GPS控制网设计与质量分析Word文件下载.docx
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随着科学技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GPS技术所取代，控制网的布设方法越来越灵活、简单。
控制网布设方法应根据网的不同用途选择采用，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间等，这样才能扬长避短，取得最佳的经济效益。
控制网技术设计并建立是大地测量生产过程中的一个环节，是指在接收到测量任务之后，对测量的布网图形、观测方案、观测计划等进行统一的规划设计，以便下一步测量实践的实施。
技术设计是从大地测量生产这个角度来说的，不仅指进行布网图形设计，还包括观测方案、观测计划等设计。
优化设计是对技术设计这一环节要达到状态的一种描述。
研究如何求得既满足测量结果的必要精度，又尽可能少地花费人力、物力、财力和时间，也就是在一定支出下，取得最大经济效益的网形和观测纲要，同时又使数据处理工作量最小，解决这样的布网设计问题，就是所谓的控制网优化设计问题。
第1章绪论
GPS是全球定位系统（GlobalPositioningSystem）的英文缩写，它是随着现代化科学技术的发展而建立的第一代精密卫星定位系统。
本章主要介绍GPS卫星定位系统发展的概况、特点、以及GPS定位技术的应用前景。
进一步阐述GPS控制网的优化设计在国内外的发展情况，并详细介绍本篇论文主要观点及技术方法。
1.1GPS控制网进行优化设计
1.1.1GPS控制网优化设计的发展现状
国外目前研究现状:
自八十年代末，随着全球定位系统（GPS）的广泛应用，世界各发达国家和地区都相继建立了区域性的、高精度GPS网[3]。
美国自80年代起先后建立了国家大地测量（NGS）的跟踪网、美国海岸防护队（USCG）的差分网、联邦航空管理（FAA）的WAAS网以及美国工程兵（USACE）的跟踪网等局部网，这些网由美国大地测量局统一负责，称为“连续运行参考站"
系统，它由137个基准站组成，该系统计划发展到250个基准站，平均站距为100--200公里，覆盖全美，构成新一代动态国家参考系统。
该系统的数据和信息包括每个观测站接收到的卫星伪距、相位信息、站坐标、站移动矢量、GPS星历、站四周的气象数据等，用户可以很方便地通过信息网络得到。
它的主要目的是：
使全美领域内的用户更方便地利用该系统实现厘米级的水平定位和导航；
促进用户利用空间参考系统来发展GIS；
监测地壳形变：
支持遥感的应用；
求定大气中的水汽分布；
监测电离层中自由电子浓度和分布；
通过与水准测量结合，实时确定点位的正常高。
英国于1992年建立了由700个站组成的国家GPS网，并建立了近30个GPS连续观测站；
加拿大大地测量局在本土建立了由十几个永久站组成的GPS跟踪网；
德国也在全国范围内建立了由100个永久GPS跟踪站组成的卫星定位网，平均站距为40公里：
日本在全国建成了由近1200个GPS站组成的综合服务系统，该系统的永久跟踪站平均距离30公里构成了一个格网式的GPS永久站排列，是日本国家的重要基础设施。
上述国家的GPS网应用于许多方面，如地震的监测和预报、控制测量、工程控制和监测、测图和地理信息系统的更新、气象监测和预报、研究地球动力等等，为军事、工农业各方面提供服务。
目前，利用高精度、连续运行的GPS网站建立和维持全球统一的地心大地测量坐标系，己成为大地测量发展的新趋势。
国内目前研究现状：
一、全国GPS一、二级网[4]：
总参测绘局于1991年——1997年完成了全国GPS一二级网的布测工作，全网共计534个点。
覆盖了全国（除台湾省外）的陆地和海洋。
全国GPS一级网分两步完成，1991年5月——1992年1月完成大陆布测，1992年3月4月完成南沙、西沙与大陆的联测。
点位44个，平均边长680公里，精度优于3x10-8。
全国GPS二级网在布测时分成了五部分，分别于1992年完成华东测区、1993年完成西北测区、1994年完成东南测区、1995年完成东北华北测区、1997年完成青藏云贵川测区；
点问平均间距150公里。
点位534个，全网精度优于lxl0-7。
二、国家GPSA，B级网：
国家A，B级网由国家测绘局组织，于1991年至1996年完成，全网共有818个GPS点。
A级点27个，平均边长650公里，水平方向精度优于2xl0-8，垂直方向精度优于1xl0-7。
B级网共计818个点，布设时采用了不同的精度和分辨率，其中西部地区平均点距为150公里，中部地区为100公里，东北地区为50-70公里。
B级网平差后的地心坐标绝对精度为：
水平分量小于0．12m，垂直分量小于0．2m，水平方向的重复精度优于4xl0-7，垂直方向的重复精度优于8xl0-7。
三、中国地壳运动观测网络：
“中国地壳运动观测网络”（以下简称网络工程）是由中国地震局、总参测绘局、国家测绘局、中国科学院四家单位共同组织完成，主要服务于地震预报，同时兼顾大地测量、地球动力学和国防建设的需要。
网络工程第一期任务分为基准网、基本网、区域网三部分，基准网由25个连续观测站组成，基本网由56个定期复测的GPS观测站组成，区域网由1000个不定期复测的GPS观测站组成。
