GPS操作流程及基线解算

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1、第八章 GPS操作流程和基线解算第一节 GPS系统组成设备GPS系统由空间卫星局部、地面监控局部和用户接收局部三局部组成，如图6.1所示。1、空间卫星局部1GPS卫星星座。设计星座：213,即 21颗正式的工作卫星加 3颗活动的备用卫星。6 个轨道面，平均轨道高度20210km，轨道倾角55 周期11h58min顾及地球自转，地球与卫 星的几何关系每天提前 4min重复一次。保证在 24h,在高度角15。以上，能够同时观测到48颗卫星。2GPS卫星。GPS卫星的作用是发送用 于导航定位的信号等。主要设备是原子钟2台铯钟、2台铷钟、信号生成与发射装置。类型有试验卫星B1oCk I和工作卫星Blo

2、Ck n。3GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制。卫星重 774kg包括310kg燃料，采 用铝蜂巢构造，主体呈柱形，直径为I。5m。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，承受日光面积7.2血2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准 太阳，为卫星不断提供电力， 并给三组15AH镉镍蓄电池充电， 以保证卫星在地影区能正常 工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵， 能发射L,和L。波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向 遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统

3、。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。第一代卫星现已停顿工作。第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为 GPS工作卫星。BloCk n A的功能比BloCk n大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。BloCk n只能存储供45天用的导航电文，而 BloCk n A那么能够存储供180天用的导航电文，以确 保在特殊情况下使用 GPS卫星。第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定 位系统。其特点是：可对自己进展自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。据报道，该卫星在没有与地面联系

4、的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。2、地面监控局部1地面监控局部的分布。1主控站1个，地点在美国科罗拉多州法尔孔空军基地。O监桂站 连人站 $丄控站2监测站5个，分别在夏威夷、美国 科罗拉多州法尔孔空军基地、阿松森群岛大西洋、迪戈加西亚印度洋和卡瓦加兰太平洋。3注入站3个，分别在阿松森群岛大西洋、迪戈加西亚印度洋和卡瓦加兰太平洋。2监控局部的作用。1主控站的作用是收集数据、数据处 理、监测与协调和控制卫星。2监测站的作用是根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差， 检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。然后将算得的伪距、导航

5、数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，供主控站使用。3注入站的作用作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器 中，供卫星向用户发送。3、用户接收局部用户接收局部的根本设备就是GPS信号接收机、机内软件以及 GPS数据的后处理软件包。其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的 GPS信号，以到达导航和定位的目的。GPS信号接收机的任务是： 跟踪可见卫星的运行， 捕获一定卫星高度截至角的待测卫星 信号，并对GPS信号进展变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时 间。静态定位

6、中，GPS接收机在捕获和跟踪 GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地 测量GPS信号的传播时间，利用 GPS卫星在轨的位置，解算出接收机天线所在位置的三维 坐标。而动态定位那么是用GPS接收机测定一个运动物体的运动轨迹。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的瞬间三维位置和三维速度。近年来，国内引进了许多类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精度相对定位时， 其双频接收机精度可达 5mm+1ppmD D为距离，单位为km,下同， 单频接收机在一定距离内精度可达10mm+1ppmD ,用于差分定位时精度可达亚米

7、级至厘米级。目前，各种类型的 GPS信号接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测。二、技术特点GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS测量主要特点如下。1、功能多、用途广GPS系统不仅可以用于测量、导航，还可以用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s,测时的速度可达几十毫微妙。其应用领域不断扩大。2、定位精度高大量的实验和工程应用说明，用载波相位观测量进展静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达 1X 102X 10,而在100500km的基线上可达10 s10,。随着 观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于 1000km的距离上，相对定

8、位精度到达或优于10。在实时动态定位RTK和实时差分定位RTD方面，定位精度可到达厘米级和分米 级，能满足各种工程测量的要求。其精度如表6-1所示。随着GPS定位技术及数据处理技术的开展，其精度还将进一步提高。表反1CPS实时定拉、测速与测时待度果用的罰Jfe円C7為码5101015望分定憧Cm)1 -350. Q2側逋(m/a)0. 3 Bt (u)1Q05003、实时定位利用全球定位系统进展导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，可实时保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最正确路线。 特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。4、观测时间短目前，利用经典的静态相对定位模式，观测

9、20km以内的基线所需观测时问，对于单频接收机在1h左右，对于双频接收机仅需1520min。采用实时动态定位模式，流动站初始化观测15min后，并可随时定位，每站观测仅需几秒钟。利用GPS技术建立控制网，可缩短观测时间，提高作业效益。5、观测站之间无需通视经典测量技术需要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形构造。而GPS测量只要求测站 15。以上的空间视野开阔，与卫星保持通视即可，并不需要观测站之间相 互通视，因而不再需要建造觇标。 这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间一般造标费用约占总经费的 30%50%。同时，也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的 需要来确定点位，可

