GPS网平差

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1、焦作地区 D 级控制网 GPS 测量 学生姓名： 张俊杰 学 号：200853103583 指导教师： 尹晖 专 业：工程测量技术 二一年十月 目 录 摘要 .II 第一章 概述 .1 1.1 GPS定位系统的现状与发展 .1 1.1.1 GPS的工作原理与平台构成 .1 1.1.2 卫星定位系统市场及在中国的发展趋势 .2 1.2控制测量的 概括 .3 1.2.1平面控制测 量 .3 1.2.2高程控制测量 .4 1.2.3控制网的布设原则 .4 第二章 焦作地区的 GPS测量 .5 2.1焦作地区的测量任务 .5 2.2 GPS D级网与 GPS一 级网设计 .5 2.2.1 GPS D级

2、点补埋与 GPS一级点选埋 .7 2.2.2 GPS控制网外业观测 .8 2.2.3 GPS基线向量解算及检核 .8 2.2.4 GPS网平差计算 .8 2.3 项目概 况 .9 2.4 GPS网的技术设计 .9 2.4.1 GPS网的构网 特点及方式 .10 2.4.2 GPS网的精度设计 .12 2.4.3 GPS控制网网形设计 .13 2.4.4 GPS网基准的设计 .13 2.5GPS测量测前准 备 .14 第三章 数据处 理与精度 分析 .15 3.1 GPS测量数据传输与格式转换 .15 3.2 GPS测量数据处理 .16 3.3 GPS测量精度 分析 . 16 结论与建议 .17

3、 参考文献 .18 摘要 应焦作市国土局邀请我单位在焦作地区做 D级控制网，于是单位派遣我们单位 到焦作市做 D级控制网的 GPS静态观测。在那里根据焦作市国土局招标书的要求， 对焦作地区进行 D级控制网的设计、埋石、观测、数据处理、数据导出。 这次的 D级控制网的 GPS观测对焦作地区的所有地方进行了布网，是最全面、 覆盖面积最广、观测时间最快、精度最高的观测。 关键词：GPS 控制网、数据处理、精度分析。 第一章 概述 1.1 GPS定位系统的现状与发展 全球定位系统（GPS）是由美国军方开发的高科技产品，原本专门应用于军事 目的。它的原始思维理念是，将参考的定位坐标系搬到天际上去。这样，

4、可在任何 时候、任何地方提供全球范围内三维位置、三维速度和时间信息服务。1996 年 2 月 29日 美国政府正式宣布将 GPS开放为军民两用系统，但仍实行 SA（可用性选 择）政策，故意劣化定位精度，使民用用户的应用受到限制。2000 年 5月 1日， 美国总统宣布将 SA置为零，这无疑在很大程度上促进民用 GPS应用的发展和普及。 GPS的民用领域已包括了陆地运输、海洋运输、民用航空、通信、测绘、建筑、 采矿、农业、电力系统、医疗应用、科研、家电、娱乐等等。因此，GPS 业界流行 这样一句话，“ GPS的应用只受到人们想像力的限制” 。如今，GPS 所达到的定位精 度范围已从 10M级到

5、MM级，其卫星上时钟源也已从铷原子钟过渡到铯原子钟和氢 脉泽时钟标准，工作寿命和精度大幅提高，可给世界各地提供精度为 11010 的参 考频率。据美国商务部统计，2000 年全球 GPS用户机的年销售额为 8090 亿美元。 到 2003年，GPS 民用产品将超过 160亿美元。可以毫不夸张地这样说，到达 2010 年以后，GPS 的应用产品将逐渐成为人们日常生活中不可缺少的一部分，也是各类 产品研发的基础平台。 1.1.1 GPS的工作原理与平台构成 在卫星应用初期，科学家就设想将运动物体的参照系搬到太空中。其物体的定 位原理是将此物体的瞬间立体目标位置坐标（X、Y、Z）用已确定相对距离的已

6、知 参考点所发出的极其精确的无线电脉冲时钟源来测定。这样，利用地面接收器已存 入的高等解析几何所构成的模型，就可建立三维位置量和一个时间量的算法方程。 GPS为全球用户提供了非常精确的三维定位信息，即速度信息、时间和频率参 考，这些信息是以个卫星的射频信号的时间测量为基础的。GPS 整个卫星系统平 台由 21颗工作卫星和 3颗备用卫星组成，卫星呈现出 55倾角均匀分布在 6个近 似于圆轨道内，轨道运行周期为 11h58min，轨道半径为 26 560km，这些轨道卫星 每日重复同样的地面轨迹。因此，在地球任意一处的用户将可以在其地平线上方 5范围内见到至少 4颗卫星，通过接收来自一颗卫星的信号