目前基本网已完成两期调测，区域网完成二期观测。
“中国地壳运动观测网络二期工程”已申报完毕，计划完成后基准站达到260个（含在周边国家建立的l0个），区域站达到2000个，也就是在一期工程的基础上，增加235个基准站，1000个区域站，不再有基本站。
二期工程是“中国地壳运动观测网络”的延伸、完善和拓展，是面向21世纪的国家级地球科学与信息技术综合网络系统。
二期工程将由原来的四家单位增至五家，增加了中国气象局，采用资料共享、工程数据向各部委开放的运行方式，面向全国，多方位服务，具有不同尺度、高时空分辨率、高精度、准实时、多系统支持、多功能服务的特点。
四、全国地壳运动监测网和局部地壳形变监测网
全国高精度GPS地壳运动监测网由中国地震局组织实施的，并定期进行复测。
从1992年起，为了对重点地区地震活动进行监测，中国地震局在全国部分地震活动较活跃地区建立了一些局部高精度地壳形变监测网，如青藏监测网、川滇监测网、首都圈监测网新疆地区监测网等，这些形变监测网不仅进行了GPS观测，也进行了水准测量。
它是根据地壳运动情况定期进行高精度的三维测量。
上述各种全国性、高精度GPS网在布设时是独立的，除网络工程基准站外都不是连续观测网，1998年在总参测绘局、国家测绘局、中国地震局三家协调下，对上述GPS网进行了联合平差，网与网之间有了联系。
1.1.2GPS控制网的优化设计的目的
GPS网优化设计的等级分类。
由于GPS网同经典控制网的诸多不同，导致了GPS网的优化设计不完全等同于经典控制网的优化设计[5]。
一般分为四级。
零类优化设计是已知GPS网平差模型中的系数阵A和权阵P的基础上，求解协因数阵Qxx的过程。
其实际上是一个平差的过程。
除了一些形变观测网和特殊网以外，对于一般实际应用的GPS网来说没有太大的意义。
一级优化设计是在大致确定了总点数，总基线数的基础上，通过对网形的优化设计求出数学模型中系数阵A，以使得Qxx达到设计要求的过程。
因为GPS网的精度与网形和传递三角形的角度没有太大的关系，所以不改变基线的连接方式，只单纯的改变点的位置对精度的提高没有意义。
而当改变基线连接方式的时候，异步环的边数、个数、形式就会有所改变，这样就对网的精度和可靠性产生影响。
因此对系数阵A的设计是很有意义的。
二级优化设计是在已确定网形即确定了系数阵A和未知数协因数阵Qxx后，优化设计权阵P的过程。
因为GPS网中的权与基线的长度没有直接的关系。
而当确定了整周模糊度之后，再增加观测时间也不会明显提高观测值的权，因此在GPS网优化设计，尤其是不同作业模式不同精度类型的GPS接收机联合作业的GPS网的优化设计中，权阵P的设计也有了一定的意义。
三级优化设计是对精度没有达到限差要求的GPS网进行网的加密和改进，使其逐渐达到精度要求，也就是对网形结构强度的优化设计。
1.1.3GPS控制网优化设计意义
GPS控制网的优化设计是进行GPS定位的基础性工作，它是依据测量任务书提出的GPS网的用途、精度、密度和经济指标，结合国家有关测量规程的规定，经过现场踏勘，在确定的地形、地物、交通等条件下，对GPS控制网的坐标基准（投影面、投影带）、网形、外业观测调度等方面进行具体设计，并根据所设计的控制网图形和所选择GPS接收机的精度进行GPS控制网精度、可靠性的估算。
在各种设计方案中选择即可满足精度、可靠性要求，又能使整个建网费用最少，达到控制网优化设计的目的。
根据GPS测量特点分析可知，GPS网需要以一个点的坐标为定位基准，而此点的精度高低直接影响到网中各基线向量的精度和网的最终精度。
同时由于GPS网的尺度含有系统误差以及同地面网的尺度匹配问题，所以有必要提供精度较高的外部尺度基准。
由于GPS网的精度与网的几何图形结构无关，且与观测权相关甚小，而影响精度的主要因素是网中各点发出基线的数目及基线的权阵。
因此，提出了GPS网形结构强度优化设计的概念，讨论增加的基线数目、时段数、点数对GPS网的精度、可靠性、经济效益的影响。
同时，经典控制网中的三类优化设计，即网的加密和改进问题，对于GPS网来说，也就意味着网中增加一些点和观测基线，故仍可将其归结为对图形结构强度的优化设计。
综上所述，GPS网的优化设计主要归结为两类内容的设计：
（1）GPS网基准化的优化设计。
（2）GPS网图形结构强度的优化设计，其中包括：
网的精度设计，能力的可靠性设计，网发现系统误差能力的强度设计。
第2章GPS网的优化建立的基本原理
2.1全球定位技术的概况
全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）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。
全球定位系统（GlobalPositioningSystem，缩写GPS）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[1]。
按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用30颗高度约2.018万千米的卫星组成卫星星座。