10、通视也使电位的选择变得更灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出，GPS测量虽然不要求观测站之间相互通视，但为了方便用常规方法联测的需要，在布设 GPS点时，应该保证至少一个方向通视。6、操作简便GPS测量的自动化程度很高。对于智能型接收机，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态，而其他工作， 如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。完毕观测时，仅需关闭电源，收好接 收机，便完成野外数据采集任务。如果在一个测站上需要作较长时问的连续观测，还可实行无人值守的数据采集，通过网络或其他通信方式，将所采集的观测数据传

11、送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小。现在有许多GPS接收机是天线、主机、电源组合在一起的一体机，白化程度较高，野外测量时仅一键开关，携带和搬运都很方便。7、可提供全球统一的三维地心坐标经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS测量中，在准确测定观测站平面位置的同时，可以准确测量观测站的大地高程。GPS测量的这一特点， 不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精细导航中的应用，提供了重要的高程数据。GPS定位是在全球统一的 WGS 一 84坐标系统 中计算的，因此全球不同点的测量成

12、果是相互关联的。8、全球全天候作业GPS 卫星较多， 且分布均匀， 保证了全球地面被连续覆盖， 使得在地球上任何地点、 任 何时候进展预观测工作， 通常情况下，除雷雨天气不宜观测， 一般不受天气状况的影响。因 此，GPS定位技术的开展是对经典测量技术的一次重大突破。第二节 控制网设计GPS测量工作与经典测量工作相类似， 按其性质可分为外业和内业两大局部。 其中，外 业工作主要包括选点、 建立测站标志、 野外观测作业以及成果质量检核等； 内业工作主要包 括GPS测量的技术设计、测后数据处理及技术总结等。控制网设计包括控制网的设计依据、 设计精度和设计网形。一、 GPS 网技术1、GPS 网技术设

13、计的原那么技术设计是建立 GPS控制网的第一步，也是确保 GPS网在满足准确、可靠、经济的前 提下，满足建立需要的关键性工作。 GPS网技术设计应遵循以下根本原那么，即确定适宜的精度标准，选取适用的测量基准，严格按照相应的标准要求选点并设置点位标志。 1、精度确定根据网的用途及工程控制的精度要求确定GPS网测量的相应精度等级，精度等级的划分应参照相应行业的 GPS 测量标准。 2、选点与埋设GPS点位选择的好坏，对于GPs观测工作的顺利进展和结果的可靠性有着重要的影响， 因此，在实地选点前应根据测量任务的目的和测区情况等， 收集测区已有各类控制点和地形 图等资料，以便于选点工作。在选点时应遵循

14、以下原那么： 点位周围应便于安置接收设备，视野开阔视场内障碍物的高度角不宜超过15 点位应远离大功率无线电发射源如电视台、电台微波站等及电压输电线和微 波无线电信号传送通道，以防止周围磁场对 GPS 信号的干扰； 点位周围不应有强烈反射卫星信号的物体如大型建筑物等； 点位应选在交通方便，并有利于用其他测量手段扩展和联测，以提高作业效率； 点位应选在地面根底稳固的地方，以利于点位的保存； 点位的埋设宜用混凝土现场浇筑的形式埋设为不锈钢标志，埋深应在当地永久冻 土层以下 0.3 米，桩面注记字体应朝向正北。2、GPS 网构成的概念 观测时段：测站上开场接收卫星信号到观测停顿，连续工作的时间段，简称

15、时段。 同步观测：两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进展的观测。同步观测环： 三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。独立观测环：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。异步观测环： 在构成多边形环路的所有基线向量中， 只要有非同步观测基线向量， 那么 该多边形环路叫异步观测环，简称异步环。独立基线：对于 N 台 GPS 接收机构成的同步观测环，独立基线数为Nl。非独立基线： 除独立基线外的其他基线叫非独立基线， 总基线数与独立基线数之差即为 非独立基线数。理论上， 同步闭合环中各基线向量的坐标差之和 即闭合差 应为零， 但由于有时各台 GPS 接收