7、，用户在获知其具体位 置和高稳定度的频率标准的基础上，可以确定 GPS的时间和频率参考。卫星的载波 信号以两个波段频率（1 2276MH和 1 57542MH）来发射，这样可以修正 信号的时延，信号分别用码和 CA 码调制。P 码用于精确的时间测量，CA 码 使信号易于锁定，并使用了码分多址（CDMA）寻址的扩频调制技术，使得 GPS信号 通过一个偶极天线可以很容易地被接收。所有的卫星都是同步的，卫星上时钟源采 用的是铷原子钟或铯原子钟等高精度、高稳定的时钟振荡器。由此可见，超精度和 超稳定的时钟和稳定的空间构架平台是 GPS的两项关键技术。 从整体上说，GPS 主要由三大部分组成：空间部分、

8、控制部分、用户部分。空 间部分由卫星星座构成，控制部分由地面卫星控制中心进行管理；用户部分则由军 用和民用研发厂商开发、销售、服务。空间部分和控制部分目前均由美国国防部掌 握。 1.1.2 卫星定位系统市场及在中国的发展趋势 目前，GPS 的发展很迅猛，仅国际上的 GPS商业市场上就开发出了 460余种商 用产品，申请的有关专利已达上千个，用户对产品的更新周期要求为 1218 个月， 而 GPS应用的回报周期为 612 个月。现在已经可以根据用户的工作方式和使用需 求设计出体积小、功耗低、价格低廉的 GPS用户接收机。 近年来，GPS 的应用领域出现了一些值得注意的变化。其一，从军用产品为主

9、转变为以军民两用乃至以民用为主的产品。据报道，美国 GPS军用产品和民用产品 的销量比例为 1:20。其二，从少数部门应用快速进入了广泛应用，已经渗透入大 众日常生活范围中。其三，GPS 的应用迅速成为国民经济发展新的增长点。有关资 料报道，GPS 的消费产品将成为未来数个具有爆发性增长的市场热点。其四，GPS 产品由于其专用 IC集成电路的成熟以及其接收机 OEM板最低价格可达 10美元或者 10美元以下，将不断出现手持式、卡片式等产品，更可以嵌入方式灵活地与其他 消费品集成在一起，达到一种完美的集成产品。 GPS已与互联网、蜂窝移动通信网一起成为目前全世界发展最快的三大信息产 业，并与之相

10、互紧密组合。例如，由 GPS接收机采集数据信息，通过通信系统传送， 最后由互联网发布。在未来，GPS 技术与 GSM和 CDMA技术结合，将成为全球通信 发展的热点。 无论从军事竞争的需要还是民用的需求分析，GPS 皆已引起世界各国决策领导 层的关心，他们都意识到，谁能拥有覆盖全球的 GPS星际卫星网和 GPS控制网络， 谁就大大增强了国家基础实力和拥有了巨大的商业市场。正因为如此，俄罗斯前几 年尽管经济不太景气，却仍发射了 9颗属于 Glonass系统的全球导航卫星。而欧洲 也加快步伐筹建自己的全球导航卫星系统 Galileo系统。 中国继美国、俄罗斯、欧共体之后，也正加紧研制拥有自己主权的

11、全球定位 系统北斗导航系统。今年元月，中国已发射了该系统中的第二颗北斗导航试验卫 星。相信不久的将来，中国将拥有自己的全球定位系统。在 2000年第三届中国北 京高新技术产业国际周的中国国际地球空间信息产业技术及设备展览会上，已有很 多公司推出了 GPS车辆跟踪监控产品。 综上所述，GPS 产品的市场潜力极大，前景光明，如何及时有效地切入该市场， 是当前一个必须努力的方向。 1.2控制测量的概括 为限制测量误差的积累，保证必要的测量精度，使所测的每幅地形图精度均匀； 使各分区测绘的地形图能够拼接成一个整体；使工程建设中整体设计的工程建筑物 能够分区施工放样，就必须按照一定的测量原则首先在全测区

