選擇或聯(lián)測足夠多的兩坐標系的公共點，一般大于3，以保證坐標系轉換參數(shù)的精度和可靠性；

起算點數(shù)目越多，GPS網和原有網的吻合越好，但會損失現(xiàn)有GPS網的測量精度，起算點為3~5個時，既能保證兩坐標系的一致，又可保證GPS網的測量精度；

起算點在GPS網中應該均勻分布，避免分布在網中的一側；

EDM測距邊作為起算邊長時，數(shù)量在3~5條為宜，但是EDM邊的兩端點高差不應過大；一、GPS控制網的技術設計73、GPS控制網的基準設計注意事項

起算方位不宜過多，可以布設在網中的任意位置GPS網得到大地高，聯(lián)測水準高程后才能將高程轉換為正常高，聯(lián)測規(guī)定為：

AA、A級網應按照二等水準聯(lián)測高程

B級網應按照三等水準每隔2~3點聯(lián)測高程

C級網應按照三等水準每隔3~6點聯(lián)測高程

D、E級網應按照四等水準聯(lián)測高程

水準聯(lián)測點應均勻分布整個測區(qū)，未知點正常高程的求解因采用內插的方法一、GPS控制網的技術設計8二、GPS控制網的網形設計1、GPS網形設計特點

由于點間不需要通視，且點位精度主要取決于衛(wèi)星與測站間的幾何網形、觀測數(shù)據(jù)質量和數(shù)據(jù)處理方法，因此GPS網的設計主要取決于用戶的要求和用途。2、GPS測量的基本概念觀測時段測站上開始接收衛(wèi)星信號到停止接收，連續(xù)觀測的時間間隔同步觀測兩臺以上的接收機同時對同一組衛(wèi)星進行的觀測92、GPS測量的基本概念同步觀測環(huán)三臺或三臺以上接收機同步觀測所獲得的基線向量所構成的閉合環(huán)。同步環(huán)各邊的坐標差分量分量之和即為同步環(huán)閉合差。獨立基線

GPS控制網中相互之間不能構成檢核條件的邊，稱為獨立基線。N臺GPS同步觀測可得到基線邊條數(shù)J為：

J=N(N-1)/2獨立基線為：

DJ=N-1二、GPS控制網的網形設計10獨立基線N=2,J=1N=3,J=3N=4,J=6N=5,J=10N=2,DJ=1N=3,DJ=2N=4,DJ=3二、GPS控制網的網形設計11獨立觀測環(huán)（異步環(huán)）由非同步觀測獲得的獨立基線向量構成的閉合環(huán)。AA、A、B級GPS網中每點的連接點數(shù)不少于3，C、D、E級GPS網應布設成多邊形或復合路線。級別ABCDE獨立環(huán)或附和路線的邊數(shù)566810重復基線同一條GPS邊觀測多個時段，可得到多個基線結果。二、GPS控制網的網形設計12三、GPS控制網布設1、跟蹤站式將數(shù)臺GPS接收機長期固定在不同測站上，進行不間斷連續(xù)觀測。特點觀測時間長、數(shù)據(jù)量大、多余觀測較多、精度高、框架基準特性好。但成本較高，多用于AA級網。2、會站式多臺GPS接收機在同一批點上多天長時間同步觀測，然后再遷移到另外一批點上進行同樣觀測，直至全部觀測完成。具有精度較高（尺度精度特高）等優(yōu)點，多用于A、B級網。133、同步圖形擴展式GPS網以同步圖形的形式連接擴展，構成具有一定數(shù)量獨立環(huán)的布網形式，不同的同步圖形間有若干公共點連接，具有測量速度快、方法簡單、圖形強度較好等優(yōu)點，是主要的GPS布網形式。可以分為點連式、邊連式、網連式和混連式。點連式

相鄰兩個同步圖形只通過一個公共點連接，但圖形強度較低，易有連環(huán)影響，一般不單獨使用。B11A1C1A2B22B3C33B4A44三、GPS控制網布設14邊連式

相鄰兩個同步圖形只通過一條邊連接，具有較多的重復基線和獨立環(huán)，圖形條件較強，作業(yè)效率較高，被廣泛采用。B11A1C123452三、GPS控制網布設15網連式

相鄰兩個同步圖形通過三個以上的公共點連接，至少需要4臺GPS接收機，圖形條件很強，成本較高，多用于高精度的控制網。三、GPS控制網布設16混連式

相鄰兩個同步圖形可能通過點、邊、網等形式連接，自檢性和可靠性較好，能有效發(fā)現(xiàn)粗差，在GPS工程控制網中廣采用。常見的有三角形和環(huán)形網等布網形式。三、GPS控制網布設17三角形網優(yōu)點：