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，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。
地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成。
监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测定；
主要设备包括1台双频接收机，1台高精度原子钟，1台电子计算机和若干台环境数据传感器。
它利用接收机求出卫星相对其原子钟的伪距和伪距差，利用原子钟获得时间标准，利用环境传感器得到当地的气象数据，然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态传给主控站。
主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算和传播设备，主要作用是：
（1）收集数据：
收集各监测站获得的伪距和伪距差观测值，卫星时钟、气象参数和工作状态等；
（2）数据处理：
根据收集到的数据计算各卫星的星历，时钟改正，卫星状态和大气传播改正。
并将这些数据按照一定格式编成导航电文，并及时将导航电文传给注入站。
导航电文的作用即在于获得卫星的坐标；
（3）时间协调：
各测站和GPS卫星的原子钟均应与监控站的原子钟同步，或测出其间的钟差；
（4）控制卫星：
修正卫星的运行轨道，调用备用卫星更换失效卫星；
注入站是无人值守的工作站，设有3.66m的抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机；
其作用是将主控站编制的导航电文等资料以既定的方式注入到卫星存储器钟，供卫星向用户发射。
由监测站连续接收GPS卫星信号，不断积累测距数据，并将这些测距数据以及气象数据、卫星状态数据等发送到主控站；
主控站对测距数据进行包括电离层、对流层、相对论效应、天线相位中心的偏移以及地球自转和时钟改正等的传播时间延迟改正，并用卡尔曼滤波器进行连续数据平滑及最小二乘与多项式拟合，以提供卫星的位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数、卫星的时钟偏差；
最后注入站将主控站的导航电文注入到卫星的存储器中。
全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，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。
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，后来的应用开始表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用于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，亚米级至厘米级的速度测量和毫秒级精度的时间测量。
因此，GPS系统展现了极其的应用前景。
（1）GPS系统用途广泛
（2）多元化空间资源环境的出现
（3）发展GPS产业
（4）GPS的应用将进入人们的日常生活
我国的GPS技术发展迅速，在大地测量，工程测量方面，航空摄影测量方面和地球动力学方面都有很大发展。
近几年，我国的GPS技术应用正向更深层次发展。
2.2GPS布网的基本形式
网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；
同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。
根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连接四种基本方式。
也有布设星形连接、符合导线连接等。
选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
（1）点连式
点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。
以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。
（2）边连式
边连式是指同步图形之间由一条公共基线连接。
这种布网方案，网的几何强度较高有较多的复测和非同步图形闭合条件。
在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。
（3）边点混合连接式
边点混合连接式是指把点连式和边连式有机地结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，又能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
（4）网连式
网连式是相邻同步图形之间有两个以上的公共点连接,需接收机4台以上。
虽然可靠性和几何强度较高,但时间费用花费较多,用于高精度控制测量。
（5）三角锁（多边形连接）
可边连或点连组成连续三角形,是用于狭长地区,如铁路、公路及管线工程勘测。
（6）导线网形连接（环形）