12、范围内选定一些控制 点，构成一定的儿何图形，用精密的测量仪器和精确的计算方法，在统一的坐标系 统中，确定它们的平面位置和高程，再以这些控制点为基础进行碎部测量和施工放 样等 。 传统的控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量确定控制点的平 面位置(x，y)，高程控制测量则确定控制点的高程(H)。 1.2.1、平面控制测量 测量控制点平面位置(x，y) 的工作，称为平面控制测量。平面控制网的建立， 传统方法主要有三角测量和导线测量，随着电子技术和航天技术的不断发展，全球 定位系统(GPS) 目前已广泛地应用于城市控制网的改造、控制点的更新和加密。 在地面上选定一系列点构成连续三角形，

13、若三角形向某一方向推进，这种图 形称为三角锁，如图 1 所示，若三角形向四面扩展成网状则称为三角网。测定各 三角形顶点的水平角，并根据起始边长、方位角、起始点坐标利用正弦定律来推求 各顶点平面位置的测量方法称为三角测量，这种控制点称为三角点，此控制网称为 三角网。 将地面上一系列点依相邻次序连成折线形式，如图 2 所示，并测定各折线边 的长度、转折角，再根据起始数据推求各点的平面位置的测量方法，称为导线测量， 这种控制点称为导线点，由它所连接而成的折线称为导线，此控制网称为导线网。 图 1 图 2 GPS 控制测量是将 GPS 接收机安置在控制点卜，通过接收卫星信号加以处理， 即可获得地面控制

14、点的位置，其定位原理可参见第一章第二节相关内容。 1.2.2 高程控制测量 测定控制点高程(H)所进行的测量工作，称为高程控制测量。传统高程控制网 主要采用水准测量、三角高程测量的方法建立。用水准测量方法建立的高程控制网 称为水准网。三角高程测量主要用于地形起伏较大、进行水准测量有困难的地区， 为地形测图提供高程控制。 1.2.3 控制网的布设原则 控制网具有控制全局、限制误差累积的作用，是各项测量工作的基础和依据。 控制网的布设应遵循整体控制、局部加密，高级控制、低级加密的原则。 国家制定了一系列相应的测量规范，对各种控制测量的技术要求做了详细的规 定。在测量工作中应严格遵守和执行测量规范。

15、 第二章焦作地区的 GPS测量 2.1焦作地区的测量任务 焦作市国土局发布的招标的焦作地区 D级控制网被我单位中标，根据招 标书内的要求，我单位必须在焦作地区 D级网点的间距在 5km10km,固定误差小于 10mm。在布网的过程中可以用焦作地区已有并保存完好的 C级控制网点。招标书内 规定在焦作地区的 D级控制网点不少于 800个。要在 5个月内完成出成果并通过检 核。 2.2 GPS D级网与 GPS一级网设计内容 GPS D级控制网的检测、联测与一级控制网的设计、选埋、测算均按照相关技 术规范和规定执行，各级控制网中，采用的起算点应分布均匀，有足够的精度控制 范围，GPS D 级控制网与

16、 GPS一级控制网应有足够的网形强度，选埋、观测的具技 术指标见表 1。 表 1 GPS 控制网基本技术要求 GPS网等级 项目 指标 D级 一级 闭合环或符合路线的边数 8 10 相邻点最大距离 km 5 2 相邻点最小距离 km 1 0.1 相邻点平均距离 km 2 0.25 GPS网设计 GPS网点布设平均密度点km 2 20 固定误差 a mm 10 15 标准差 参数 比例误差 b ppm 10 10 GPS测量模式 快速静态 快速静态 卫星高度角 15 15 数据采样间隔 s 15 15 有效观测卫星数 5 5 PDOP 6 6 观测时段长度 min 20 15 GPS 观测 平均

17、重复设站数 2 1.6 坐标分量相对闭合差 ppm 6.0 9.0 精度评定 环线全长相对闭合差 ppm 10.0 15.0 (1) 相邻点空间距离观测精度用公式 1.1表示。 = a2+(bd)2 式中： 标准差， mm。 a固定误差， mm。 b比例误差， ppm。 d相邻点间距离，km。 a、 b取值见表 1.1。 GPS测量大地高的精度、a、b 亦按表 1.1规定执行。 (2) GPS点编号与命名 GPS D级控制点原网已命名，如需新布设，点名采用点位所在地的地理名称如 村名、山名、地名、单位名，应向当地政府部门、群众进行调查后确定，点名一律 采用规范化汉字表述。当利用原有旧点时，点名