圖形幾何結構強，具有較多的檢核條件，平差后網中相鄰點間基線向量的精度比較均勻。缺點：

觀測工作量大。一般只有在網的精度和可靠性要求比較高時，才單獨采用這種圖形。三、GPS控制網布設18環(huán)形網優(yōu)點：

觀測工作量較小，且具有較好的自檢性和可靠性。缺點：

非直接觀測基線邊(或間接邊)精度較直接觀測邊低，相鄰點間的基線精度分布不均勻。是大地測量和精密工程測量中普遍采用的圖形，通常采用上述兩種圖形的混合圖形。三、GPS控制網布設19星形網優(yōu)點：

觀測中只需要兩臺GPS接收機，作業(yè)簡單。缺點：

幾何圖形簡單，檢驗和發(fā)現(xiàn)粗差能力差。廣泛用于工程測量、邊界測量、地籍測量和碎部測量等。三、GPS控制網布設20四、GPS控制網測量1、外業(yè)測量準備測區(qū)踏勘

資料收集技術設計書的編寫項目、測區(qū)和測量概述作業(yè)依據(jù)技術要求、布網方案測區(qū)資料、選點埋石、數(shù)據(jù)處理、保證措施設備的準備與人員安排觀測計劃的擬定

GPS儀器的選擇與檢驗212、選點要求點位周圍+15o以上天空無障礙物

避免周圍有強烈反射無線電信號的物體，如玻璃幕墻、水面、大型建筑等遠離電臺、發(fā)射塔等大功率無線電發(fā)射源，距離應大于200米，離高壓線、變電所等的距離應大于50米；交通方便，有利于其他測量和聯(lián)測地面基礎條件穩(wěn)定，便于點的保存選點埋石完成后應提交:點之記,GPS網選點圖,選點工作總結四、GPS控制網測量223、GPS觀測的技術規(guī)定項目級別AAABCDE衛(wèi)星截至高度角10o10o10o10o10o10o同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)444444有效觀測衛(wèi)星總數(shù)20209644觀測時段數(shù)106421.61.6時段長度靜態(tài)720540240604540快速靜態(tài)雙頻+P碼1052雙頻全波151010單頻3020

15采樣間隔靜態(tài)30303010~3010~3010~30快速靜態(tài)5~155~155~15時段中任一衛(wèi)星的有效觀測時間靜態(tài)151515151515快速靜態(tài)雙頻+P碼111雙頻全波333單頻555四、GPS控制網測量234、GPS觀測過程天線安置

在控制測量中，天線應該用三角架或強制對中裝置直接安裝在標石中心垂直上方，對中誤差小于3mm，特殊情況進行偏心觀測，需要精確測定歸心元素；在覘標頂部安置天線進行測量時，卸掉覘標頂，按照投影點安置天線，投影示誤三角形邊長小于5mm;有尋常標的控制點安置天線前，應先放到尋常標；天線指北定向誤差小于3o~5o，以消除相位中心偏差；圓水準氣泡應該居中；天線高

1.5m，在三個不同方向上量高誤差小于3mm，時段測量前后分別量取,取平均結果作為天線高；四、GPS控制網測量24觀測作業(yè)觀測小組嚴格嚴格按照調度指令，按照規(guī)定時間進行作業(yè)；檢查接收機和主機連接無誤后，方可開機測量測量過程應該嚴格填寫測量手??；開始測量后和測量過程中，測量人員不得離開測站，并且應該隨時檢查接收衛(wèi)星狀態(tài)和測量信息；各時段開始和結束時，應記錄觀測衛(wèi)星號、天氣、PDOP等；測量過程中，應嚴防被接收機碰撞、信號遮擋等事情發(fā)生；觀測過程中，50m內不準使用電臺，10米內不準使用對講機；接收機的防熱很困難，但應該防止電子手薄和主機直接被太陽照射；四、GPS控制網測量255、GPS作業(yè)模式靜態(tài)相對定位作業(yè)方法

將兩臺或多臺GPS接收機安置在基線的兩端，同步觀測4顆以上衛(wèi)星，觀測時間在45min以上。精度

基線相對定位精度可達5mm+1ppmD。特點

觀測精度和可靠性較高，主要用于國家級大地控制網的建立、地殼運動或工程變形監(jiān)測網、精密工程控制網。四、GPS控制網測量26快速靜態(tài)定位作業(yè)方法在測區(qū)中央的某一基準站上，安置接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，另一臺接收機依次到各站進行測量。觀測時間

雙頻接收機同步觀測5~10min，單頻觀測15min,接近靜態(tài)相對定位測量模式的精度。特點

具有速度快、精度高、能耗低等特點，但構不成閉合環(huán)，可靠性底，主要用于一般控制網的建立和加密、工程測量、地籍測量和碎步測量。四、GPS控制網測量27準動態(tài)定位作業(yè)方法在測區(qū)中央的某一基準站上，安置接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，另一臺接收機首先到第一點觀測2min，然后在不失鎖的情況下到其他站觀測幾秒鐘即可。精度

