GPS在工程测量中的应用

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1、毕业设计（论文）GPS在工程测量中的应用学生姓名：陈玉立指导老师： 教授专业名称：建筑工程技术哈尔滨工程大学继续教育学院2012年4月一、指导教师对学生的评语及答辩推荐意见指导教师（签名） 职称 年 月 日二、评阅人评语评阅人（签名） 职称 年 月 日三、毕业设计专业组或教研室意见负责人（签名） 职称 年 月 日四、答辩委员会评语答辩委员会主任（签名） 职称 年 月 日 毕业设计用纸摘 要GPS 技术是当今信息社会发展最快的技术之一，GPS定位技术以其速度快、精度高、全天候,不受通视条件限制、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中 。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了用常

2、规测角、测 距手段建立大地控制网。我们一般将应用 GPS 卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将 GPS 网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。本文通过利用GPS对实地进行数据采集，并得出使用GPS测量具有效率高、费用省的结论。关键词: GPS网、全球定位系统、约束平差

3、、GPS静态定位测量 AbstractGPS technology is one of the fastest growing technology in todays information society development, GPS positioning technology for its speed, high precision, all-weather, not of sight conditions, the cost of province, easy to operate and other fine features are widely used in the m

4、easurement of the geodetic control . Today, we can say that GPS technology has completely replaced the conventional angle measurement, distance measurement means the establishment of geodetic control network. We generally will control network created by the application of GPS technology called GPS n

5、etwork. Summed up roughly GPS network is divided into two categories: one is global or national high precision GPS network, whose main task is as a global high-precision coordinate frame or high-precision coordinate frame for global geodynamics scientific research and space science in the service, o

6、r to the regional plate motion, crustal deformation of the problem. The other is a regional GPS network, including the city or the GPS network of mining, the GPS works net, the distance between adjacent points in this type of network for a few kilometers to tens of kilometers, and its main task is t

7、o direct the national economic construction services.Through the use of GPS for data collection on the ground, and draw the conclusions using the GPS measurements with high efficiency, and costs province.Keywords: GPS network, global positioning systems, constraint adjustment of GPS static positioni

8、ng measurement目 录第1章 GPS的发展历程11.1 GPS 简介11.2 GPS 在我国发展历程21.3GPS系统的应用前景3第2章 GPS 测量42.1 RTK测量42.1.1RTK技术的应用42.1.2 RTK 技术的基本原理42.2 GPS静态定位测量52.2.1 GPS静态定位在测量中的应用52.2.2 布设GPS基线向量网的工作步骤5第3章 GPS网的布设83.1 GPS 基线向量网的等级83.2 GPS网的设计准则83.2.1 出发点83.2.2 GPS网布网作业准则83.3 GPS基线向量网的布网形式103.4 采用同步图形扩展的布网形式布设11第4章 GPS 基

9、线解算124.1 GPS 基线解算的分类124.1.1 单基线解算124.1.2 多基线解124.2 GPS基线解算的基本原理124.2.1 初始平差124.2.2 整周未知数的确定134.2.3 确定基线向量的固定解134.3 GPS基线解算的过程134.4 影响 GPS 基线解算的因素及其应对方法144.4.1 影响 GPS 基线解算结果的几个因素144.4.2 影响 GPS 基线解算结果因素的判别及应对措施14第5章 GPS 基线向量网平差165.1 GPS 网平差分类165.1.1 三维平差和二维平差165.1.2 无约束平差、约束平差和联合平差165.2 GPS 网平差的过程16结

10、论18参考文献19 哈尔滨工程大学继续教育学院第1章 GPS的发展历程1.1 GPS 简介GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命

11、。全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫 星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收 机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地

12、面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星 运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，

13、是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。1.2 GPS 在我国发展历程新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。70 年代后期，有关单位在 从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人 为摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实

14、践，完成了全国 天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫 星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，其中测量类约500700台，航空类约几百台，航海类约3万多台，车载类数千台。而且以每年两万台的速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性

15、大地控制网，提供高精度的地心坐标。组织各部门（10多个单位，30多台GPS双频接收机）参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约定100KM的GPS A 级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为此30100KM的B级网，全国约2500个点。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，

16、用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图并用于施工放样。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用 GPS 技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。我国的全球定位系统（GPS）

17、测量规范已于1992年10月1日起实施。此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技 术人才和产业队伍。近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分GP