18、不宜更改。点号编排应适应于计算 机计算。 GPS一级点命名规则：冠以“I” ，后跟自然数流水编号作为相应点名。 (3) GPS网应由非同步观测边构成闭合环，每个闭合环边数的要求按表 1.1执行， 各级网组成闭合环应相对独立。 2.2.1 GPS D级点补埋与 GPS一级点选埋 (1) 各等级 GPS点位密度应满足表 1.1的基本要求。 (2) GPS点位应选在交通便利的地方，便于作业观测及其它测量手段利用。 (3) 点位周围应视野开阔、便于操作，视场内不应有高度角大于 15的成片 障碍物，点位应远离有整片幕墙玻璃的高大建筑物，远离大片平静水面，以降低多 路径效应对 GPS卫星信号的影响。 (4

19、) 点位应远离高压线和大功率无线电发射源，离高压线的水平距离不小于 50m，而与无线电发射源的水平距离不小于 200m。 (5) 选点时每整幅 1500 图内（40cm50cm）应有一个 GPS一级点（包含 GPS D级控制点） ，GPS D 级点之间不要求通视，但每个 GPS一级点需两两通视，即 每个 GPS一级点需有相邻的二个同级或高级点作为通视方向。当个别点地处复杂地 区，通视困难时允许只有一个相邻点通视。 (6) GPS D级补埋点与 GPS一级控制点的标石制作规格、标石埋设均按城市 测量规范的要求执行。GPS D 级点标石的柱石顶面应刻绘“GPS D”以及埋石年 代，并描绘红漆。GP

20、S D 级点无论是新埋设点还是利用旧标石，均需在点旁埋设警 示桩（调查区内） 。 (7) GPS D级点与 GPS一级点应尽量布设在平地或小山包上，便于三、四等水 准联测。 (8) 不论新埋点或利用原有旧点，均应在实地绘制点之记和标志委托保管书。 新补埋的 D级点点之记除按城市测量规范要求绘制外，还应标明交通路线。标 志委托保管手续由委托方办理。 2.2.2 GPS控制网外业观测 (1) 外业 GPS观测采用双频接收机，接收机应在使用前一年内进行检定，并提 交检定合格证明资料。 (2) GPS观测采用快速静态定位模式进行作业，观测要求应满足规定。观测时， 应视卫星信号情况、点位环境和基线长度等

21、因素的影响，必要时适当延长观测时间。 (3) 观测过程中，人员应尽量不靠近天线，且不要在天线附近走动和使用对讲 机，使用对讲机应离天线 10米以上。 (4) 雷雨天气应停测，并卸下天线。 (5) 正确量取并记录天线高，并要求测前、测后量取两次，取平均值为天线高， 两次量取差值不得超过 3mm，否则应重新设站观测。天线高记录不得划改。 (6) 在 GPS观测时，每个测站均要求用观测手簿进行记录，记录内容为：点名、 点号、观测者、记录者、天气、日期、时间、时段、天线高，接收机编号、天线编 号等，并将特殊情况记录在备注栏内，不要求记录气象元素。 2.2.3GPS基线向量解算及检核 (1) GPS观测

22、原始数据的记录、存贮及格式转换，须严格保证数据的正确与可 靠。GPS 观测数据应转换成 RINEX标准格式数据，然后采用严密、可靠的 GPS基线 处理软件（如 Leica公司的 SKI-PRO软件）解算和检核 GPS基线向量。 (2) 由若干条非同步边组成的异步环，其坐标差分量闭合差按公式 2.2进行计 算并执行： Wx 2 Wy 2 Wz 2 2.2nnn 式中： n为闭合环边数； 为 GPS基线空间距离标准差，其数值计算参见公式 2.1及表 2.1。 (3) 同一条基线边任何两个时段的成果互差，即重复基线互差，应小于接收机 标称精度的 2 倍。其中接收机标称精度按公式 计算。 d)(1pm

