Transcript GPS测量数据处理 - 空间定位与导航工程研究所

GPS测量与数据处理
黄劲松
武汉大学 测绘学院
©2005~2012. 黄劲松 武汉大学 1
测绘学院
第三章 GPS测量的技术设计
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测绘学院
本章内容
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概述
GPS网的精度和密度设计
GPS网的基准设计
GPS网的布网形式
GPS网的图形设计
GPS网的设计准则
GPS网的设计指标
技术设计书的编写
3
1. 概述
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1.1 技术设计及其作用
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技术设计的内涵
• 技术设计
– 依据：GPS网的用途及用户的要求，GPS测量
规范（规程），
– 内容：基准、精度、密度、网形及作业纲要
（如观测的时段数、每个时段的长度、采样间
隔、截止高度角、接收机的类型及数量、数据
处理的方案）的具体规定和要求。
• 技术设计的作用
– 提供了建立GPS网的技术准则，
– 项目实施及成果检查验收时的技术依据
6
技术设计的过程
• 确定设计的技术依据
• 进行技术设计
– 精度设计
– 密度设计
– 基准设计
– 图形（结构）设计
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1.2 技术设计的依据
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技术依据
• 测量任务书或测量合同书
• GPS测量规范及规程
• 其他规范及规程
9
GPS测量规范及规程①
• 现有规范、规程
– 全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T 18314-2009
国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会，
2009年。
– 全球定位系统（GPS）测量规范，GB/T18314-2001，
国家质量技术监督局，国家标准，2001
– 全球定位系统（GPS）测量规范，CH2001-92，国家
测绘局，1992
– 全球定位系统（GPS ）测量型接收机检定规程 ，国家
测绘局， CH8016-1995
– 全球定位系统城市测量技术规程，CJJ 73-97，建设部，
行业标准，1997
–…
10
GPS测量规范及规程②
11
GPS测量规范及规程③
• 规范的内容 – 国家测量规范的内容
12
GPS测量规范及规程③
• 规范的内容 – 城市测量技术规程
13
其他规范及规程
• 若暂无与工程相对应的GPS规范时，可参
照与该工程对应的常规测量规范中的质量
要求，然后以此为依据，套用GPS规范
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测量任务书或测量合同书
• 测量任务书与合同书
– 测量任务书
• 测量单位的上级事业性单位主管部门下达的具有强制性约束力的文件。
• 常用于下达计划指令性任务。
– 测量合同书
• 由业主方（或上级主管部门）与测量实施单位所签订的合同，具有法
律效力。
• 市场经济条件下广泛采用的一种形式。
• 测量任务书和合同书的作用
– 测量单位必须按照规定的项目目的、用途、范围、精度、密度等
进行施测，按时提交合格的成果及相关资料。
– 上级主管部门及业主方也应按规定及时拨（支）付作业费用，在
资料、场地、生活方面给予必要的协助和照顾。
– 技术设计必须保证所规定的各项技术指标均能得以满足，并在时
间和进度安排上留有余地。
15
与甲方的关系
• 积极了解甲方要求
– 网的用途及质量要求
• 积极与甲方进行沟通
– 成果内容及形式
– 质检指标
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2. 精度和密度设计
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GPS测量的等级①
• 我国GPS测量规范（ GB/T 18314-2009 ）
所规定的网的等级
级别
A
用途
国家一等大地控制网，全球性地球动力学研究，地壳形变测量和精密定轨等
国家二等大地控制网，地方或城市坐标基准框架，区域性地球动力学研究，地壳形
B
变测量，局部形变监测和各种精密工程测量等
C
三等大地控制网，区域、城市及工程测量的基本控制网等
D
四等大地控制网
中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制
E
测量等
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GPS测量的等级②
• 我国城市测量规程（CJJ 73-97 ）所规定
的网的等级
等级
平均距离(km)
a (mm)
b(10-6)
最弱边相对中误差
二等
9
≤10
≤2
1/12 万
三等
5
≤10
≤5
1/8 万
四等
2
≤10
≤10
1/4.5 万
一级
1
≤10
≤10
1/2 万
二级
<1
≤15
≤20
1/1 万
注：当边长小于 200 m 时，以边长中误差应小于 20 mm。
基线向量的弦长中误差：  a2   bd 2
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各级GPS测量的精度及密度要求