18、S（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS增强系统（WAAS）的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS接收机。GPS技术的应用正向更深层次发展。1.3 GPS系统的应用前景 当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。用 GPS信号可以进行海、空和陆

19、地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。为适应GPS技术的应用与发展，1995年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。

20、可以说，GPS在我国的应用前景是无限的。第2章 GPS测量2.1 RTK测量2.1.1 RTK技术的应用RTK是GPS应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。RTK技术在近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。利用RTK技术进行测量有如下优点：具有GPS测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。以往都是通过后处理来获得厘米级的点位坐标，实时处理大大提高了作业的效率，并且保证了数据的质量，同时扩大了 GPS应用的领域，比如施工放样等。可在运动过程中连续高精度采样。采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道

21、定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要 求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把 RTK 用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。采用RTK时，仅需一人使用仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需

22、一人操作，且不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等。2.1.2 RTK技术的基本原理 RTK技术，即GPS实时相位差分。RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是测量技术与数据传输相结合而构成的测量系统，一台接收机固定在已知点上做基准站，其它接收机安置在运动载体上做流动站，同时观测卫星。基准站把接收到的所有卫星信息（如基准站的坐标、天线高等）都通过通讯系统传送到流动站。流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星数

23、据。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内（一般是微型计算机），由控制器实时计算出点位坐标并显示出来。RTK系统实施的技术关键是快速准确地求解整周模糊度及数据传输技术。在静态测量中，需观测较长时间才能解算出整周模糊度，对于实时动态载波相位测量来说，我们利用快速解算模糊度法（OTF）在较短时间内求出整周模糊度的值，达到快速定位的目的。数据传输技术的好坏直接影响观测值的质量，这就要求它有较高的数据传输率和较高的波特率传输数据，并保持误码率及较短的历元延迟，一般利用VHF或VHF无线电设备进行数据通讯。为了获得高精度的实时动态定位结果，还需一系列方法和措施来保证结果的可靠性。另一方

24、面，RTK 技术所得到的各点位置是属于 WGS-84 地球协议地心坐标系中的坐标值，而实用的工程项目成果属于某一国家地点的参心坐标系或者工程项目所建立的工程坐标系如建筑物施工业工作结束后，利用软件对数据进行测后处理，并成图。2.2 GPS静态定位测量 2.2.1 GPS静态定位在测量中的应用目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：1.测量精度高GPS观测的精度要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在1mm10m

25、m之间，这是普通测量方法很难达到的；2.选点灵活、不需要造标、费用低 、GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用；3.全天侯作业在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设；4.观测时间短采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1-2个小时左右，采用快速静态定位的方法，观测时间更短，观测工程和数据处理过程均是高度自动化的。2.2.2 布设GPS基线向量网的工作步骤布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。1.测前工作项目的提出：一项GPS测量工程项目，往往是由工

26、程发包方、上级主管部门或其他单位或部门提出，由GPS测量队伍具体实施。对于一项GPS测量工程项目，一般有如下一些要求：1.测区位置及其范围：测区的地理位置、范围，控制网的控制面积；2.用途和精度等级：控制网将用于何种目的，其精度要求是多少，要求达到何种等级；3.点位分布及点的数量：控制网的点位分布、点的数量及密度要求，是否有对点位分布有特殊要求的区域；4.提交成果的内容：用户需要提交哪些成果，所提交的坐标成果分别属于哪些坐标系，所提交的高程成果分别属于哪些高程系统，除了提交最终的结果外，是否还需要提交原始数据或中间数据等；5.时限要求：对提交成果的时限要求，即何时是提交成果的最后期限；6.投资

27、经费：对工程的经费投入数量；7.技术设计：负责 GPS 测量的单位在获得了测量任务后，需要根据项目要求和相关技术规范进行测量工程的技术设计；8.测绘资料的搜集与整理 ：在开始进行外业测量之前，现有测绘资料的搜集 与整理也是一项极其重要的工作。需要收集整理的资料主要包括测区及周边地区可利用的已知点的相关资料（点志记、坐标等）和测区的地形图等；9.仪器的检验：对将用于测量的各种仪器包括GPS接收机及相关设备、气象仪 器等进行检验，以确保它们能够正常工作；10.踏勘、选点埋石 ：在完成技术设计和测绘资料的搜集与整理后，需要根据技术设计的要求对测区进行踏勘，并进行选点埋石工作；11.测量实施实地了解测

