GPS測量原理及應用

1 GPS 測量原理及應用測量原理及應用 學習指導學習指導 一 控制網(wǎng)執(zhí)行的技術標準一 控制網(wǎng)執(zhí)行的技術標準 1 全球定位系統(tǒng) GPS 測量規(guī)范 GB T 18314 2001 中華人民共和國國家標準 2 國家三 四等水準測量規(guī)范 GB12898 1991 中華人民共和國國家標準 3 技術設計書 二 使用儀器二 使用儀器 測量采用的 GPS 接收機型號及其標稱精度 三 布網(wǎng)方案三 布網(wǎng)方案 1 布網(wǎng)要求布網(wǎng)要求 GPS 網(wǎng)相鄰點間基線中誤差按下式計算 式中 mm 為固定誤差 ppm 為比例誤差系數(shù) km 為相鄰點間的距離 GPS E 級網(wǎng) 的主要技術要求應符合表 1 規(guī)定 相鄰點最小距離應為平均距離的 1 2 1 3 最大距離應 為平均距離的 2 3 倍 表 1 GPS 網(wǎng)的主要技術要求 級 別平均距離 km mm 1 10 6 最弱邊相對中誤差 E 級0 2 5 10 201 45000 注 當邊長小于 200m 時 邊長中誤差應小于 20mm 2 布網(wǎng)原則與網(wǎng)形設計布網(wǎng)原則與網(wǎng)形設計 1 GPS 網(wǎng)應根據(jù)測區(qū)實際需要和交通狀況進行設計 GPS 網(wǎng)的點與點間不要求每點 通視 但考慮常規(guī)測量方法加密時的應用 每點應有 1 2 個通視方向 2 2 在布網(wǎng)設計中應顧及原有測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用 對凡符 合 GPS E 級網(wǎng)布點要求的舊有控制點 應充分利用其標石 3 GPS 網(wǎng)應由若干個獨立觀測環(huán)構成 也可采用附合線路構成 E 級 GPS 網(wǎng)中每個 閉合環(huán)或附合線路中的邊數(shù)應符合表 2 的規(guī)定 非同步觀測的 GPS 基線向量邊 應按所設計的網(wǎng)圖選定 也可按軟件功能自動挑選獨 立基線構成環(huán)路 表 2 閉合環(huán)或附合線路邊數(shù)的規(guī)定 級 別E 級 閉合環(huán)或附合線路邊數(shù) 條 10 4 為求定 GPS 點在 54 北京坐標系中的坐標 應與當?shù)?54 北京坐標系中的原有控制 點聯(lián)測 聯(lián)測總點數(shù)不得少于 3 個 5 為了求得 GPS 網(wǎng)點正常高 應進行水準測量的高程聯(lián)測 高程聯(lián)測采用等級水準 測量方法進行 聯(lián)測的 GPS E 級控制點且應均勻分布于網(wǎng)中 四 選點與標石埋設四 選點與標石埋設 1 選點 選點 在了解任務 目的 要求和測區(qū)自然地理條件的基礎上 進行現(xiàn)場踏勘 最后進行選 點 選點應符合下列要求 1 點位的選擇應符合技術設計要求 并有利于其它測量手段進行擴展與聯(lián)測 2 點位的基礎應堅實穩(wěn)定 易于長期保存 并應有利于安全作業(yè) 3 點位應便于安置接收設備和操作 視野應開闊 視場內周圍障礙物的高度角一般 應小于 15 4 點位應遠離大功率無線電發(fā)射源 如電視臺 微波站等 其距離不得小于 200m 并應遠離高壓輸電線其距離不得小于 50m 以避免周圍磁場對衛(wèi)星信號的干擾 5 點位附近不應有對電磁波反射 或吸收 強烈的物體 以減少多路徑效應的影響 6 交通應便于作業(yè) 以提高作業(yè)效率 7 應充分利用符合上述要求原有的控制點及其標石 但利用舊點時應檢查舊點的穩(wěn) 定性 完好性 符合要求方可利用 8 選好點后應按合理的方法給 GPS 點編號 此外 有時還需考慮測區(qū)內的通訊設施 電力供應等情況 以便于各點之間的聯(lián)絡和 設備用電或充電 綜上所述 結合測區(qū)的實際情況 GPS 控制點宜布設在較高的永久性建筑物 山頂及 其它符合要求的地方 或已成型的較寬的城市主干道 路口或其它較開闊而又穩(wěn)固的建 構 筑物上 3 2 標石埋設 標石埋設 1 E 級 GPS 