坐标年变化率中误差
级别
A
水平分量/
垂直分量/
(mm/a)
(mm/a)
2
3
相邻点基线分量中误差
级别
地心坐标各分量年平
相对精度
均中误差/mm
1108
0.5
相邻点平均距离/
水平分量/
垂直分量
mm
mm
B
5
10
50
C
10
20
20
D
20
40
5
E
20
40
3
km
20
精度和密度设计的原则
• 精度设计的原则
– 满足合同或任务书要求
– 满足规范要求
– 满足应用要求
• 密度设计的原则
– 根据工程项目的需要，而非网的规模大小或边
长的长短
21
3. GPS网的基准设计
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GPS网基准设计的内涵
• GPS网基准设计
– 指定GPS网所采用的坐标参照系（基准）
– 确定所采用的起算数据
• GPS网的基准
– 位置基准
– 尺度基准
– 方位基准
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坐标参照系设计
• 设计方法：根据布网的目的用途
– 城市控制网或工矿企业的独立控制网，起算点
的坐标采用上述坐标系中的坐标。
– 全球性的或区域性的地球动力学研究时，通常
采用ITRF坐标。
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位置基准设计①
• 决定位置基准的因素
– 网中“起算点”坐标
– 平差方法
• 确定位置基准的方法
– 选取网中一个点的坐标并加以固定或给以适当的权
（最小约束平差）。
– 网中各点坐标均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳
平差来确定网的位置基准 。
– 在网中选取若干个点的坐标并加以固定或给以适当的
权（约束平差）。
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位置基准设计②
• 独立网和附和网
– 独立网
• 采用最小约束平差、自由网伪逆平差或拟稳平差时，
网平差中仅引入了位置基准，无多余约束条件，对
网的定向和尺度无影响。
– 附合网
• 采用约束平差时，起算数据多于必要的起算数据数，
在确定网位置基准的同时也会对网的方向和尺度产
生影响。
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尺度基准设计
• 决定尺度基准的因素
– GPS网中的基线
• 地面测距边
• 已知点间的固定边
• GPS基线向量
• 确定尺度基准的方法
– 新建控制网：可直接由GPS基线向量提供尺度基准，即采用独立
网或固定一点一方位进行平差的形式，这样可以充分利用GPS技
术的高精度特性。
– 旧控制网加密或改造：采用附合网形式，已知点间的边长成为尺
度基准。
– 涉及特殊投影面（投影面非参考椭球面）的网：若在指定投影面
上没有足够数量控制点，则可以引入地面高精度测距边作为尺度
基准。
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方位基准设计
• 决定方位基准的因素
– 网中的起始方位角
– GPS基线向量
• 确定尺度基准的方法
– 利用旧网中的若干控制点作为GPS网中的已知
点进行约束平差
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基准设计的内容及原则
• 设计内容
– 平差方法
– 起算数据的类型、数量及分布
• 设计原则
– 满足项目要求
– 结合现有条件
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4. GPS网的布网形式
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跟踪站式
• 形式
– 每个点上设置一台接收机，长期固定安放在测
站上，进行常年、不间断的观测。
– 所有接收机的地位对等，无主次之分。
• 优点
– 精度和可靠性极高
• 缺点
– 需建立专门的永久性建筑即跟踪站，观测成本很高。
• 适用范围
– 一般用于建立GPS跟踪站或永久性的监测网（A级）。
31
会战式
• 形式
– 多台GPS接收机集中在一段不太长的时间内，共同作
业。
– 分批观测模式，即一段时间里所有接收机在同一批点
上进行多天、长时段的同步观测；然后，所有接收机
又都迁移到另外一批点上进行相同方式的观测，直至
完成所有点的观测。
– 有时也被称为分区观测。
– 所有接收机的地位是对等的，没有主次之分。
• 优点
– 精度和可靠性很高
• 适用范围
– B级网
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多基准站式
• 形式
– 有若干台接收机长期固定在某几个
点作为基准站进行长时间的观测，
与此同时，另外一些接收机则在这
些基准站周围相互之间进行网观测
模式或点观测模式的测量。
• 优点
– 各基准站间基线向量精度高，可作
为整个GPS网的骨架。
– 其余同步观测图形与各个基准站之
间也存在同步观测基线，图形结构
强。
网模式
点模式
• 适用范围
– B~E级网
多基准站式
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同步图形扩展式
• 形式
– 多台接收机在不同测站上进行同步观测，
在完成一个时段的同步观测后，又迁移到
其它的测站上进行同步观测，每次同步观
测都可以形成一个同步图形，在测量过程
中，不同的同步图形间一般有若干个公共
