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GPS工程控制网的布设与数据处理论文

题目：

GPS工程控制网的布设与数据处理

2006年12月26日

目录

摘要3

前言4

1概述4

1.1GPS系统的特点：

4

1.2GPS的应用5

2GPS控制网相关概念6

2.1GPS基线向量网的等级6

2.2GPS基线向量网的布网形式7

2.3布设GPS基线向量网时的设计指标8

2.4GPS网的设计准则9

3布设控制网的工作步骤11

3.1GPS控制网的设计11

3.2GPS外业观测12

3.3GPS控制网布设中需要注意的问题14

4GPS控制网数据处理15

4.1基线解算分类15

4.2基线解算的质量控制16

4.3GPS基线向量网平差18

4.4GPS数据处理过程20

4.5高精度GPS数据处理软件介绍21

5结论22

致谢23

参考文献:

23

附录A：

GPS测量记录手簿24

摘要

随着GPS技术的发展，GPS工程控制网已渐渐取代了传统的工程控制网。

本文主要介绍了有关GPS工程控制网方面的理论，包括GPS工程控制网的布设步骤、项目设计准则，以及在实际作业工作中需要注意的一些问题，重点介绍了GPS工程控制网的数据处理的基本方法与原则。

关键字：

GPS；GPS工程控制网；项目设计；数据处理

前言

GPS（全球定位系统）是由美国国防部开发的，可被用户用于地面或近地空间中获取位置、速度和时间信息。

GPS经过三十多年的建设，已成为目前应用最广泛的卫星导航定位系统，它的应用领域已扩展到各行各业，而在测量中GPS具有的独特的优势。

GPS工程控制网的布设与数据处理

1概述

1.1GPS系统的特点：

1）定位精度高

实践证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。

在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm。

2）观测时间短

目前，20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。

3）测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4）可提供三维坐标

传统的大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。

可GPS同时精确测定测站点的三维坐标（平面+大地高）。

目前通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5）操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。

6）全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7）功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。

测速的精度可达0.1m/s，测时的精度优于0.2ns，其应用领域在不断扩大。

1.2GPS的应用

1）GPS应用于导航

主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。

2）GPS应用于授时校频

每个GPS卫星上都装有銫原子钟作星载钟；GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统（见图1）；采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。

为了得到精密的GPS时间，一般使它的准确度达到<100ns[相对于UTC（USNO/MC）]，对特殊用途可以提供授时服务。

3）GPS应用于高精度测量

各种等级的大地测量，控制测量；道路和各种线路放样；水下地形测量；地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测；GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制等多领域高精度测量。

2GPS控制网相关概念

2.1GPS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。

下面是我国全球定位系统测量规范中有关GPS网等级的有关内容。

GPS网的精度指标，通常是以网中相邻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）；

：

固定误差（mm）；

：

比例误差（ppm）；

：

相邻点间的距离（km）。

对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：

测量

分类

固定误差

（mm）

比例误差

（ppm）

`相邻点距离（km）

A

≤5

≤0.1

100~2000

B

≤8

≤1

15~250

C

≤10

≤5

5~40

D

≤10

≤10

2~15

E

≤10

≤20

1~10

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。

美国联邦大地测量分管委员会（FederalGeodeticControlSubcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，此等级的网一般为全球性的坐标框架。

2.2GPS基线向量网的布网形式

GPS网常用的布网形式有以下几种：

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，这种观测方式很象是跟踪站，因此，这种布网形式被称为跟踪站式。

（2）特点

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。

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）特点

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，因而具有特高的尺度精度。

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

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。

（2）特点

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，具较强的图形结构。

4）同步图形扩展式

（1）布网形式

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。

（2）特点

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

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，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。

（2）特点

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。

2.3布设GPS基线向量网时的设计指标

在布设GPS网时，我们除了遵循一定的设计原则外，还需要一些定量的指标来指导我们的工作。

在我们进行GPS网的设计时经常需要采用效率指标、可靠性指标和精度指标等。

1）效率指标

在布设一个GPS网时，在点数、接收机数和平均重复设站次数确定后，则完成该网测设所需的理论最少观测期数（同步观测的时段数）就可以确定。

当按照某个具体的布网方式和观测作业方式进行作业时，要按要求完成整网的测设，所需的观测期数与理论上的最少观测期数会有所差异，理论最少观测期数与设计的观测期数的比值，称之为效率指标（e），即