28、区情况：由于在很多情况下，选点埋石和测量是分别由两个不同的队伍或两批不同的人员完成的，因此，当负责 GPS 测量作业的队伍到达测区后，需要先对测区的情况作一个详细的了解。主要需要了解的内容包括点位情况（点的位置、上点的难度等）、测区内经济发展状况、民风民俗、交通状况、测量人员生活安排等，这些对于今后测量工作的开展是非常重要的；12.卫星状况预报：根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的 PDOP 值、随时间变化的RDOP值等。对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对G

29、PS观测可能产生的不良影响；13.确定作业方案：根据卫星状况、测量作业的进展情况、以及测区的实际情况，确定出具体的作业方案，以作业指令的形式下达给各个作业小组，根据情况，作业指令可逐天下达，也可一次下达多天的指令。作业方案的内容包括作业小组的分组情况，GPS观测的时间段以及测站等；14.外业观测 ：各GPS观测小组在得到作业指挥员所下达的作业指令后，应严格按照作业指令的要求进行外业观测。在进行外业观测时，外业观测人员除了严格按照作业规范、作业指令进行操作外，还要根据一些特殊情况，灵活地采取应对措施。在外业中常见的情况有不能按时开机、仪器故障和电源故障等；15. 数据传输与转储：在一段外业观测结

30、束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查所输入的记录是否正确。数据传输与转储应根据条件，及时进行；16.基线处理与质量评估：对所获得的外业数据及时地进行处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储与基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。17.测后工作结果分析（网平差处理与质量评估）：对外业观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行平差解算，得出网中各点的坐标成果。如果需要利

31、用GPS测定网中各点的正高或正常高，还需要进行高程拟合。18.技术总结：根据整个 GPS 网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结，成果验收。 第3章 GPS网的布设3.1 GPS基线向量网的等级 根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个级别。中国国家A级和B级GPS大地控制网分别由30个点和800个点构成，它们均匀地分布在中国大陆，平均边长相应为650km和150km。对A级GPS网来说，水平方向的重复精度好于210，垂直方向不低于7-810-8；对B级GPS网来说，则分别好于410-7和810-7。GPS网的精度指标，通常是以网中相邻

32、点之间的距离误差来表示的，其具体形式为：其中：网中相邻点间的距离中误差(mm)；a：固定误差(mm)；b：比例误差(ppm)；D：相邻点间的距离(km)。有下列的精度要求：对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：测量分类A、B、C、D、E固定误差a(mm)58101010比例误差b(ppm)0.1151020相邻点距离(km)1002000、15250、540、215、110、A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B 级网为国家大地控制网 或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。3.2 GPS网的设计准则 3.2.1 出发点 GPS网设计的出发

33、点是在保证质量的前提下，尽可能地提高效率，努力降低成本。但是在进行GPS的设计和测设时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度、高效率和低成本，而放弃对质量的要求。3.2.2 GPS网布网作业准则 1.选点为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求测站上空应尽可能的开阔，在10-15高度角以上不能有成片的障碍物；为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在测站周围约200m的范围内不 能有强电磁波干扰源，如大功率无线电发射设施、高压输电线等；为避免或减少多路径效应的发生，测站应远离对电磁波信号反射强烈的地 形、地物；为便于观测作业和今后的应用，测站应选在交通便利，上点方便的地方

34、；测站应选择在易于保存的地方。2.提高GPS网可靠性的方法增加观测期数（增加独立基线数）:在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有益的。保证一定的重复设站次数:保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除

35、各种人为操作误差和错误。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。在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。3.提高GPS网精度的方法为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线；为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，

36、以框架网作为整个GPS网的骨架；在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条；在布设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、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的多，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，将整个网包含在其中；为提高GPS网的尺度精度，可采用如下方法：增设长时间、多时段的基线向量。4.布设GPS网时起算点的选取与分布若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好，若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧

37、成果吻合，则一般可选3-5个起算点，这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度；为保证整网的点位精度均匀，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。5.布设GPS网时起算边长的选取与分布在布设GPS网时，可以采用高精度激光测距边作为起算边长，激光测距边的 数量可在3-5条左右，它们可设置在GPS网中的任意位置。但激光测距边两端点的高差不应过分悬殊。6.布设GPS网时起算方位的选取与分布 在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不应太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。3.3 GPS基线向量网的布网形式 GPS网常用的布网形

