GPS控制测量及地形图测绘新技术培训.docx
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GPS控制测量及地形图测绘新技术培训
GPS控制测量及地形图测绘新技术培训
第一部分 GPS测量
－、GNSS的概念
说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：
GNSS系统——GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem（全球卫星导航系统）的缩写。
目前GNSS系统分为全球卫星导航系统和区域性卫星导航系统。
1.GNSS系统介绍
主要功能：
1.导航2.定位测量3.授时
特点：
全球地面覆盖，无须通视；实时，
全天候；成果精度高；劳动强度低，自动
化程度高；真三维坐标
①美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem）
是第二代卫星导航系统。
是在原子午仪卫星导航系统（第一代）的基础上发展的，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。
全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万公里的卫星组成。
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。
②俄罗斯的格洛纳斯全球卫星系统
“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTE”的缩写。
作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。
最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。
俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。
按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。
到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。
该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。
GLONASS的工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。
这三个轨道平面两两相隔120度，同一平面内的卫星之间相隔45度。
每颗卫星都在高19100公里、64.8度倾角的轨道上运行。
卫星运行周期11小时15分钟。
地面控制部分全部都位于前苏联领土境内，地面控制中心和时间标准位于莫斯科，遥测和跟踪站位于圣彼得堡、Ternopol、Eniseisk和共青城。
③欧洲的“伽利略定位系统”（Galileo）：
Galileo系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，预计2008年系统建成并投入运营。
星座由30颗卫星组成。
采用中等地球轨道，均匀分布在高度约为2.3万公里的3个轨道面上，包括27颗工作星和3颗备份卫星。
位于3个倾角为56度的轨道平面内。
系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。
“伽利略”接收机不仅可以接受本系统信号，而且可以接受GPS、“格洛纳斯”这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合、与其他导航系统相结合的优越性能。
该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。
“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。
④中国的北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem）包括北斗一号和北斗二号两代系统，是中国研发的卫星导航系统。
北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。
“北斗二号”将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务，预计将于2020年前建成由30多颗卫星组成的、覆盖全球的卫星导航定位系统。
⑤区域性卫星导航系统主要有印度的（IRNSS）以及日本的GPS增强系统。
只为本国提供服务。
3.GPS定位原理
是根据高速运动卫星的瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。
如图所示，在待测点设置GPS接收机，在某一时刻tk同时接收到3颗以上卫星S1、S2、S3、S4所发出的信号。
通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3、ρ4。
根据卫星星历可查到该时刻4颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j＝1，2，3，从而由下式解算出待测点的三维坐标（X，Y，Z）（第四式用于检核）：
ρ12=（ X-X1）2+（ Y-Y1）2+（ Z-Z1）2
ρ22=（ X-X2）2+（ Y-Y2）2+（ Z-Z2）2
ρ32=（ X-X3）2+（ Y-Y3）2+（ Z-Z3）2
ρ42=（ X-X4）2+（ Y-Y4）2+（ Z-Z3）2
4.GPS的定位模式
①相对定位：
相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，它广泛用于高精度测量工作中。
由于GPS测量结果中不可避免地存在着种种误差；但这些误差对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同线性组合进行相对定位，便可能有效地消除或减弱上述误差的影响，提高GPS定位的精度，同时消除了相关的多余参数，也大大方便了GPS的整体平差工作。
如果用平均误差量与两点间的长度相比的相对精度来衡量，GPS相位相对定位的方法的相对定位精度一般可以达10-6（1ppm），最高可接近10-9。
静态相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，固定不动；同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在WGS—84坐标系中的相对位置或基线向量，由于在测量过程中，通过重复观测取得了充分的多余观测数据，从而改善了GPS定位的精度。
②单点定位：
SPP（SinglePointPositioning），其优点是只需用一台接收机即可独立确定待求点的绝对坐标；且观测方便，速度快，数据处理也较简单。
主要缺点是精度较低，一般来说，只能达到米级的定位精度，目前的手持GPS接收机大多采用的该技术。
③精密单点定位：
PPP（PrecisePointPositioning）,利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的高精度的卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。
目前，根据一天的观测值所求得的点位平面位置精度可达2-3cm,高程精度可达3～4cm,实时定位的精度可达分米级。
但该定位方式所需顾及方面较多，如精密星历、天线相位中心偏差改正、地球固体潮改正、海潮负荷改正、引力延迟改正、天体轨道摄动改正等，所以精密单点定位目前还处于研究、发展阶段，有些问题还有待深入研究解决。
由于该定位方式只需一台GPS接收机，作业方式简便自由，所以PPP已成为当前GPS领域一个研究热点。
根据定位模式：
绝对定位、相对定位、差分定位单点定位
5.GPS系统的组成（以美国的全球定位系统（GPS）为例）
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300亿美元，于1994年全面建成。
它是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为海、陆、空三军提供精密导航，向特殊用户进行授时，还可以用于情报收集、核爆监测、应急通讯和卫星定位等一些军事目的。
⑴系统组成
GPS系统包括三大部分：
地面控制部分；空间部分；用户部分。
下图显示了GPS定位系统的三个组成部分及其相互关系：
①地面控制部分
GPS的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站组成的监控系统所构成。
根据其作用的不同，跟踪站分为主控站、监控站和注入站。
主控站有一个，位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。
它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站还具有监控站的功能。
监控站有5个，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。
注入站有3个，注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。
地面监控系统提供每颗GPS卫星所播发的星历。
并对每颗卫星工作情况进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准－GPS时间系统（GPST）。
②空间部分
GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（21+3）GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。
每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。
GPS卫星信号：
载波：
L波段双频L11575.42MHz，L21227.60MHz
卫星识别：
码分多址（CDMA）
测距码：