点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。
• 优点
– 扩展速度快，图形强度较高，作业方法简
单。
• 适用范围
– B~E级网
同步图形的扩展
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单基准站（星形网）式
• 形式
– 以一台接收机作为基准站，连续开机观测，其余接收机在其周围
流动观测，流动接收机之间一般不要求同步。
– 流动接收机每观测一个时段，就测得一条与基准站间的同步观测
基线，所有同步基线形成一个以基准站为中心的星形。
• 优点
– 效率高。
• 缺点
– 图形强度弱，可靠性低。
• 适用范围
– 不适用于等级GPS控制网测量，
– 可用于对可靠性要求不高的等外GPS测量 。
单基准站式的布网
35
确定布网方案应顾及的问题
•
•
•
•
网的质量要求
所具备仪器的数量
测区测绘基础设施（是否可利用CORS）
网点的分布形态
– 面状还是带状
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5. GPS网的图形设计
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GPS网的基本图形
•
•
•
•
三角形
多边形
附合导线形
星形
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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
• 提高图形强度的方法
– 加测对角线
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多边形网
• 定义
– 以多边形（边数≥4）作为基本图形
• 特点：
– 效率高，工作量较小，
– 图形强度虽不如三角形网
• 保证及提高图形强度的方法
– 对多边形边数加以限制
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附和导线网
• 定义
– 以附和导线（或称附和路线）作为基本图形
• 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
• 保证及提高图形强度的方法
– 对多边形边数加以限制，仍能保证一定的强度
41
星形网（单基准站）
• 定义
– 从一个已知点上分别与各待定点进行
相对定位（待定点间一般无联系）
• 特点
– 作业速度快，但抗粗差能力极差
• 提高可靠性的方法
– 从两个已知点（基准站）上对同一待
定点（流动站）进行观测；适当复测
• 应用
– 界址点、碎部点和低等级控制点（图
根点）
• 工作模式
– Go and Stop
– RTK
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多基准站
• 定义
– 两台以上的接收机（基准站）固定不间断观
测，其余接收机流动观测（待定点间一般无
联系）
• 特点
– 抗粗差能力较差
• 应用
– 界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）
• 工作模式
– Go and Stop
– RTK
• 提高可靠性的方法
– 适当复测
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6. GPS网的设计准则
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GPS网设计的出发点
• 前提
– 保证质量
• 目标
– 提高效率
– 降低成本
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GPS网设计的特点
• 常规控制网图形设计
– 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
– 观测设计（同步观测图形、重复观测次数、观
测参数设置、观测时长要求）
– 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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网形与GPS网质量的关系①
• 如果假定对应基线向量的质量一样，则在
下面两个图形中，对应各点的可靠性和精
度是完全一样的
1
2
1
2
3
4
3
5
4
5
47
网形与GPS网质量的关系②
• 网的形状对GPS网的质量没有直接影响
对于上述两个网形，如果对应基线的质量相同，则两个网的质量也相同。
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网形与GPS网质量的关系③
• 两点重要提示
– GPS网的图形强度（可靠性）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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重复设站与复测边
• 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
3
重测边（基线）
4
5
第一时段
1
第二时段
注：以上两点也可看作是
GPS网测量的要求
2
6
50
提高GPS网可靠性的方法
• 增加观测时段数（增加独立基线数）
• 保证一定的重复设站次数
• 保证每个测站至少与三条以上的独立基线
相连，这样可以使得测站具有较高的可靠
性
• 在布网时要使网中所有最简异步环的边数
不要过多
等级
B