16、机并不是严格同步，同步闭合环的闭合差并不等于零。有的GPS 标准规定了同步闭合差的限差， 对于同步较好的情况，应遵守此限差的要求， 但当由于某种原因， 同步不是 很好时，应适当放宽此项限差。 ?高速铁路工程测量标准 ?已经对此不作规定。当同步闭合环的闭合差较小时，通常只能说明 GPS 基线向量的计算合格，并不能说明 GPS 基线的观测精度高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使 GPS网中的 独立基线构成一定的几何图形称独立观测环。 GPS 控制网的图形也应该由一个或假设干个 独立观测环构成。GPS 构网的根本图形可分

17、为：三角形网、环形网、星形网。3、GPS 网的基准GPS 测量获得的 GPS 基线向量，是属于 WGS 一 84 坐标系的三维坐标差，而实际上我 们需要的是国家坐标系或地方独立坐标系中的坐标成果。因此，在进展GPS网的技术设计时，必须明确 GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。GPS网的基准包括网的位置基准、方位基准和尺度基准。一般来说，方位基准以给定的起算方位角值来确定，或者由 GPS 基线向量的方位作为方位基准；尺度基准由起算点间的 距离确定，或者由地面的电磁波测距边确定，也可以由GPS基线向量的距离确定；GPS网的位置基准，一般是由给定的起算点坐标值及其精度确

18、定。为求定 GPS 点在地面坐标系的坐标，应在地面坐标系中选定起算数据。在选择起算点 时，既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的 GPS 网不受旧资料精度较低的影响。在高速 铁路控制网的布设中， 每隔一定间距应联测高等级平面控制点， 但沿线国家高级控制点之间 精度较低，根底平面控制网 CP I 经国家点约束后使高精度的 CP I 控制网发生扭曲变形，大 大降低了 CP I 控制点间的相对精度，局部地段经国家点约束后的 CP I 控制点间甚至不能满 足1/180 000的要求。因此，高速铁路平面控制测量首先采用GPS精细定位测量方法建立高精度的框架控制网 CP0，作为高速铁路平面控制测量的起算基准

19、，也为平面控制网复测提供了基准。GPS 网的位置基准，可选取以下方法之一： 1选取网中一点的坐标值并给定其方位角一点一方向；2在网中选假设干点的坐标值并加以固定； 3选网中假设干点直至全部点的坐标值，并给以适当的权。 约束平差在确定网的位置基准的同时，对 GPS 网的方向和尺度也会产生影响，当网中 点的坐标含有较大的误差， 或其权难以可靠地确定时， 将会对网的定向与尺度产生不利的影 响，例如前面所讲的高速铁路 CP I 控制网的约束平差。因此，对于一个大范围的 GPS 网，在具有一组分布适宜的、高精度的点时 CP0 框架 控制网，为改善 GPS 网的定向和尺度，约束平差法才具有重要意义。在一般

20、情况下，对于一些区域性的GPS网，如桥梁和隧道工程 GPS网，其是否准确地位于地心坐标系统， 并不特别重要， 因而， 这时多采用固定一点的坐标及其方位角的经典自 由网平差法为宜一点一方向平差 。4、设计网形布设GPS控制网的观测作业方式主要以下几种：点连式、 边连式、网连式和混连式：1、点连式所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连见图6.3。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m 一 1个新点，当这些仪器观测了 s个时段后就可以测得S m 一 1+1个点。点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生冋题，

21、将影响到后面的同步图形。2、边连式所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边即两个公共点相连见图6.4。这样，当有 m台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得m 一 2个新点，当这些仪器观测观测了 S个时段后，就可以测得 S m 一 2+2个点。边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。图边连式示意图3、网连式所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形问有 3个含3个以上的公共点相连见图6.5。这样，当有 m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m 一 k个新点，当这些仪器观测了 s个时段后，就可以测得 k+sm k个点。采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有

22、很强的图形强度，但网连式观测作业了式的作业效率很低，4、混连式在实际的GPS作业中，一般并不是采用单独上面介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择的灵活采用这几种方式作业，这种观测作业方式就是混连式。他实际上是点连式、边连式和网连式的结合体。观测工作，或数据采集，是GPS测量的主要外业工作，所以，当观测工作开场之前，仔细地拟定观测方案， 对于顺利地完成观测任务，保障测量成果的精度， 提高效益是极为重要的。拟定观测方案的依据是： GPS网的布设方案，规模大小，精度要求，GPS卫星星座，参 加作业的GPS接收机数量以及后勤保障条件运输、通信等。观测方案的主要内容应包 括: GPS卫星的可