38、式有以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式（枢 纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式。1.跟踪站式 （1）布网形式若干台接收机长期固定安放在测站上，进行常年、不间断的观测，即一年观测365天，一天观测24小时，这种观测方式很像是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。（2）由于在采用跟踪站式的布网形式布设 GPS 网时，接收机在各个测站上进行了不间断的连续观测，观测时间长、数据量大，而且在处理采用这种方式所采集的数据时，一般采用精密星历，因此，采用此种形式布设的GPS网具有很高的精度和框架基准特性。每个跟踪站为保证连续观测，一般需要建立专门的永久性建筑即跟踪站，用以安置仪器设备，这使得这种布

39、网形式的观测成本很高。此种布网 形式一般用于建立GPS跟踪站（AA级网），对于普通用途的GPS网，由于此种布网形式观测时间长、成本高，故一般不被采用8。2.会战式（1）布网形式 在布设GPS网时，一次组织多台GPS接收机，集中在一段不太长的时间内，共同作业。在作业时，所有接收机在若干天的时间里分别在同一批点上进行多 天、长时段的同步观测，在完成一批点的测量后，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，直至所有的点观测完毕，这就是所谓的会战式的布网。（2）采用会战式布网形式所布设的GPS网，因为各基线均进行过较长时间、多时段的观测，所以可以较好地消除SA等因素的影响，因而具有特高的尺度

40、精度。此种布网方式一般用于布设A、B级网。3.多基准站式（1）布网形式所谓多基准站式的布网形式就是有若干台接收机在一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。 图3-1多基准站式（2）采用多基准站式的布网形式所布设的GPS网，由于在各个基准站之间进行了 长时间的观测，因此，可以获得较高精度的定位结果，这些高精度的基线向量可以作为整个GPS网的骨架。另外一方面，其余的进行了同步观测的接收机间除了自身间有基线向量相连外，它们与各个基准站之间也存在有同步观测，因此，也有同步观测基线相连，这样可以获得

41、更强的图形结构。4.同步图形扩展式（1）布网形式 所谓同步图形扩展式的布网形式，就是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。（2）特点同步图形扩展式的布网形式具有扩展速度快，图形强度较高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。5.单基准站式（1）布网形式 单基准站式的布网方式有时又称作星形网方式，它是以一台接收机作为基准站，在某个测站上连续开机观测，其余的接收机在此基准站观测期间

42、，在其周围流动，每到一点就进行观测，流动的接收机之间一般不要求同步，这样流动的接收机每观测一个时段，就与基准站间测得一条同步观测基线，所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。流动的接收机有时也称为流动站。图3-2单基准站式 （2）单基准站式的布网方式的效率很高，但是由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱，为提高图形强度，一般需要每个测站至少进行两次观测。3.4 采用同步图形扩展的布网形式布设 GPS向量网的作业方式同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式。作业方式主要以下几种方式：点连式、边连式

43、、网连式、混连式。1.点连式（1）相邻同步图形只通过一个点进行连接。（2）作业效率高，图形扩展迅速，但图形强度低，点连式校正麻烦。2.边连式 （1）相邻同步图形只通过一条公共边进行相连。（2）作业效率较高，图形强度较好。3.混合式（1）根据具体情况，有选择的采用几种方式的混合应用。（2）混合式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。 第4章 GPS 基线解算4.1 GPS 基线解算的分类 4.1.1 单基线解算 （1）定义 当有m台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有1/2*m*(m-1)条同步

44、观测基线，其中最多可以选出相互独立的m-1条同步观测基线，至于这m-1条独立基线如何选取，只要保证所选的m-1条独立基线不构成闭和环就可以了。即，凡是构成了闭和环的同步基线 是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进 行解算。（2）单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。4.1.2 多基线解（1）定义 与单基线解算不同的是，多基线解算顾

45、及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。（2）多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。4.2 GPS基线解算的基本原理基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是 双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。4.2.1 初始平差根据双差观测值的观

46、测方程，组成误差方程后，然后组成法方程后，求解待定的未知参数其精度信息，其结果为：待定参数、待定参数的协因数阵、单位权中误差，通过初始平差，所解算出的整周未知数参数本应为整数，但由于观测值误差、随即模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数。因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。4.2.2 整周未知数的确定 确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以下 面将要介绍的搜索法为基础的。搜索法的具体步骤如下：(1)根据初始平差的结果，和分别以中误差的每一个整周未知数为中心，以