C
D
E
闭合环和附合导线的边数
≤6
≤6
≤8
≤10
各级GPS网中最简独立闭合环或附和导线的边数要求
51
提高GPS网精度的方法
• 对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得直接观
测基线。
• 可以在全面网之上建立框架网，以框架网作为整个GPS网
的骨架。
• 在布网时要使网中所有最简异步环的边数要过多。
• 在建立GPS网时，引入高精度激光测距边，作为观测值与
GPS观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作
为起算边长。
• 若要采用高程拟合的方法，测定网中各点的正常高或正高，
则需在布网时，选定一定数量的水准点，水准点的数量应
尽可能多，且应在网中均匀分布，还要保证有部分点分布
在网中的四周，将整个网包围起来。
• 在网中增设长时间、多时段的基线向量。
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短边必测
• 网中距离较近的点间要进行直接观测（短
边必测）
短边必测
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框架网的采用
• 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，然后再部分项目所要求等级的
全面网
框架网
全面网
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起算数据的选取与分布
•
起算点的选取与分布
– 若要求新旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好；
– 若不要求新旧成果完全吻合，则一般可选3~5个起算点，用于基
准转换和检核；
– 起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围，要避免所有的起算点
分布在网中一侧的情况。
•
起算边长的选取与分布
– 若需要将所建立的GPS网成果投影到某一指定的高程面上，可以
采用高精度激光测距边（已归算到指定高程面上）作为起算边长，
数量为3~5条，可设置在网中任意位置，但激光测距边两端点的
高差不应过分悬殊。
•
起算方位的选取与分布
– 在采用GPS技术建立独立坐标系下的控制网时，可以引入起算方
位，但起算方位不宜太多，起算方位可设置在网中任意位置。
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7. GPS网的设计指标
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GPS网的特征值
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理论最少观测时段数
• 定义
– 理论最少观测时段数是在满足所规定的重复设
站次数要求的前提下，完成GPS网外业观测理
论上所需的最少观测时段数。
• 计算公式
Smin  ceil  n  m N 
理论最少观
测时段数
点数
接收机数
重复设站
观测数
58
设计时段数
• 定义
– 按照设计的外业观测方案完成GPS网的观测所
需的观测时段数，称为设计时段数，用符号SD
表示。
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基线总数
• 定义
– 通过外业观测所测得所有基线的数量
• 计算公式
BA  S  N   N 1 2
基线总数
接收机数
观测时段数
60
独立基线数
• 定义
– 通过外业观测所测得独立基线的数量
• 计算公式
BI  S   N 1
基线总数
接收机数
观测时段数
61
必要基线数
• 定义
– 建立网中所有点之间相对关系所必须的基线数
• 计算公式
BN  n 1
基线总数
点数
62
多余基线数
• 定义
– 独立基线数与必要基线数之差
• 计算公式
BR  BI  BN  S  N 1   n 1
多余基线数
63
效率指标
• 定义
– 理论最少观测时段数与设计观测时段数的比值，
称之为效率指标（e）。
• 计算公式
e
smin
sD
64
可靠性指标
• 定义
– 整网的多余基线数与独立基线总数的比值，称
为整网的平均可靠性指标（）
• 计算公式

BR
BA
65
精度指标
• 根据网的结构可以得到GPS网的协因数阵
Q=(BTPB)-1，在GPS网的设计阶段可以采
用sqrt(tr(Q))作为衡量GPS网整体精度的指
标。
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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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课堂测验
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课堂测验
• 什么是观测时段，什么是时段长度？
• 若某GPS网由100个点组成，要求每点设站
次数不小于2，若6台GPS接收机进行观测，
问：
– 至少需要进行多少个时段的观测Smin？此时，总
基线数BA、独立基线数BI、必要基线数BN、多余
基线数BR各为多少？
– 若时段长度为2h，每天工作时间为8h（离开驻
地到返回驻地的时间），此网至少需要多少天
才能观测完成？（请说明预估依据）
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