23、见性图及最正确观测时间的选择，采用的接收机类型和数量，观测区的划分和观测工作的进程以及接收机的高度方案等。第三节 外业测量一、测量外业工作1、观测方案观测工作或数据采集，是 GPS 测量的主要外业工作，所以，当观测工作开场之前，仔 细地拟定观测方案， 对于顺利地完成观测任务， 保障测量成果的精度， 提高效益是极为重要 的。拟定观测方案的依据是： GPS 网的布设方案，规模大小，精度要求， GPS 卫星星座，参 加作业的 GPS 接收机数量以及后勤保障条件运输、通信等。观测方案的主要内容应包 括：GPS卫星的可见性图及最正确观测时间的选择，采用的接收机类型和数量， 观测区的划分和观测工作的进程以

24、及接收机的高度方案等。2、野外观测外业观测的工作量， 与用户的要求精度和采用的接收机类型和数量， 以及作业模式等因 素有关。GPS网观测工作量的设计，除要考虑观测工作的效率外，还必须保证网的精度和可 靠性。当参加作业的接收机数为ki,那么每一时段可得观测基线向量数为ki ki 一 1/2。其中包括独立观测向量数ki 一 1和多余观测向量数ki 一 1 ki 一 2/2。因为增加多 余观测量, 会提高网的可靠性, 所以,作业中适当增加接收机的数量, 不仅会提高工作效率, 同时也将明显地增加多余观测量。另外, 为了有助于外业观测数据的检核, 增加可靠性,通 常根据不同的精度要求,基线测量中,同步观

25、测的时段数以及时段的长度有不同的要求。在外业观测中,仪器操作人员应注意以下事项： 1 当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后, 方可接通电源, 启动接收机。 2开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后,方能输入有关测站和时段控制信 息。 3接收机在开场记录数据后,应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残 差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。4一个时段观测过程中,不允许进展以下操作：关闭又重新启动;进展自测试发现故障除外；改变卫星高度角设置；改变天线位置；改变数据采样间隔；按动关闭文件和删 除文件等功能键。 5需要记录气象要素时,在每一观测时段始、中、末要各观测记录一次,当

26、时段较 长时可适当增加观测次数。 6在观测过程中要特别注意供电情况,除在出测前认真检查电池容量是否充足外, 作业中观测人员不要远离接收机, 听到仪器的低电压报警要及时予以处理, 否那么可能会造 成仪器内部数据的破坏或丧失。 对观测时段较长的观测工作, 建议尽量采用太阳能电池板或 汽车电瓶进展供电。 7仪器高一定要按规定始、末各量测一次,并及时输入仪器及记入测量手簿之中。 8接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击,雷雨过境时应关机停测,并卸下天线。 9观测站的全部预定作业工程,经检查均己按规定完成,且记录与资料完整无误前 方可迁站。 10观测过程中要随时查看仪器内

27、存或硬盘容量,每日观测完毕后, 应及时将数据转存至计算机硬、软盘上,确保观测数据不丧失。3、观测记录 在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式主要有以下两种： 1观测记录。观测记录由 GPS 接收机自动进展，均记录在存储介质如硬盘、硬卡 或记忆卡等上，其主要内容有：载波相位观测值及相应的观测历元； 同一历元的测码伪距 观测值； GPS 卫星星历及卫星钟差参数； 实时绝对定位结果； 测站控制信息及接收机工作状 态信息。2测量手簿。测量手簿是在接收机启动前及观测过程中，由观测者随时填写的。其 记录格式在现行标准和规程中略有差异，视具体工作内容选择进展。观测记录和测量手簿都是 GPS 精

28、细定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后 补记或追记。外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、 防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时 段名、采集日期、测量手簿编号等。接收机内存数据文件在转录到外存介质上时， 不得进展任何剔除或删改， 不得调用任何 对数据实施重新加工组合的操作指令。4、数据预处理数据预处理软件是 GPS 接收设备的重要组成局部。对其所具有的功能，一般是通过实 测的计算工作来进展检验的。对测量型 GPS 接收机，其主要检验内容包括：卫星预报及观 测方案拟定功能的检验； 静态定位软件和网平差软件功

29、能的检验； 快速静态定位软件和实时 定位软件功能的检验等， 并且通过上述检验， 在数据处理的精度， 使用的自动化水平， 对观 测数据的筛选， 周跳的判别与修复， 整周未知数的解算能力以及网平差的功能等方面， 对数 据作出评价。二、测量数据处理每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件， 它们在使用方法上都会有各 自不同的特点。 但是，无论是哪种软件， 它们在使用步骤上却是大体一样的。 GPS 数据处理 的过程依次为： 原始观测数据读入、 外业输入数据检查与修改、基线解算控制参数、基线解 算、基线质量检验。1、原始观测数据读入在进展基线解算时，首先需要读取原始的 GPS 观测值数据。一般