點的標石及標志規(guī)格參見附錄 D 標石的中心標志用銅材料制作 標志 中心應刻有清晰 精細的十字絲 2 地面 E 級 GPS 點標石可用混凝土預先制作 然后運往各點埋設 埋設時坑底填以 沙石 搗固夯實或澆灌混凝土底層 樓頂 E 級 GPS 點標石應現(xiàn)場澆灌 澆灌前應將樓面磨 出新層 打毛 釘上 3 4 顆鋼釘 再套模澆灌 3 埋石結束后應填寫 GPS 點之記 4 待標石埋設穩(wěn)定 沒有下沉 或現(xiàn)場澆灌的標石凝固后 2 3 天方可觀測 五 作業(yè)要求五 作業(yè)要求 1 基本技術要求基本技術要求 為保證 GPS 測量精度 采用載波相位靜態(tài)相對定位作業(yè)模式 E 級 GPS 測量作業(yè)的基 本技術要求應符合表 3 的規(guī)定 表 3 E 級 GPS 測量作業(yè)的基本技術要求 級 別 衛(wèi)星截止高度 角 有效觀測 衛(wèi)星數(shù) 平均重復 設站數(shù) 時段長度 min 數(shù)據(jù)采樣 間隔 s PDOP 值 E 級 15 4 1 6 4015 10 注 1 觀測時段長度應視點位周圍障礙物情況 基線長短而作調整 2 可不觀測氣象要素 但應記錄雨 晴 陰 云等天氣狀況 2 GPS 衛(wèi)星預報和觀測調度計劃衛(wèi)星預報和觀測調度計劃 1 保證 GPS 作業(yè)觀測工作順利進行 保障觀測成果達到預定的精度 提高作業(yè)工效 在進行 GPS 外業(yè)觀測之前 應事先編制 GPS 衛(wèi)星可見性預報表 預報表應包括可見衛(wèi)星號 衛(wèi)星高度角和方位角 最佳觀測衛(wèi)星組 最佳觀測時間 點位圖形幾何強度因子等內容 2 編制預報表所用概略位置應采用測區(qū)中心位置的經(jīng) 緯度 3 作業(yè)組在觀測前應根據(jù)參加作業(yè)的 GPS 接收機臺數(shù) 網(wǎng)形及衛(wèi)星預報表編制作業(yè) 調度表 其內容應包括觀測時間 測站號 測站名稱以及接收機號等項內容 3 觀測準備觀測準備 1 每天出發(fā)工作前應檢查電池容量是否充足 儀器及其附件是否攜帶齊全 2 作業(yè)前應檢查接收機內存是否充足 3 天線安置應符合下列要求 作業(yè)員到測站后應先安置好接收機使其處于靜置狀態(tài) 然后再安置天線 4 天線可用腳架直接安置在測量標志中心的鉛垂線方向上 對中誤差應小于 3mm 天線應整平 天線基座上的圓水準所泡應居中 天線定向標志應指向正北 定向誤差不宜超過 5 4 觀測作業(yè)要求觀測作業(yè)要求 1 觀測組應嚴格按調度表規(guī)定的時間進行作業(yè) 以保證同步觀測同一衛(wèi)星組 當情 況有變化需修改調度計劃時 應經(jīng)作業(yè)隊負責人同意 觀測組不得擅自更改計劃 2 接收機電源電纜和天線應連接無誤 接收機預置狀態(tài)應正確 然后方可啟動接收 機進行觀測 3 各觀測時段的前后各量取天線高一次 兩次量高之差不大于 3mm 取平均值作為 最后天線高 記錄在手簿 若互差超限 應查明原因 提出處理意見記入手簿備注欄中 天線高是指觀測時天線平均相位中心至測站中心標志面的高度 分為上 下兩段 上 段是指相位中心至天線底面的高度 這是常數(shù) hc 由廠家給出 下段是從天線底面至測站 中心標志面的高度 由觀測員在現(xiàn)場采用傾斜測量方法直接量取 具體方法是 從三腳架三個空檔 互成 120 測量天線底盤下表面至測站中心標志面的距離 互 差應小于 3mm 取平均值為 L 天線底盤半徑為 R 再利用廠家提供的 hc 按天線高 求出 4 接收機開始記錄數(shù)據(jù)后 作業(yè)人員可使用專用功能鍵選擇菜單 查看測站信息 接收衛(wèi)星數(shù) 衛(wèi)星號 各通道信噪比 實時定位結果及存貯介質記錄情況等 5 儀器工作正常后 作業(yè)員及時 每隔 15min 逐項填寫測量手簿中各項內容 6 一個時段觀測過程中不得進行以下操作 關閉接收機以重新啟動 進行自測試 發(fā)現(xiàn)故障除外 改變衛(wèi)星截止高度角 改變數(shù)據(jù)采樣間隔 改變天線位置 按動關閉 文件和刪除文件等功能 7 觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站 并防止儀器受震動和被移動 防止人和其 它物體靠近天線 遮擋衛(wèi)星信號 8 接收機在觀測過程中不應在接收機近旁使用對講機和手機等通訊設備 雷雨過境 時應關機停測 并卸下天線以防雷擊 9 觀測中應保證接收機工作正常 數(shù)據(jù)記錄正確 每日觀測結束后 應及時將數(shù)據(jù) 下載到計算機硬 軟盤上 確保觀測數(shù)據(jù)不丟失 5 外業(yè)觀測記錄外業(yè)觀測記錄 1 錄項目應包括下列內容 錄項目應包括下列內容 測站名 測站號 觀測月 日 年積日 天氣狀況 時段號 觀測時間應包括開始與結束記錄時間 宜采用協(xié)調世界時 UTC 填寫至時 分 5 接收機設備應包括接收機類型及號碼 天線號碼 近似位置應包括測站的近似經(jīng) 緯度和近似高程 經(jīng) 緯度應取至 1 高程 應取至 0 1m 天線高應包括測前 測后量得的高度及其平均值 均取至 0 001m 觀測狀況應包括電池電壓 接收衛(wèi)星號及其信噪比 SNR 故障情況等 2 記錄應符合下列要求記錄應符合下列要求 原始觀測值和記事項目應按規(guī)格現(xiàn)場記錄 字跡要清楚 整齊 美觀 不得涂 改 轉抄 外業(yè)觀測記錄各時段結束后 應及時將每天外業(yè)觀測記錄結果錄入計算機硬 軟盤 接收機內存數(shù)據(jù)文件在下載到存貯介質上時 不得進行任何剔除與刪改 不得 調用任何對數(shù)據(jù)實施重新加工組合的操作指令 六 數(shù)據(jù)處理方案六 數(shù)據(jù)處理方案 1 基線解算及其質量檢驗 基線解算及其質量檢驗 1 基線解算以雙差固定解作為最終結果 雙差固定解的可靠性由以下兩項指標來判 別 即固定解的單位權中誤差 Rms 和整周模糊度檢驗倍率 Ratio 其檢驗值見表 4 根據(jù)表 4 判別時 Rms 必須首先符合要求 而 Ratio 值越大表示固定值越可靠 表 4 靜態(tài) GPS 基線固定解可靠性判別表 基線長度 km 5 5 10 10 Rms m 0 010 0 012 0 015 Ratio 2 5 2 1 2 0 2 同步多邊形閉合差檢驗 對于采用同一種數(shù)學模型的基線解 其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標分量相對閉 合差和全長相對閉合差不宜超過表 5 的規(guī)定 對于采用不同數(shù)學模型的基線解 其同步時段中任一三邊同步環(huán)的坐標分量閉合差和 全長相對閉合差按獨立環(huán)閉合差要求檢核 同步時段中的多邊形同步環(huán) 可不重復檢核 表 5 同步環(huán)坐標分量及環(huán)線全長相對閉合差的規(guī)定 1 10 6 等 級 限差類型 E 級 坐標分量相對閉合差 6 0 環(huán)線全長相對閉合差 10 0 3 重復基線邊檢驗 重復基線的長度較差不宜超過下式的規(guī)定 6 式中 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的精度 按實際平均邊長計算 4 獨立環(huán)閉合差檢驗 無論采用單基線模式或多基線模式解算基線 都應在整個 GPS 網(wǎng)中選取的獨立基線構 成獨立環(huán) 各獨立環(huán)的坐標分量閉合差和全長閉合差應符合下式的規(guī)定 式中 為閉合環(huán)邊數(shù) 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的精度 按實際平均邊長計算 2 補測與重測 補測與重測 1 無論何種原因造成一個控制點不能與兩條合格的獨立基線相連接 則在該點上應 補測或重測不得少于一條獨立基線 2 可以舍棄在重復基線較差 同步環(huán)閉合差 獨立環(huán)閉合差中超限的基線 但應保 證舍棄基線后的獨立環(huán)所含基線數(shù)不超過表 2 的規(guī)定 否則應重測該基線或者有關的同步 圖形 3 由于點位不符合 GPS 測量要求而造成一個測站多次重測仍不能滿足各項技術規(guī)定 時 可按技術設計要求另增選新點進行重測 3 GPS 