基線解算精度為1~2cm。應用主要用開闊地區(qū)的一般控制網測量、工程測量、地籍測量和碎步測量等。四、GPS控制網測量28動態(tài)定位作業(yè)方法在測區(qū)中央的某一基準站上，安置接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，另一臺接收機安裝在運動載體上，出發(fā)前先觀測幾分鐘，然后隨著載體的運動按照指定時間間隔進行測量即可。精度

相對于基準點的精度為1~2cm。應用主要用軌跡測量、剖面測量、航道測量和路線中線測量等。距離小于20km，同步觀測五顆以上衛(wèi)星。四、GPS控制網測量29實時動態(tài)定位（RealTimeKinematic,RTK）作業(yè)方法在某一基準站上，安置接收機連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星，另一臺接收機接收基準站數(shù)據(jù)，實時顯示和計算流動站坐標。應用主要用導航測量、航空測量、航道測量和路線中線測量等。距離小于20km。四、GPS控制網測量30五、GPS觀測成果檢核同一時段觀測數(shù)據(jù)的剔除

應該剔除觀測時間過短、信噪比過大的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)剔除率小于10%。同步環(huán)檢測同步環(huán)各邊的坐標差分量之和應滿足：其中：為由儀器標稱精度得到的基線距離中誤差。31異步環(huán)檢測異步環(huán)各邊的坐標差分量之和應滿足：其中：為由儀器標稱精度得到的基線距離中誤差。五、GPS觀測成果檢核32重復基線檢測B級網以下各級GPS網，同一條邊任意兩時段的邊長之差

d應滿足：其中：為由儀器標稱精度得到的基線距離中誤差。成果檢核不合格者，應該根據(jù)情況重測一條基線邊或一個網五、GPS觀測成果檢核33數(shù)據(jù)采集GPS網與地面網聯(lián)合處理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實時定位基線解算數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)粗加工GPS數(shù)據(jù)處理基本流程六、GPS控制網平差341、GPS測量數(shù)據(jù)粗加工數(shù)據(jù)傳輸

將存儲在接收機內存或數(shù)據(jù)卡上的數(shù)據(jù)通過電纜線或讀卡器，傳輸?shù)接嬎銠C上。數(shù)據(jù)分流

將觀測數(shù)據(jù)按照類別歸入不同的數(shù)據(jù)文件中，主要有以下四種文件：

觀測值文件包含觀測歷元、C/A碼偽距、載波相位、積分多普勒計數(shù)、信噪比等信息。六、GPS控制網平差35

星歷參數(shù)文件包含被測衛(wèi)星的軌道信息，據(jù)此可以計算任意觀測時刻的衛(wèi)星軌道位置信息。電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件電離層參數(shù)可用于改正觀測值的電離層影響，UTC參數(shù)文件將GPS時間轉換為UTC時間；測站信息文件包含測站信息和觀測信息，如測站名、概略坐標、天線高、觀測起止時間等信息。六、GPS控制網平差362、GPS測量數(shù)據(jù)的預處理目的

對數(shù)據(jù)進行平滑濾波檢驗，剔除粗差刪除無效無用數(shù)據(jù)；

統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，將不同接收機的數(shù)據(jù)轉換為彼此兼容的數(shù)據(jù)格式；

GPS衛(wèi)星軌道方程的標準化，用多項式擬合星歷數(shù)據(jù)；探測并修復周跳；對觀測值進行各種模型改正，如電離層改正等；六、GPS控制網平差372、GPS測量數(shù)據(jù)的預處理內容

GPS衛(wèi)星軌道方程的標準化衛(wèi)星時鐘多項式的擬合和標準化初始整周模糊度的預計和整周跳變的發(fā)現(xiàn)與修復觀測值文件的標準化記錄格式、記錄類型、記錄項目的標準化采樣密度標準化數(shù)據(jù)單位標準化目前，GPS觀測文件標準化尚無統(tǒng)一標準，不同處理軟件提供不同技術標準。六、GPS控制網平差383、基線向量解算和網平差將載波相位觀測值進行線性組合，以雙差值作為觀測值，組成誤差方程根據(jù)誤差方程求出法方程，進行基線平差解算；解算以基線的坐標差為未知參數(shù)進行解算；將解算得到的WGS84坐標，通過公共點坐標轉換，歸算到國家或地方坐標系內。六、GPS控制網平差39七、GPS測量技術總結1、技術總結

項目名稱、測量目的、施測單位、作業(yè)時間和人員情況測區(qū)范圍、位置、地理和人文條件、交通、氣象等測區(qū)已有測量資料的檢核、使用情況坐標系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)的選定，作業(yè)依據(jù)和測量精度要求