30、说来，各接收机厂商 随接收机一起提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的 GPS 原始观测值 数据，而由第三方所开发的数据处理软件那么不一定能对各接收机的原始观测数据进展处 理，要处理这些数据，首先需要进展格式转换。目前，最常用的格式是RINEX 格式 .对于按此种格式存储的数据，大局部的数据处理软件都能直接处理。2、外业输入数据检查与修改在读入了 GPS 观测值数据后，就需要对观测数据进展必要的检查，检查的工程包括测 站名、点号、测站坐标、天线高等。对这些工程进展检查的目的，是为了防止外业操作时的 失误操作。3、基线解算控制参数 基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理

31、方法来进展基线解算， 设定基 线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节， 通过控制参数的设定， 可以实现基 线的精化处理。4、基线解算 基线解算的过程一般是自动进展的，无需过多的人工干预。5、基线质量检验基线解算完毕后， 基线结果并不能马上用于后续的处理， 还必须对基线的质量进展检验， 只有质量合格的基线才能用于后续的数据处理， 如果不合格， 那么需要对基线进展重新解算 或重新测量。 基线的质量检验需要通过数据删除率、 RATIO 、RDOP 、RMs 、同步环闭和差、 异步环闭和差和重复基线较差等来进展。6、GPS 网平差1提取基线向量要进展 GPS 网平差，首先必须提取基线向量，构

32、建 GPS 基线向量网。提取基线向量时 需要遵循以下几项原那么： 必须选取相互独立的基线， 假设选取了不相互独立的基线， 那么平差结果会与真实的 情况不相符合。 所选取的基线应构成闭合的几何图形。 选取质量好的基线向量， 基线质量的好坏， 可以依据同步环闭合差、 异步环闭合差和 重复基线较差来判定。 选取能构成边数较少的异步环的基线向量。 选取边长较短的基线向量。 2三维无约束平差在构成了 GPS 基线向量网后，需要进展 GPS 网的三维无约束平差，通过无约束平差主 要到达以下几个目的： 根据无约束平差的结果， 判别在所构成的 GPS 网中是否有粗差基线， 如发现含有粗差的基线， 需要进展相应

33、的处理， 必须使得最后用于构网的所有基线向量均满 足质量要求。调整各基线向量观测值的权，使得它们相互匹配。 3 约束平差或联合平差在进展完三维无约束平差后， 需要进展约束平差或联合平差， 平差可根据需要在三维空 问进展或二维空间中进展。约束平差的具体步骤是： 指定进展平差的基准和坐标系统。 指定起算数据。 检验约束条件的质量。 进展平差解算。 4 质量分析与控制 在这一步，进展 GPS 网质量的评定，在评定时可以采用基线向量的改正数进展。根据 基线向量的改正数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差。假设在进展质量评定时， 发现有质量问题， 需要根据具体情况进展处理， 如果发现构成 GPS 网

34、的基线中含有粗差， 那么需要采用删除含有粗差的基线、 重新对含有粗差的基线进展 解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决。 如果发现个别起算数据有质量问题， 那么应该 放弃有质量问题的起算数据。三、铁路 GPS 测量数据处理软件铁路 GPS 测量的数据处理软件有 Leica Geo Office LGO 软件和科傻系列软件 GPS 工程测量网通用平差软件包 CosaGPS V5.1 。1、Leica Geo Office LGO 软件Leica Geo Office瑞士莱卡综合办公软件软件通过LEICA Geo Office来开拓数据的潜能，管理和浏览自己的 TPS、GPS以及Level数据。L

35、EICA Geo Office是一个直观的，图形 化的视窗多任务环境，使用简单而方便。 所有组成成分都有一个类似的外观，可以进展无缝连接和协作。TPS、GPS以及Level数据都通过一个标准化的工具和数据流程来处理。内建 的HELP包括有用的教程，并提供建议和信息。2、科傻系列软件 GPS工程测量网通用平差软件包 CosaGPS V5.1CosaGPS V5.1有以下优点：1功能全面。软件具有在世界空间直角坐标系 WGS 一 84进展三维向量网平差 无约束平差和约束平差、在椭球面上进展卫星网与地面网三维平差、在高斯平面坐标系 进展二维联合平差、 针对工程独立网的固定一点一方向的平差、高程拟合等

36、功能，并带有常用的工程测量计算工具，可以实现各种坐标转换。2整体性好。全部软件集成在统一的环境下，编辑器、文档、图形、数据处理模块 均自主编写；采用多文档，可同时处理多项任务；采用工程管理模式，可方便进展各类数 据的操作。3解算容量大，运算速度快。软件设计采用节省内存的快速算法，在现有的大局部 微机操作系统 windows 98， windows 2000, windows XP上，可整体解算数千个控制点 的GPS控制网，内存不够时那么采用外存作缓冲，因而还可解算更大规模的GPS工程网。4操作简明，使用方便。在 windows 98，windows 2000，windows XP系统环境下运