47、与它们中误差的若干倍为搜索半径，确定出每一个整周未知数的一组备选整数值。 (2)从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定出相应的基线解；(3)从所解算出的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小那个基线向量结果，作为最终的解算结果，这就是所谓的基线向量整数解（或称固定解）。 不过当出现以下情况时，则认为整周未知数无法确定，而无法求出该基线向量的整数解。是置信水平为其中：时的F分布的接受域，其自由度为f和f。称为RATIO值； 也被称为RMS；称为RDOP值。4.2.3 确定基线向量的固定解 当确定了整周未

48、知数的整数值后，与之相对应的基线向量就是基线向量的整数解。4.3 GPS基线解算的过程 GPS基线解算的过程如下：1.原始观测数据的读入：在进行基线解算时，首先需要读取原始的 GPS 观测 值数据。一般说来，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则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理，要处理这些数据，首先需要进行格式转换。目前，最常用的格式是RINEX格式，对于按此种格式存储的数据，大部分的数据处理软件都能直接处理。2.外业输入数据的检查与修改：在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的

49、检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。对这些项目进行检查的目的，是为了避免外业操作时的误操作。3.设定基线解算的控制参数 ：基线解算的控制参数用以确定数据处理软件 采用何种处理方法来进行基线解算，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行的，无需过多的人工干预。5.基线质量的检验 ：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行检验，只有质量合格的基线才能用于后续的处理，如果不合格，则需要对基线进行重新解算或重新测量。基线的质量检验需要通过同步环闭和

50、差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。4.4 影响 GPS 基线解算的因素及其应对方法 4.4.1 影响 GPS 基线解算结果的几个因素 （1）基线解算时所设定的起点坐标不准确起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。（2）卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定，当 卫星的观测时间太短时，会导致与该卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对与基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确 定的话，就将受到影响。（3）整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善。（4）观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大。（5）流层或电

51、离层折射影响过大。4.4.2 影响 GPS 基线解算结果因素的判别及应对措施（1）影响GPS基线解算结果因素的判别 基线起点坐标不准确的判别：对于由起点坐标不准确所对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别，因此，在实际工作中，只有尽量 提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。卫星观测时间短的判别：对于卫星观测时间太短，只要查看观测数据的记录 文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了，有些数据处理软件还输出 卫星的可见性图，这就更直观了。卫星的可见性图（示例）卫星的可见性图（示例）周跳太多的判别：对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分

52、析。目前，大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别：对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残 差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。（2）应对措施 基线起点坐标不准确的应对方法：要解决基线起点坐标不准确的问题，可以 在进行基线解算时，使用坐标准确度

53、较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，然后，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决10。卫星观测时间短的应对方法：若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。周跳太多的的应对方法：若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量；若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发

54、生周跳的卫星的观测值的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。多路径效应严重的应对方法：由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此，可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；另外，也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。对于对流层或电离层折射影响过大的应对方法：1.高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据。但这种方法，具有一定的盲目性，因为，高度角低的信号，不一定受对流层或电离层 的影响就大。2.分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。3.如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。第5章 GPS 基线向量网平差5.1 GPS

55、 网平差分类 根据平差所进行的坐标空间，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差，根据平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型，可将平差分为无约束平差、 约束平差和联合平差等。5.1.1 三维平差和二维平差 （1）三维平差 所谓三维平差是指平差在空间三维坐标系中进行，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间坐标。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行。（2）二维平差 所谓二维平差是指平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观测值，解算出的结果为点的二维平面坐标。5.1.2 无约束平差、约束平差和联合平差 （1）无约束平差 GPS网的无约束平差指的是

56、在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据。常见的GPS网的无约束平差，一般是在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。（2）约束平差GPS网的约束平差指的是平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），而且，在平差时引入了使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的 外部起算数据。（3）联合平差 GPS 网的联合平差指的是平差时所采用的观测值除了GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值，这些地面常规观测值包括边长、方向、角度等观测值等。5.2 GPS 网平差的过程 1在使用数据处理软件进行GPS网平差时，需要按以下几个步骤来进行：提取基线向量，构建GPS基

57、线向量网要进行GPS网平差，首先必须提取基线向量，构建GPS基线向量网。提取基 线向量时需要遵循以下几项原则：（1）必须选取相互独立的基线，若选取了不相互独立的基线，则平差结果 会与真实的情况不相符合。（2）选取的基线应构成闭合的几何图形。（3）选取质量好的基线向量，基线质量的好坏，可以依据RMS、RDOP、RATIO、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来判定。（4）取能构成边数较少的异步环的基线向量。（5）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，需要进行GPS网的三维无约束平差，通过无约束平差主要达到以下几个目的：（1）根据无约束平差的结果，判别在所构成的GP