其中：

为理论最少观测期数；理论最少观测期数

R为平均重复设站次数；m为接收机数；n为GPS网的点数；

INT（）为凑整函数，

。

为设计观测期数。

该指标可用来衡量GPS网设计的效率。

2）可靠性指标

GPS网可靠性，可以分为内可靠性和外可靠性。

所谓GPS网的内可靠性就是指所布设的GPS网发现粗差的能力，即可发现的最小粗差的大小；所谓GPS网的外可靠性就是指GPS网抵御粗差的能力，即未剔除的粗差对GPS网所造成的不良影响的大小。

由于内、外可靠性指标在计算上过于烦琐，因此，在实际的GPS网的设计中采用一个计算较为简单的反映GPS网可靠性的数量指标，该指标就是整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值，称为整网的平均可靠性指标（

），即：

其中：

为多余的独立基线数；

，

为必要的独立基线数，

为总的独立基线数，

，

为观测期数，

为同步观测接收机的台数。

3）精度指标

当GPS网布网方式和观测作业方式确定后，GPS网的网形就确定了，根据已确定的GPS网的网形，可以得到GPS网的设计矩阵

，从而可以得到GPS网的协因数阵

，在GPS网的设计阶段可以采用

作为衡量GPS网精度的指标。

2.4GPS网的设计准则

GPS网设计的出发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。

因此，在进行GPS的设计和测量时，既不能脱离实际的应用需求，盲目地追求不必要的高精度和高可靠性；也不能为追求高效率和低成本，而放弃对质量的要求。

1）选点要求

（1）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。

（2）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。

（3）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，如高层建筑、成片水域等。

（4）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。

（5）测站应选择在易于保存的地方。

2）保证GPS网可靠性

（1）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。

（2）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，以更好地消除各种人为操作误差和错误。

（3）保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连，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。

（4）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

（1）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。

（2）为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架。

（3）在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条。

（4）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。

（5）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。

（6）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，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）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，但起算方位不宜太多，起算方位可布设在GPS网中的任意位置。

3布设控制网的工作步骤

3.1GPS控制网的设计

GPS控制网观测前要进行一个完整的技术设计，主要应包含如下内容：

1）项目来源

介绍项目的来源、性质。

即项目由何单位、部门下达、发包，属于何种性质的项目等。

2）测区概况

介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。

这可为今后工程施测工作的开展提供必要的信息。

如在施测时作业时间、交通工具的安排，电力设备使用，通讯设备的使用等。

3）工程概况

介绍工程的目的、作用、要求、GPS网等级（精度）、完成时间、有无特殊要求等在进行技术设计、实际作业和数据处理中所必须要了解的信息。

4）技术依据

介绍工程所依据的测量规范、工程规范、行业标准及相关的技术要求等。

5）现有测绘成果

介绍测区内及与测区相关地区的现有测绘成果的情况。

如已知点、测区地形图等。

6）施测方案

介绍测量采用的仪器设备的种类、采取的布网方法等。

7）作业要求

规定选点埋石要求、外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。

8）观测质量控制

介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。

如数据删除率、RMS值、RATIO值、同步环闭合差、异步环闭合差、相邻点相对中误差、点位中误差等。

9）数据处理方案

详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。

对于基线解算的数据处理方案，应包含如下内容：

基线解算软件、参与解算的观测值、解算时所使用的卫星星历类型等。

对于网平差的数据处理方案，应包含如下内容：

网平差处理软件、网平差类型、网平差时的坐标系、基准及投影、起算数据的选取等。

10）提交成果要求

规定提交成果的类型及形式；若国家技术质量监督总局或行业发布新的技术设计规定，应据之编写。

3.2GPS外业观测

3．2．1确定GPS外业观测的作业方式

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，是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式，在此主要介绍该布网方式的作业方式。