23、0 22 2.2.4 GPS网平差计算 (1) GPS网平差计算应使用严密、可靠的 GPS测量基线平差计算软件（如同济 大学测量系提供的 TGPPSW软件包）进行，以非同步观测的 GPS基线向量作为观测 值，并兼顾地面起始坐标，采用三维严密平差方法进行平差计算。 (2) GPS D级网平差时将杭州市区 GPS C级控制网点作为起算的固定点，采用 三维严密约束平差方法进行平差计算，获得杭州坐标系成果。将浙江省 GPS 基础 控制网点作为起算的固定点，采用三维严密约束平差方法进行平差计算，获得 1954年北京坐标系、1980 西安坐标系成果。 (3) 等级控制网平差计算完成后，应进行控制网精度评定

24、、统计计算，精度统 计包括以下内容： 控制网中同级相邻点间最小、最大距离。 最弱边相对中误差。 最大非同步观测基线向量边独立闭合环或附合路线边数。 独立基线构成的独立环坐标分量闭合差和全长闭合差及限差。 无约束平差中基线向量改正数绝对值及限差。 约束平差与无约束平差同名基线改正数较差及限差。 2.3 项目概况 应焦作市国土局邀请我单位在焦作地区做 D级控制网，于是单位派遣我们 7 人到焦作市做 D级控制网的 GPS静态观测。在那里根据焦作市国土局招标书的要求， 对焦作地区进行 D级控制网的设计、埋石、观测、数据处理、数据导出。 这次的 D级控制网的 GPS观测对焦作地区的所有地方进行了布网，是

25、最全面、 覆盖面积最广、观测时间最快、精度最高的观测。在短短的三个月内观测了近千个 D级 GPS控制网点，在规定的时间内提前完成任务 焦作市国土资源局承担的 D 级 GPS 三维大地测绘控制网项目，是为了促进“ 数 字焦作”、推进信息化测绘体系建设，服务焦作经济社会建设，构建“ 数字国土”地 理框架创建的测绘平台，该项目具备国家规定的“ 统一、标准、权威、唯一” 标准。 该项目立项的历史背景是：我们国家在上个世纪 50 年代为满足测绘工作的急需， 从前苏联 1942 普尔科夫坐标系传算过来的,采用克拉索夫斯基椭球体，建立起来北 京 1954 坐标系。该坐标系有以下缺点:椭球参数误差较大、定位偏

26、斜大、定向不明 确、没有进行整体平差。 这使得它不能满足现代大地测量和有关科学发展的需要。1978 年 4 月在西安 召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了 1980 年国家大地坐标系。1980 国家大地坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省 泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约 60 公里，故称 1980 年西安坐标系，又简称 西安大地原点。随着数字地球、数字中国的叫响，推广启用 1980 年国家大地坐标 系已经拍在眉睫，为此，焦作市国土资源局在国家、省布控的基础上，开展了 D 级 GPS 三维大地测绘控制网项目建设。该项目的投入使用，对焦作经济社会的发 展搭建了

27、基础平台。 2.4 GPS网的技术设计 GPS网的技术设计是 GPS测量工作实施的第一步，是一项基础性工作。这项工 作应根据网的用途和用户的要求来进行，其主要内容包括精度指标的确定，网的图 形设计和网的基准设计。 2.4.1 GPS网的构网特点及方式 GPS网的没计需要考虑诸多因素，其核心是如何高质量低成本完成既定的测量 任务。GPS 网的设计包括网形构造、精度、基准等方面的设计，此外，对于外业工 作具体实施，还应考虑观测时段、时间、测站位置的选择，接收机的类型及数量， 交通后勤等因素。 目前的 GPS控制测量，基本上都是采用相对定位的测量方法。这就需要两台以 及两台以上的 GPS接收机在相同

28、的时间段内同时连续跟踪相同的卫星组，即实施所 谓同步观测。同步观测时各 GPS点组成的图形称为同步图形。 不同台数 GPS接收机同步观测一个时段，便组成以下各种同步图形结构如图 3 所示。总之，当 T台接收机同步观测获得的同步图形由 n条基线构成，其中 n为 n=T(T-1)/2 同步图形是构成 GPS网的基本图形。而在组成同步图形的 n条基线中，只有 (T-1)条足独立基线，其余基线均为非独立基线，可由独立基线推算得到。由此， 也就在同步图形中形成若干坐标闭合差条件，称为同步图形闭合差。由于同步图形 是在相同的时间观测相同的卫星所获得的基线解构成的，基线之间是相关的观测量。 因此，同步图形闭