37、行，可采用表格方式或文本方式进展数据录入，大局部操作采用 傻瓜式选项。对于输入量较少的数据和参数，采用表格方式输入；对于大批量的数据，那么采用文件方式输入。四、三维平差、平面坐标转换和精度评定1、三维平差根据平差所进展的坐标空间，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差。1三维平差：平差在三维空间坐标系中进展，观测值为三维空间中的观测值，解算 出的结果为点的三维空问坐标。GPS网的三维平差，一般在三维空间直角坐标系或三维空间 大地坐标系下进展。2二维平差：平差在二维平面坐标系下进展，观测值为二维观测值，解算出的结果 为点的二维平面坐标。二维平差一般适合于小范围GPS网的平差。2、平面坐标转换同一

38、坐标系内，空间三维直角坐标、 大地坐标和高斯平面直角坐标这三种不同坐标表达 形式之间可以方便地进展转换。 不同坐标系之间，也可以通过参数转换和椭球投影转换进展 坐标数值的转变。1同一坐标系内的坐标转换同一坐标系内，大地坐标和高斯平面直角坐标可以通过高斯投影正、反算公式进展互换。1S 6,6高斯一克匕格投羽示慈劃高斯投影正、反算公式的形式复杂，但早已实 现程序模块化，可以十分方便地在众多测量程 序中进展互换。只要选定椭球形状参数、投影 带宽和投影采用的中央子午线经度，就可以计 算得到大地坐标在相应投影带中的高斯平面 直角坐标高斯投影正算，或者相应投影带中 的高斯平面直角坐标所对应的大地坐标高斯

39、投影反算。高斯投影正算公式实现了空间三维直角坐标到平面直角坐标的转换，具有十分重要的应用意义。高斯投影是由德国科学家高斯于19世纪20年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯克吕格投影，简称为高斯投影。高斯投影在英、美国家称为横轴墨卡托投影UTM。高斯投影的中央经线长度比等于1, UTM投影规定中央经线长度比为 0.9996。高斯投影具有如下根本特点：高斯投影的中央经线是和赤道垂直的直线，其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线，其他纬线均为以赤道为对称轴向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交；中央经线投影长度变形比等于1,即没有长度变形，其余经线长度比均大于

40、1，长度变形为正；在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大， 在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大；高斯投影后角度没有变形；为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影。在高斯投影上，规定以中央经线为x轴，赤道为y轴，两轴的交点为坐标原点。 X坐标值在赤道以北为正，以南为负；y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，x坐标皆为正值。y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为了防止y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴

41、西移 5 O km，即将所有y值都加500km加常数。由于采用了 分带方法，各带的投影完全一样，某一坐标值 乙y，在每一投影带中均有一个，在全球 那么有60个同样的坐标值，不能确切表示该点的位置。因此，在y值前需冠以带号，这样的坐标称为通用坐标。我国的高铁平面精测网对投影长度变形有严格控制，要求最大变形比不超过 10mm/km。尽管可以通过细分投影带，或者抬高投影面高程的方式来限制投影长度变形比。但是，在平面直角坐标的使用过程中，这种方法将增加了大量的坐标换带计算工作。高斯投影坐标换带计算的方法为：先将某一投影分带内的高斯平面直角坐标转换成通用的大地坐标，然后重新设定投影的中央子午线和带宽，就

42、可以得到在新的投影带中的高斯平面直角坐标，如图 6.6所示。空间三维直角坐标和高斯平面直角坐标之间不能直接相互转换，其必须通过大地坐标这个中间转换过程才能实现相互转换，即它们之间的转换是间接的。具体过程如图6。7所示。空间三维直角坐标大地坐标标高斯平面直角坐标2不同坐标系之间的坐标转换 不同坐标系之间的坐标转换通常采用参数转 换方法。其中，平面直角坐标之间的转换采用四参 数法两个平移参数、一个旋转参数、一个尺度参 数，空间直角坐标之间的转换采用七参数法三 个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数。如果涉及平面直角坐标和空问直角坐标之问的转 换，还必须增加考虑椭球参数的变换问题。LSI K 平曲宜