有独立边进行封闭,构成非同步图形,适用于精度较低的GPS布网。
（7）星形步设
以一台GPS接收机为中心,其它接收机流动作业。
不受同步条件限制,速度快,用于精度较低的工程测量、地质、地球物理测点、边界测量、地籍测量和碎步测量等。
2．3GPS控制网优化设计方案
随着市场经济和体制改革的深入，用户对测绘产品的需求已不仅仅停留在高质量、高速度上，同时要求更低的消耗，力求以最少的成本投入来获得给定精度的测绘产品，这种需求趋势在面向市场的招投标工程中体现得尤为显著。
如何对占测绘工程外业工作量1／3的控制网进行优化设计，使其既能满足用户的精度要求，又能使成本投入得到有效的控制，并力求最低消耗，以提高项目效益，是一个值得研究的课题。
为此，我们在若干工程中进行了研究与实验，取得了显著成效，并得出了在计算机软件辅助下的解决方案和实现方法[5]。
2.3.1GPS控制网的特点
（1）网形与卫星空间分布的几何图形相关。
GPS控制网的精度与网中的点所构成的几何图形没有关系，与观测权相关程度不大，与边和边所构成的角度无关，主要取决于网中个点发出基线的数目及基线的权阵。
（2）具有非层次结构性。
根据采用仪器类型和作业模式不同，得到不同精度的观测值，这与经典控制网的“逐级控制”、“分级施测”没有关系，GPS网可用相同精度一次扩展达到所需的密度设计要求。
（3）没有误差积累且分布均匀。
误差积累是经典控制网存在特性之一，而GPS网则没有误差的积累。
而且误差分布比较均匀，各边的方位和边长的相对精度基本是相同的。
（4）简单易行的必要基准条件。
GPS网的观测数据（基线向量）中包含了尺度和方位信息，理论上只需要一个已知点的坐标即可确定GPS网的平移。
2.3.2提高GPS网可靠性的方法
首先，增加观测期数。
这样测得的独立基线数就会增加，可以提高控制网的可靠性精度。
其次，保证一定的重复设站次数。
重复设站次数可以确保GPS网的可靠性，原因有二：
（1）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。
（2）当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观察时，各个时段必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。
再次，保证每个测站独立基线相连在3条以上。
3条以上的独立基数相连，可使测站具有较高的可靠性。
在布设GPS网时，各个点的可靠性与该点上所连接的基线数直接相关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
最后，在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条。
在布设GPS网时，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。
2.3.3提高GPS网精度的方法
对已经布设好的GPS网，可以采用一定的方法提高其精度：
（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）引入高精度激光测距边，作为观测值（基线向量）一同进行联合平差，或将它们作为起算边长；
（4）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，将整个网包围在其中；
（5）为提高GPS网的尺度精度，可采用如下的方法：
增设长时间、多时段的基线向量。
综上所述:
GPS网的优化设计主要有以下两类：
一是GPS网的基准优化设计；
二是GPS网图形结构强度的优化设计。
所以，GPS网优化设计应改变传统网中的一些观念，在设计GPS网时，主要着手GPS网的基准问题以及GPS网图形结构强度的优化设计，同时合理安排仪器数，观测顺序，设计出最佳的观测方案，应注意以下四点：
（1）不改变基线向量连接关系的情况下，只在小范围内移动点位，对点位的精度和可靠性基本没有影响。
（2）在网点数确定的情况下，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。
（3）要合理的确定观测方案，首先最小观测期数（同步观测次数），以为这样对合理安排技术人员，仪器设备，准确的以估计外业观测时间，车辆调配等均能起到指导作用。
（4）另外，观测方案的制定还包括确定观测时间段的长短，以为时间段的长短直接影响观测结果的精度，一般情况下观测时间段长对提高光测结果精度是有一得。
第3章GPS控制网的质量分析
GPS控制网与常规控制网一样要满足一定的质量要求。
控制网优化设计的目的就是使控制网具有较高的质量，以满足控制网的不同需要。
GPS控制网的质量也可以从四个方面考虑，精度、可靠性、费用、灵敏度。
不同用途的网可能对不同的质量指标有所侧重。
对于GPS控制网除了考虑前三个质量指标外，灵敏度是变形控制网需要满足的标准。
3．1精度指标
控制网的精度是描述随机误差对控制网结果的影响程度。
一般用未知参数的方差或协方差来描述。
精度指标是描述误差分布离散程度的一种量度，是对控制网进行的一种常规质量分析
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