29、合差不能作为衡量精度的指标，但它可以反映野外观测质量和条 件的好坏。 图 3 在 GPS测量中，与同步图形相对应的，还有非同步图形或称为异步图形，即由 不同时段的基线构成的图形。由异步图形形成的坐标闭合差条件称为异步图形闭合 差。当某条基线被两个或多个时段观测时，就形成 r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足衡量精度、检验粗差和系统差的重要指 标。 1) GPS网的构网方式 GPS网是由同步图形作为基本图形扩展延伸得到的，当采用不同的连接方式时， 网形结构随之会有不同形状。GPS 网的布设就是如何将各同步图形合理地衔接成一 个有机的整体，使之达到精度高， ，可靠性

30、强，且作业量和作业经费少的要求。GPS 网的布设按网的构成形式分为：星形网、点连式网、边连式网、网连式网。按其作 业方式可分为：同步作业方式网、基准站同步作业方式网(作业时始终保持静止的 仪器站称为基准站)、快速定位作业方式。下面我们按照布网的形状，逐一讨论各 种构网方式的优劣 1) 星形网 星形网的图形在作业中只需要两台 GPS接收机。作业简单，是一种快速定位作 业方式，常用在快速静态定位和准动态定位中。但由于各基线之间不构成任何闭合 图形，所以其抗粗差的能力非常差。一般只用在工程测量、边界测量、地籍测量和 碎部测量等一些精度要求较低的测量中。 2) 点连式网 所谓点连式网，就是相邻同步图形

31、间仅由一个公共点连接成的网。 任一个由 m个点组成的网，由 T台接收机观测，则完成该网至少要 n个同步图 形： n=l+INT(mT)/(T1)(T一 1) （5- 2） 例如，当 m=30时，采用 3、4、5 台接收机最少同步图形分别为 15、l0、8。网 的必要观测基线数为 m-1。而网中 n个同步图形总共有 n(T-1)条独立基线。 显然，以这种方式布网，没有或仅有少量的异步图形闭合条件。因此，所构成 的网形抗粗差能力仍不强，特别是粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。在这种 网的布设中，可以在 n个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形 闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，

32、使网的可靠性得到改善。 3) 边连式网 边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过 2个公共点相连，即同步图形由 1 条公共基线连接。 任一个由 m个点构成的网，若用 T台( T3)接收机采用边连式布网方法进行观 测，则完成该测量任务的最少同步图形个数 n为 n=1+INT(m-T)/(T-2) (T3) 相应观测获得的总基线数为 n(T-1)T/2 其中独立基线数为 n(T-1)，而网的多余观测基线数为 n(T-1)( m-1)。 比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同 步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的 GPS网 的几何强度较高，具

33、有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的 可靠性。 4) 网连式网 所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻 同步图形之间存在互相重迭的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的 一部分。 这种布网方式通常需要 4台或更多的 GPS接收机，这样密集的布网方法，其几 何强度和可靠性指标是相当高的，但其观测工作量以及作业经费均较高，仅适用于 网点精度要求较高的测量任务。 2.4.2 GPS网的精度设计 精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。网的精度 设计是根据偶然误差传播规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差 后预期能

34、达到的精度。这也常被称为网的统计强度设计与分析。一般常用坐标的方 差-协方差阵来分析，也常用误差椭圆(球)和相对误差椭圆(球)来描述坐标点的精 度情况，或用点之间方位、距离和角度的标准差来定义。 对于 GPS网的精度要求，较为通行的方法是用网中点之间的距离误差来表示， 其形式为 22dba 式中， 为网中相邻点之间距离的标准差(mm)；a 为固定误差(mm)；b 为比例 误差系数(10 -6)；d 为两点之问的距离(km)。 我国颁发的全球定位系统(GPS)测量规范 ，根据网的不同用途，将 GPS网划 分成 5个等级，其相应的精度如下表 2。 表 2 GPS精度表 级别 测量类型 固定误差 a