網(wǎng)平差網(wǎng)平差 1 起算數(shù)據(jù)與坐標系統(tǒng) 首先要了解測區(qū)中央子午線經(jīng)度 起算數(shù)據(jù)的帶號 采用的坐標系等 如岳麓山校區(qū) 的起算數(shù)據(jù)為 3 度帶的 1954 北京坐標 則中央子午線經(jīng)度為 114 故采用 1954 北京坐 標系 取中央子午線經(jīng)度 L0 114 的 3 帶高斯投影 即有 參考橢球為克拉索夫斯基橢 球 長半徑 a 6378245m 扁率 1 298 3 中央子午線經(jīng)度 L0 114 00 00 高程系統(tǒng)采用 1985 國家高程基準 2 三維無約束平差 當 GPS 基線各項質量檢驗符合要求時 應以所有獨立基線組成閉合圖形 以三維基線 向量及其協(xié)方差陣作為觀測信息 以一個點的 WGS 84 系三維坐標作為起算依據(jù) 進行 GPS 網(wǎng)的三維無約束平差 以提供各 GPS 控制點在 WGS 84 坐標系下的三維坐標 各基線 7 向量三個坐標差觀測值的改正數(shù) 基線邊長以及點位和邊長的精度信息 并生成 GPS 高程 擬合的數(shù)據(jù)文件 在三維無約束平差中 基線向量的改正數(shù) V x V y V z 絕對值應滿足下式要求 V x 3 V y 3 V z 3 式中 為 E 級 GPS 控制網(wǎng)規(guī)定的基線的精度 當超限時 可認為該基線或其附近存在粗差基線 應采用軟件提供的方法或人工方法 剔除粗差基線 直至符合上式要求 3 二維約束平差 在無約束平差確定的有效觀測量基礎上 以起算數(shù)據(jù)中提供的已知點作為強制約束的 固定值 進行二維約束平差 平差結果就輸出各 GPS 控制點在前述的坐標系統(tǒng)中的二維平 面坐標 基線向量改正數(shù) 基線邊長 方位以及坐標 基線邊長 方位的精度信息 轉換 參數(shù)及其精度信息 約束平差中 應將已知坐標點組合成不同的約束條件 以發(fā)現(xiàn)作為約束的已知坐標與 GPS 網(wǎng)不兼容 即約束平差結果嚴重扭曲 GPS 無約束平差結果的精度 4 水準聯(lián)測 水準聯(lián)測 為滿足 GPS 控制網(wǎng)高程擬合的需要 GPS E 級控制點應聯(lián)測一定比例的四等水準 聯(lián) 測水準的 GPS 點均勻分布在測區(qū) 水準路線連接成水準網(wǎng) 5 GPS 點高程擬合計算點高程擬合計算 要精確計算各 GPS 點的正常高 目前主要有 GPS 水準高程 GPS 重力高程和 GPS 三角高程等方法 其中 GPS 水準高程是目前 GPS 作業(yè)中是常用的方法 用于 GPS 高程擬合 計算的方法主要是曲面擬合法 包括平面擬合法 多項式曲面擬合法 多面函數(shù)擬合法 曲面樣條擬合法 非參數(shù)回歸曲面擬合法和移動曲面法 七 提交成果七 提交成果 GPS 控制網(wǎng)的外業(yè)工作和數(shù)據(jù)處理工作結束后 應及時編寫技術總結報告 并上交資 料 1 技術總結報告應包含以下內容 技術總結報告應包含以下內容 1 工程概況 包括測區(qū)的范圍與位置 自然地理條件 氣候特點以及任務來源 測 區(qū)已有測量情況 項目名稱 施測目的和基本精度要求等 8 2 施測單位 施測起止時間 技術依據(jù) 作業(yè)人員情況 接收機類型 數(shù)量及檢驗 情況 觀測方法 重測 補測情況 作業(yè)環(huán)境 重合點情況 工作量與工日情況 3 野外數(shù)據(jù)檢核情況與分析 起算數(shù)據(jù)與坐標系統(tǒng)說明 數(shù)據(jù)后處理內容 方法與 軟件情況 平差結果精度分析 4 方案實施與規(guī)范執(zhí)行情況 5 各種附表與附圖 6 提交成果中尚存問題和需要說明的其它問題 2 GPS 測量任務完成后 應提交下列資料 測量任務完成后 應提交下列資料 1 E 級 GPS 控制網(wǎng)技術設計書 2 GPS 控制點的點之記 見附錄 B 3 GPS 控制網(wǎng)展點圖及通視圖 4 GPS 野外觀測原始數(shù)據(jù)及平差計算資料 5 GPS 野外測量作業(yè)調度表 見附錄