43、站坐累上刚的平面直角坐标系之间的坐标转换如图 6.8所示，坐标系X O Y勺原点在坐标系 XOY中 的坐标为a、b，X轴与X轴之夹角为臼。可以认为坐标系 x O原是与坐标系xoy重合， 后因为O分别平移了 a、b之距离，并且坐标系二坐标轴 o x与 O y又相对0x与0y逆时针 旋转了臼角而得到的。在二坐标系之间引入一个辅助坐标系XOY使它的二坐标轴 O X与0Y分别与Ox、Oy平行：在xOY系中有一点P，其坐标为XY，那么由坐标系平移公式与坐标系旋转公式可得:ft va=了十6故有无=工c:oM+/ si n(? y nJ 亡0叨_考虑不同坐标系之间的尺度长度因子 m，即：x/z = zn(

44、x/cos+jf/sin0) 4-a y cos?一j/sirrf+#上式即坐标系平移和旋转后新、旧坐标系中某一点坐标的关系式。只要转换参数是准确的，那么可以十分方便地进展坐标在不同坐标系之间的转换。同样的道理，对于两个空间直角坐标有如下坐标转换关系见图6.9：如果转换参数未知， 但是一定数量的点平面坐标转换需要 2个以上，空间直角坐标转 换需要3个以上，其在两个坐标系中的坐标都准确，那么可以利用数学上的最小二乘原那 么进展转换参数的求估。估计出来的参数可以用以其他点的坐标转换。当平面直角坐标和空间直角坐标之问进展转换时，因为涉及高斯投影，所以需要确认两种不同坐标系所采用的参考地球椭球是否一样

45、。如果不同，那么要进展椭球参数的改变。具体过程示意如图6.10所示。xr-AX-,Y0 .LzJI AZ J图反9空问坐标系之间的平移 和旋转变化图610 平囱直角粧掠和空何 宜角樂标转换示意图3、精度评定1基线向量解算及精度分析基线解算采用厂家提供的随机软件按静态相对定位模式进展，基线解算采用卫星播送星历坐标作为基线解的起算数据。基线向量异步环闭合差是检验基线向量网质量的一项重要技术指标，当它满足限差要求时，能说明组成基线向量网的所有基线解算质量合格、成果可靠。按？高速铁路工程测量标准？ TB 106012021丨要求GPS控制基线向量网所有异步环闭合差应符合下式规定：IV x *丘W品W3

46、a/3n式中：n为闭合环边数；一为标准差，即基线向量弦长中误差，mm; a为固定误差；6为比例误差；d为闭合环平均边长，km。2网平差精度分析网平差包括三维无约束平差、三维约束平差和二维约束平差，平差数据采用基线向量的双差固定解进展。首先进展三维无约束平差，以检定基线向量网自身的内符合精度及其系统误差和粗差，然后再进展三维约束平差和二维约束平差。各等级GPS测量控制网的主要技术指标，应符合表 6.3的规定。*3各尊级CPS测卑羟制斟的衣樂授术措标比舅谋差系數&抽熾方位角屮锲査的束点闻的也規(null/ km)e相对中课左边怅栩对中谋基一弄1 /&OOOW二營11.吝1 /2500W1/180K

47、H)1. 71/1800001/1WO0O521/1000001/7C0M五尊31/TOOO&1/+00M五、高程转换1、各种高程系统及相互关系齧暂椭球面图各种高程系统示意图2、GPS水准根本原理既有大地高，又有正常高的点称为公共点。对于公共点有：假设假设网中其他点上的高程异常一样，即参考椭球面与似大地水准面平行，那么非公共各点的高程可由下式得：3、GPS水准方法1等值线图法：从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地 水准面差距，然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。比=F2地球模型法：地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用 的地球模型有 OSU91E

48、GM96等。我国有CQG2000,各个省有省级的厘米级似大地水准面模 型。3高程拟合法：利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原 理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。石家庄至武汉客运专线河北邢台段GPS控制测量，正线全长 840.7公里，设计速度目标值350公里/小时，输送能力单向8000万人/年，沿线设高邑西、邢台东、邯郸东、安阳 东、鹤壁东、新乡东、郑州东、许昌东、漯河西、驻马店西、明港东、信阳东、大悟和横店 东14个车站，建立总工期 4年半。测区属山区，位于东径111044 -112O30北纬34o49-35o08 o行政隶属山西省垣曲县和河南省渑池县、新安县

49、、济源市、孟津县。测区东西长约 70km，南北方向宽约 8km，总体呈带状分布，补设桩点分布在黄河干流和39条大小支流上，测区地形条件复杂，地势上下起伏，沟壑纵横穿插，大局部地区悬崖峭壁，气候复杂， 人迹罕至，交通十分困难。因此决定采用GPS接收机对其进展控制测量。其测量流程如图1所示：六、GPS网的技术设计测量工作实施的第一步就是GPS网的技术设计，它包括 GPS网精度指标确实定， GPS网的网形设计及 GPS网的基准设计三方面。1GPS网的精度指标，主要取决于工程对控制网的要求。精度指标通常以网中相邻点间的弦长精度来表示，其形式为：中：为标谁差mm;a为固定误差mm；b为比例误差系数PPm