GPS接收機的類型、數(shù)量和技術參數(shù)、儀器檢驗情況選點埋石的情況、點之記等觀測情況、補測和重測情況觀測數(shù)據(jù)質量分析和野外檢核數(shù)據(jù)處理方法、平差軟件和精度分析成果相關問題說明和附表402、成果驗收

測量方案是否符合規(guī)定和技術設計要求補測、重測和數(shù)據(jù)剔除是否合理數(shù)據(jù)處理軟件是否符合要求，處理項目是否齊全，起算數(shù)據(jù)是否正確；各項技術指標是否達到要求驗收報告的質量評定七、GPS測量技術總結413、上交資料

測量任務書和技術設計

GPS網展點圖

GPS控制點的點之記、測站環(huán)視圖衛(wèi)星可見性圖、預報表和觀測計劃原始數(shù)據(jù)文件、觀測手薄和相關記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的質量評價和外業(yè)檢核資料數(shù)據(jù)處理資料和成果表技術總結和成果驗收報告七、GPS測量技術總結42八、GPS平面坐標轉換1、GPS定位成果至國家/地方參考橢球的二維轉換GPS定位成果是三維的基線向量，它又構成GPS基線網。二維轉換的目的將三維GPS基線向量網投影到國家大地坐標系或地方獨立坐標系，使二者之間相互兼容。二維轉換的要點使兩個坐標系之間的原點重合，起始方位一致，通過尺度的縮放使邊長和坐標一致。簡單的講，就是七參數(shù)坐標轉換：三個平移參數(shù)、三個旋轉參數(shù)和一個尺度因子。431、GPS定位成果至國家/地方參考橢球的二維轉換

GPS三維基線向量網的平移變換設原點在國家大地坐標系和WGS84下的坐標為(X0,Y0,Z0)和(X'0,Y'0,Z'0),則兩個坐標系之間的平移參數(shù):

X=X0-

X'0

Y=Y0-

Y'0

Z=Z0-

Z'0然后根據(jù)三個平移量將兩個坐標系原點平移到重合位置.八、GPS平面坐標轉換44

GPS網在國家大地坐標系內的二維投影變換利用克里斯托夫第一類微分方程可得:由于dB0=0,dL0=0并忽略尺度差異(dS/S=0),則方位角差異:

dA0=A0-A'0則克里斯托夫第一類微分方程可簡化為:八、GPS平面坐標轉換45

GPS網投影變換到地方獨立坐標系地方參考橢球可以認為與國家橢球只存在長半徑的差異,則引入測區(qū)平均高程面帶來的大地經緯度微小變化:其中為國家參考橢球長半徑,e為第一偏心率:則GPS點在地方參考橢球上的坐標:八、GPS平面坐標轉換461、GPS定位成果至國家/地方參考橢球的三維轉換

三維轉換就是使GPS網在原點和空間起始方位上完全重合,其平移變換和二維網平移變換一致.GPS網的旋轉和變換三維轉換公式為:其中:八、GPS平面坐標轉換47GPS網的旋轉和變換其中:其中、分別為兩個坐標系下起始方向上的方位角和高度角。八、GPS平面坐標轉換48（一）高程系統(tǒng)

九、GPS高程擬合1、大地高系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)。某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一般用符號H表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，同一個點，在不同的基準下，具有不同的大地高。49（一）高程系統(tǒng)

2、

正高系統(tǒng)正高系統(tǒng)是以大地水準面為基準面的高程系統(tǒng)。某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準面的交點之間的距離，正高用符號Hg表示。

3、

正常高正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)。某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離，正常高用Hr表示。

九、GPS高程擬合50大地水準面到參考橢球面的距離，稱為大地水準面差距，記為hg。似大地水準面到參考橢球面的距離，稱為高程異常，記為

。大地高與正高之間的關系可以表示為：大地高與正常高之間的關系可以表示為：

4、

高程系統(tǒng)之間的轉換關系

九、GPS高程擬合51（二）GPS高程轉換1、地球重力場模型直接求高程異常高程異常的求取

根據(jù)重力場長波分量、已知點大地數(shù)準面高差、球諧函數(shù)表達式、地面重力測量結果。高程異常的精度

取決于重力場的精度、重力測量的密度和精度、內插求重力的高程精度。應用

對于水準測量困難地區(qū)重力測量方法比較可靠，可以達到厘米級的精度，但其對重力測量要求較高，一般無法滿足工程要求。九、GPS高程擬合522、數(shù)學模型擬合法基本原理

通過水準聯(lián)測求得若干GPS點的正常高高程，則可以得到這些點的高程異常，然后通過數(shù)學內插的方法求出GPS網中任意一點的高程異常，從而求出GPS點的正常高。