35、，mm 比例误差系 数 A 地壳变形或国家高精度 GPS 网 5 0.1 B 国家基本控制测量 8 1 C 控制网加密，城市、工程测 量 10 5 D 控制网加密，城市、工程测 量 10 10 E 控制网加密，城市、工程测 量 10 20 在 GPS网总体设计中，精度指标是比较重要的参数，它的数值将直接影响 GPS 网的布设方案、观测数据的处理以及作业的时间和经费。在实际设计工作中，用户 可根据所作控制的实际需要和可能，合理地制定。既不能制定过低而影响网的精度， 也不必要盲目追求过高的精度造成不必要的支出。 2.4.3 GPS控制网网形设计 由各种构网方式可以看出，在 GPS作业前，应设计出一

36、种比较实用的既能满足 一定精度和可靠性要求、又有较高经济指标的布网作业计划，这就是 GPS网的优化 设计问题，本章将就此问题给予专门讨论，在此仅给出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少。网中各点最好有 3条或更多基线 分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网的精度、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

37、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 35 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。 2.4.4 GPS网基准的设计 GPS网的基准优化设计主要是对坐标未知参数进行设计。基准选取的不同将

38、会对网的精度产生直接影响，其中包括 GPS网基线向量解中位置基准的选择，以及 GPS网转换到地方坐标系所需的基准设计。另外，由于 GPS尺度往往存在系统误差， 也应提出对 GPS网尺度基准的优化设计。 1. GPS网位置基准的优化设计 研究表明，GPS 基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的 一个重要因素，使用测量时获得的单点定位值作为起算坐标，由于其误差可达数十 米以上，所以选用不同点的单点定位坐标值作为固定点时，引起的基线向量差可达 数厘米。因此，必须对网的位置基准进行优选设计。 对位置基准的优化可以采用如下方案： 1) 若网中点具有较准确的国家坐标系或地方坐标系坐标。可以

39、通过它们所属 坐标系与 WGS-84坐标系的转换参数求得该点的 WGS-84系坐标，把它作为 GPS网的固定位置基准。 2) 若网中某点是 Doppler点或 SLR站，由于其定位精度较 GPS伪距单点定位 高得多，可将其联至 GPS网中作为一点或多点基准。 3) 若网中无任何其它类已知起算数据时，可将网中一点多次 GPS观测的伪距 坐标作为网的位置基准。 2. GPS网的尺度基准优化设计 尽管 GPS观测量本身已含有尺度信息，但由于 GPS网的尺度含有系统误差，所 以还需要提供外部尺度基准。 GPS网的尺度系统误差有两个特点：一是随时间变化，由于美国政府的 SA政策， 使广播星历误差大大增加

40、，从而对基线带来较大的尺度误差；二是随区域变化，由 区域重力场模型不准确引起的重力摄动所造成。因此，如何有效地降低或消除这种 尺度误差，提供可靠的尺度基准就是尺度基准优化问题。其优化有以下几种方案： 1) 提供外部尺度基准。对于边长小于 50 km的 GPS网，可用较高精度的测距 仪(10 -6或更高)施测 23 条基线边，作为整网的尺度基准，对于大型长基 线网，可采用 SLR站的相对定位观测值和 VLBI基线作为 GPS网的尺度基准。 2) 提供内部尺度基准。在无法提供外部尺度基准的情况下，仍可采用 GPS观 测值作为 GPS网的尺度基准，只是对于作为尺度基准的观测量提出一些不 同要求。 3

41、) 在网中选一条长基线，对该基线尽可能多地长时间、多次观测，最后取多 次观测段所得的基线的平均值，以其边长作为网的尺度基准。由于它是不 同时期的平均值，尺度误差可以抵消，其精度要比网中其他短基线高得多。 所以，可以作为尺度基准。 以上讨论了 GPS基线向量解算中位置基准及 GPS尺度基准的选择与优化问题。 此外，将 GPS成果转换到地面实用坐标系中，还存在一个转换基准的选择问题。 2.5 GPS测量测前准备 (1) GPS内存数据容量; (2) 认真了解各 GPS点所处的环境，运用 GPS软件预测点的最佳观测时间； (3) 检查 GPS的各项设置：静态或动态、高度截止角、数据采样率、天线类型、

42、天 线量测方式。 第三章 数据处理与精度分析 3.1 GPS测量数据传输与格式转换 1. GPS数据传输 （1）在传输数据前，先查看仪器里每个时段里记录的数据量是否大小相近，将由 于开关电源引起的无效记录先删除； （2）通信参数设置； （3）传输数据时，先检查软件中的各项设置，查看 GPS类型、天线类型、天线高 的量测方式等是否设置一致； （4）传输数据时，记录好各数据文件的时段号、点名，以备基线解算后用；输入 天线高； （5）在做好上述工作后，查看高级设置，给定高度截止角、PDOP 值等几个重要设 置；即可传输数据； 2. GPS格式转换 （1） 收集应用区域内高等级控制点资料 在应用手持