50、，d为相邻点间的距离km。2GPS网的精度指标是 GPS网技术设计的一个重要参量，设计中要根据用户的要求及相关标准慎重确定。表 1就是其相关标准的要求3GPS网的图形设计主要取决于用户的要求，同时还与接收机的类型和数量、经费、时间等条件有关，在本例中由于是高速铁路，所以适宜把网形设计成带状的。图2是其首级平面控制网示意图4GPS网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而网的基谁确实定是通 过网的整体平差计算来实现的。GPS网整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量如基线向量和绝对观测量如点在 WGS84中的坐标值。七、外业施测首级控制网按照二级精度施测，GPS首级控制网采用边连接形式

51、布网，全网为22个点,基线 361 条.闭合环 11271 个，然后进展了控制网的加密，首级控制网和加密网均按静态方 式观测。GPS外业观测采用经检验合格的8台套Trimble双频接收机，为期三天。选点和观测均按照 GPS 测量标准进展。1选点要求： 点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方。 点位要远离大功率无线电发射源、高压电线等，以免电磁场对信号的干扰。 点周围高度角 15 度以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收。 每点最好与某一点通视，以便后续测量工作的使用。 选点完毕后，按要求埋设标石，并填写点之记。2 为首级控制观15， 时段长，量取天线高， 2编制卫星可见性预报表

52、，然后根据卫星预报表编制观测方案。表 测方案表：3观测：根据 GPS 作业调度表的安排进展观测，采取静态相对定位，卫星高度角 度为 90 分钟，采样间隔 15 秒。在待测点上安置仪器对中、整平、定向 测量气象数据， 开机观察，当各项指标到达要求时，按接收机的提示输入相关数据，那么接 收机自动记录，观测者填写测量手簿。八、数据处理采用徕卡公司的 LGO 软件，对观测数据进展传输，输入点名及天线高，剔除记录时间 短于 20 min 及出现周跳局部的卫星数据，再进展基线预处理，解算基线。2输入工程名称，按 确定。第四节 LGO-GPS内业处理软件操作步骤1、新建工程与原始数据输入1翻开LGO软件，翻

53、开工程图标，右击 工程新 建一个工程。3点击输入，输入原始数据|：. ttkK.Jb.9.电理1fri|D亦二 11 勺4在电脑上找到您所存放的原是数据，翻开文件夹，输入I 彳 ut- !*.” jwmiiiiw丨J m亠亠：* jiEul 虫E b“宓 iir井賣抵到呂“1ffJRy-2iiTM0M3-tl9SCHI也才【匮吃】rr 骨盘計3W4L 罰S|7maLdn-v，输入5选择你所需要的原始数据文件即您在手薄中建立的作业名称鑿5霊如:5; ， I I ; I - ,rIs1瑙利娠时密叩詁曲 砧05T1EW EtwlrwsiT、卢vrl/jyilS-wi密冈Flj|.jTi：l鬥口口如屮

54、DBJ3 3.I7E肉临IU创潮瀝 Qi肿；阿国I汕忖砂心_qp.：口1门0|卓0B;u IP 0卩除連OlfJiQCd* L0:ll.t?6检查数据点名，观测时段及天线高是否输入正确，如果有错误，可直接进展修改点名和天线高2、基线处理以上为点输入，以下为基线处理过程。2点击右键，选择自动处理模式TWRIW 卫町沖BPmRMEM E *1右击空白处，选择处理参数，选择显示高级参 数，并可进展高度角调整。选择 附加输岀，皿顼：刘|9蘇：lllllllllllllll5輪丨尹長送 旦 W乎 EE#S?!S应伸1乃聊訓IS暮富1淬 惭*匕 叱 LnCACw ffc. . CH KL3-DiB3点击右键，全部选择，条状图全部变绿，再点击 处理，进展基线解算。ytF-二裂塑-fek崔足星二一I31=： +：!1093CF1331 3Def通 7KH- l.FUr 01 f疗囂胃IT1葩;wifMinr jr? 3 Wr*-专 Lscb C45159* 3T BO. ll4r* BT CQ.!料1.删E.弼普 Ct/ ia.oe-jr 3?1 33.-dKr63SE.SQ竝# it- 13.Sf.4r 理