采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种式：

点连式，边连式，网连式，混连式。

1）点连式

（1）观测作业方式

在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。

这样，当有

台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得

个新点，当这些仪器观测观测了

个时段后，就可以测得

个点。

（2）特点

作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。

2）边连式

（1）观测作业方式

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。

这样，当有

台仪器共同同作业时，每观测一个时段，就可以测得

个新点，当这些仪器观测观测了

个时段后，就可以测得

个点。

（2）特点

具有较好的图形强度和较高的作业效率。

（1）观测作业方式

在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。

这样，当有

台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得

个新点，当这些仪器观测了

个时段后，就可以测得

个点。

（2）特点

所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。

3）混连式

（1）观测作业方式

在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种种观测作业方式就是所谓的混连式。

（2）特点

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。

3．2．2外业GPS调度与观测记录及要求

1）调度计划

为保证GPS外业观测作业的顺利进行，保障精度，提高效率，在进行GPS外业观测之前，就编制好调度计划。

2）外业调度

按照技术设计与实地踏勘所得结果，对需测GPS点分布的情况，交通路线等因素加以综合考虑，顾及星历预报，制定合理的外业调度计划。

根据测量规范，确定观测段数及每时段观测时间，在保证结果精度的基础上，尽量提高作业效率。

3）观测作业及要求

目前接收机的自动化程度较高，操作人员只需作好以下工作即可：

（1）各测站的观测员应按计划规定的时间作业，确保同步观测。

（2）确保接收机存储器（目前常用CF卡）有足够存储空间。

（3）开始观测后，正确输入高度角，天线高及天线高量取方式。

（4）观测过程中应注意查看测站信息、接收到的卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。

一般来讲，主要注意DOP值的变化，如DOP值偏高（GDOP一般不应高于6），应及时与其他测站观测员取得联系，适当延长观测时间。

（5）同一观测时段中，接收机不得关闭或重启；将每测段信息如实记录在GPS测量手簿上。

（6）进行长距离高等级GPS测量时，要将气象元素，空气湿度等如实记录，每隔一小时或两小时记录一次。

附录A：

GPS外业观测记录手簿

3.3GPS控制网布设中需要注意的问题

1）　网布设中点位的选择

（1）较大测区工程控制网布设时,不可能一次完全选点,而是采用逐步推进的方法,若不考虑图形结构,最后整个控制网易产生扭曲。

（2）可为三角形异步边闭合差的检验提供条件。

（3）由于许多工程完成后需要进行常规测量,因此布点时根据需要确定点位的位置,并考虑其图形结构。

2）　已知点分布和基线长度对控制点精度的影响

在GPS控制网的布设中,一个工程网的已知点应选3～4个高等级控制点,高等级控制点应布设在控制网的周围,尽可能形成等边三角形,只有这样才能保证整个控制网点精度的统一。

已知点的选择应避免成直线状,其点间距离应大于工程网点与点间的最大距离。

3）　坐标系统转换

在工程测量中,为了和原有的资料一致,常常要求给出当地坐标系统。

用GPS测量布设工程控制网时,获得的是WGS284坐标系统,这就需要将GPS测量的WGS284坐标转换成地方坐标,因此布网时,一些网点需要与部分具有地方坐标的点位重合。

一般来讲,重合点最少要有3个。

如需要正常高,还应与若干水准点重合,或对GPS点进行水准联测。

坐标系统转换的方法一般根据测区范围的大小和精度要求而定。

4GPS控制网数据处理

4.1基线解算分类

1）单基线解算

（1）定义

当有

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

条同步观测基线，其中可以选出相互独立的

条同步观测基线，至于这

条独立基线如何选取，只要保证所选的

条独立基线不构成闭合环就可以了。

这也是说，凡是构成了闭合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）特点

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，一般只用在较低级别GPS网的测量中。

2）多基线解算

（1）定义

与单基线解算不同的是，多基线解算顾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）特点

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基线解算的质量控制

4．2．1质量控制指标

1）单位权方差因子

（1）定义

其中：

为观测值的残差；

为观测值的权；

为观测值的总数。

（2）实质

单位权方差因子又称为参考因子。

2）数据删除率

（1）定义

在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。

被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。

（2）实质

数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。

数据删除率越高，说明观测值的质量越差。

3）RATIO值

（1）定义

显然，

（2）实质

反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件的好坏有关。

4）RDOP

（1）定义

RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（

）的平方根，即

RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲，其RDOP值的大小与观测时间段有关。

（2）实质

RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。

5）RMS

（1）定义

即均方根误差（RootMeanSquare），即：

其中：

为观测值的残差；

为观测值的权；

为观测值的总数。

（2）实质

表明了观测值的质量，观测值质量越好，

越小，反之，观测值质量越差，则

越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。

依照数理统计的理论观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%。

6）同步环闭合差

同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。

由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。

7）异步环闭合差

不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，异步环的闭合差称为异步环闭合差。

当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当