43、GPS接收机取土的区域内（如一个县）找出三个（或以上）分布均匀的 等级点（精度越高越好）或 GPS“B”级网网点，点位最好是周围无电磁波干扰， 视野开阔，卫星信号强。到当地的测绘管理部门（如：本地测绘局、测绘院）抄取 这些点的北京 54坐标系的高斯平面直角坐标(x、y)，高程 h 和 WGS-84坐标系的 大地经纬度（B、L） ，大地高 H。 （2）求坐标转换参数 将上述获得的控制点的坐标数据提供给技术支持单位北京合众思壮公司各地分公司 相关负责人求解出坐标转换参数，或者获取转换软件自己进行转换。转换参数求出 后按提示输入手持型 GPS中。只需经过这样一次设置，以后所有在该区域内测土时 GPS

44、所读出的坐标就为该点的北京 54坐标值了。 （3） 参数检验 DX、DY、DZ、DA、DF 五个转换参数求出后，必须按提示分别输入手持 GPS中，同 时输入测区中央子午线经度。E 代表东经，投影比例参数为 1，东西偏差为 500000，南北偏差为 0，并设单位为米。输入这些参数后，应拿到实地检测，检验 这五个参数是否正确。方法是，在野外选定视野开阔、GPS 接收信号强的特征点 （如线状地物交叉点、独立地物等） ，最好是埋石控制点进行测量，然后找出这些 点的理论坐标与之比较。如比较结果超过仪器标称精度，则应重新测算转换参数或 查找出现的问题。 3.2 GPS测量数据处理 （1）基线向量解算时，可

45、根据不同情况，设置好是解算部分基线还是解算全 部基线，软件自动解算； （2）基线向量解算后，可初步检查一下评判各基线的置信参数，检查同步环、 异步环等闭合差，检查不同时段同一条边的较差，查出超限原因，剔除有粗差的基 线； （3）若发现有问题的基线，还可以查看各点接收到的卫星状况及其他有关部 因素，以查找原因，确定此基线是否重新解算还是重测； 3.3 GPS测量精度分析 （1） GPS 基线向量网成果的内精度分析：根据无约束平差成果分析，主要 考察基线向量观测值改正数、各点坐标中误差、点位中误差、GPS 基线向量边的方 位和边长相对精度，若发现有明显粗差，则要在联合平差前剔除； （2）基线向量网

46、的平差分为三种类型：一是无约束平差，二是约束平差， 三是联合平差。 （3）目前，对于绝大多数的地区联合平差是解决 GPS网成果转换的有效手段， 也是绝大多数的地区目前唯一行之有效的方法。因此 GPS网一般要联测 35个已知 点； （4）联合平差或约束平差成果的精度分析：主要考察各类观测值的改正数的 分布是否有明显粗差，平差坐标、点位误差、转换参数、单位权中误差是否通过统 计检验，边长相对精度是否满足设计的精度要求。 结论与建议 在这次焦作地区 D级控制网 GPS测量工作中，数据量大，我们整个工作用 5个 多月就全部完成并验收通过，比合同规定整整提前了 5个月。这其中，我们采用了 分街区处理转换

47、的方式，减少了数据接边的工作，实践也完全证明了这一点；数据 处理人员采取分要素、分层、分环节方式分组分工工作，使学生需要掌握的内容单 一和简单化，学生经过简单培训即可掌握自己的处理工作。同时，提高了工作效率。 对我本人，通过参加这次生产，学习了不少东西，特别是测绘方面的知识， 使自己的实际动手能力也有了极大的提高。 由于自己的能力和时间有限，文章中以及相应技术方面，肯定存在诸多不足， 望老师能够批评指正，在此，我表示衷心感谢！同时，也借此感谢所有为我们而辛 苦的老师！ 参考文献 1周建郑. GPS 测量定位技术 北京：化学工业出版社，2004 2朱华统. 常用大地坐标系及其变换 北京：解放军出版社，1990 3刘大杰等. GPS 卫星定位系统原理及其应用 上海：同济大学出版社，1994