58、S网中是否有粗差基线，如发现含有粗差的基线，需要进行相应的处理，必须使得最后用于构网的所有基线向量均满足质量要求。（2）各基线向量观测值的权，使得它们相互匹配。3约束平差 联合平差在进行完三维无约束平差后，需要进行约束平差或联合平差，平差可根据需要在三维空间进行或二维空间中进行。4.质量分析与控制进行GPS网质量的评定，可以采用下面的指标：（1）基线向量的改正数，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。具体判定依据是，若含有粗差。（2）邻点的中误差和相对中误差，若在进行质量评定时，发现有质量问题，需要根据具体情况进行处理，如果发现构成GPS网的基线中含有粗差，则需要采用删

59、除含有粗差的基线、重新对含有粗差的基线进行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，则应该放弃有质量问题的起算数据。结 论通过GPS网的布设和测量，我有如下体会：1.GPS网基准设计应根据网布设目的确定。2.如果起算点分布过于集中，会导致远离起算点的点位精度有所降低，在建立控制网时应使起算点分布均匀，同时为了减少遮挡，点位应选在开阔地区。3.在网点个数确定的情况下，增加GPS边的条数，增加异步环的个数，有利于提高网的精度和可靠性。4.不改变基线连接关系的情况下，只在小范围内移动点位的位置，对点位的 精度和可靠性基本没有影响。5.增加GPS边对网的精度提高比较明显，

60、特别是与增加边相关联的GPS网点。6.施测前对测量方案的拟定非常重要，主要包括外业测量环境的调查、埋石、与本地坐标系统已知点的联测方案、交通条件、通讯设备等。7.由于多路径效应往往造成观测值残差较大,选点要保证有足够的卫星高度角，以免仪器接收的卫星数量不足或接收的卫星位置不理想，造成基线解算质量不高；点位应尽量避开高层建筑、大面积水域；为减少电磁干扰，点位应避开大功率发射电台、高压输电线地域。单频接收机不能很好地削弱电离层、对流层效 应的影响，所以建议以后在建立控制网时使用双频接收机。8.实践表明,在情况较为复杂的地区进行GPS定位时,选择最佳观测时段是关 系到GPS数据采集的质量以及减少重测

61、返工率,缩短外业观测时间的大事.不好的观测时段往往是每天的同一组卫星的组合,虽PDOP值好,但Ration值过小，RMS值过大等,致使实际相对定位效果不好.观测时段以早上和傍晚为宜，此时卫星信号比较理想。9.当选点位置和观测时段不够理想时，应适当延长观测时间，以便基线解算时有足够的数据参加解算，提高基线解算质量。10.注意点位永久保存的其它方面。 参考文献1 刘经南,GPS 网的布设与数据处理M.武汉：武汉测绘科技大学出版社， 19952 徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS 测量原理及应用M.武汉:武汉大学出 版社，20013 周忠谟,易杰军.GPS 卫星测量原理与应用M.北京:测绘出版社,1

62、993 4 高成发.GPS 测量M.北京:人民交通出版社,20005 徐绍铨等.GPS测量原理及应用M.武汉:武汉测绘科技大学出版社,2000 6 最新测绘技术标准与政策法规我国工程测量技术发展现状与成就,测绘通报.1999(8) 7 金国雄,刘大杰，施一民GPS 定位的应用与数据处理上海：同济大学出 版社，19948 任茂东，刘迈GPS 用户指南大连：大连海事大学出版社，1995年10月9 蔡宏翔.GPS在工程侧量中的应用M .武汉:武汉测绘科技大学出版社.1995 10 魏二虎，黄颈松GPS 测量操作与数据处理M武汉：武汉大学出版社， 200411 陶本藻.关于高精度GPS网平差基本观测量

63、的选取问题J.测绘通报.1999.912 Rothacher M.Orbits of Satellite Systems in Space Geodesy.Zurich： Eidg Techishe Hochscule Zurich,199213 Janiczek,P.M. Global Positioning System. The Institute of Navigation,Vashington.D.C. 198014 Collins,J. GPS Satellite Surveying. ACSM Bulletin,198815 King R W,Bock Y.Documentation for the GAMIT GPS Analysis Software.Massachusetts Institute of Technology,Cambridge,1995 19哈尔滨工程大学继续教育学院