C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授权用户）
导航数据：
卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正
③用户部分
主要指GPS接收机，此外还包括气象仪器、计算机、钢尺等仪器设备组成。
GPS接收机主要由天线单元，信号处理部分，记录装置和电源组成。
天线单元由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。
接收天线把卫星发射的十分微弱的信号通过放大器放大后进入接收机。
GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。
信号处理部分是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。
记录装置主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。
电源分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。
GPS接收机的基本类型主要分为大地型、导航型和授时型三种。
（见图10-4）其中，大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。
RTK系统导航型接收机大地型接收机
⑵ GPS系统的特点
GPS系统的特点：
高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。
①定位精度高
应用实践已经证明，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，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
②观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，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，因此可节省大量的造标费用。
由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，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
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。
GPS可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
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：
定位：
如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生。
导航：
如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导。
测量：
主要用于测量时间、速度、及大地测绘，如水下地形测量、地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测等。
授时。
7.GPS测量中的几个基本概念
①观测时段
从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段，是GPS测量的基本单位
②时段长度
观测时段所持续的时间（即开机至关机期间）
③同步观测
两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测；
④基线向量
a）利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差
b）与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统
⑤GPS基线向量网
采用GPS技术布设的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成
⑥同步观测基线
利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量
⑦在一个时段中，同步观测基线的数量
若在某时段共有n台接收机进行了同步观测，则共可得到n（n-1）/2条同步观测基线
⑧同步观测环
由三台或三台以上接收机进行同步观测所获得的基线向量所构成的闭合环
⑨异步观测环
由非同步观测获得的基线向量构成的闭合环
第二时段
第一时段
（同步环）（非同步环）
理论上采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。
（构成同步环的基线向量之间是线性相关的）
实践中如果算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小
注意：
同步环闭合差很小，还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求
⑩单基线解
在多台GPS接收机同步观测值中，每次选择2台接收机的观测数据解算相应的基线向量。
⑾多基线解
从m（m≥3）台GPS接收机同步观测值中，由m-1条独立基线构成观测方程，统一解算全部（m-1条）基线向量
注意：
完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的，是一组非独立基线向量，GPS控制网应由相互独立的基线向量构成
8.同步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式
9.独立观测环检验
特性：
与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量。
因此，独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标
10.GPS网的连接方式
点连式 边连式网连式
连接方式
特点
优点
缺点
点连式
相邻的同步图形间只通过一个公共点相连
作业效率高，图形扩展迅速
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
边连式
相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连
作业效率较高，图形强度较强
工作量大，作业效率适中较高
网连式
相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连
图形强度最强
工作量大，作业效率低
GPS控制网的基本图形
三角形网多边形网
附和导线网星形网
GPS控制网的基本图形的特点
基本图形
定 义
优 点
缺 点
提高图形强度
的方法
三角形网
以三角形作为基本图形
几何强度高、抗粗差能力强、可靠性高
工作量大
加测对角线
多边形网
以多边形（边数≥4）作为基本图形
效率高，工作量较小，
图形强度不如三角形网
对多边形边数加以限制
附和导线网
附和导线（或称附和路线）作为基本图形
效率高，工作量较小
图形强度不如三角形网和多边形网
星形网
从一个已知点上分别与各待定点进行相对定位
效率高，工作量较小
抗粗差能力极差，应用于界址点、碎部点和低等级控制点（图根点）
从两个已知点（基准站）上对同一待定点（流动站）进行观测；适当复测
11.GPS定位中的误差源
1.卫星有关的误差
（1）卫星星历误差
由卫星星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。
星历误差的大小主要取决于卫星定轨系统的质量，如定轨站的数量及其地理分布，观测值的数量及精度，定轨时所有的数学力学模型和定轨软件的完善程度等。
此外与星历的外推时间间隔（实测星历的外推时间间隔可视为零）也有直接关系。
（2）卫星钟的钟误差
卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免地存在误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随机误差。
系统误差远较随机误差的值大，而且可以通过检验和比对来确定并通过模型来加以改正；而随机误差只能通过钟的稳定度来描述其统计特性，无法确定其符号和大小。
2.与信号传播有关的误差
与GPS信号传播有关的误差主要是大气折射误差和多路径效应。
（1）电离层延迟
电离层（含平流层）是高度在先60～1000km间的大气层。
在太阳紫外线X射线、
射线和高能粒子的作用下，该区域内的气体分子和原子将产生电离，形成自由电子和正离子。
带电粒子的存在将影响无线电信号的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使信号传播时间t与真空中光速c的乘积
不等于卫星至接收机的几何距离，产生所谓的电离层延迟。
电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子含量TEC和信号的频率f。
而TEC又与时间、地点、太阳黑子数等多种因素有关。
测距码伪距观测值和载波相位观测值所受到的电离层延迟大小相同，但符号相反。
（2）对流层延迟
对流层是高度在50km以下的大气层。
整个大气中的绝大部分质量集中在对流层中。
GPS卫星信号在对流层中的传播速度V=c/n。
以为真空中的光速，n为大气折射率，其值取决于气温、气压和相对湿度等因子。
此外，信号的传播路径也会产生弯曲。
由于上述原因使距离测量值产生的系统性偏差称为对流层延迟。
对流层对测距码伪距和载波相位观测值的影响是相同的。
（3）多路径误差
多路径误差:
经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差。
多路径误差对测距码伪距观测值的影响要比对载波相位观测值的影响大得多。
多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。
3.与接收机有关的误差
（1）接收机的钟误差
与卫星钟一样，接收机钟也有误差。
而且由于接收机中大多采用的是石英钟，因而其钟误差较卫星钟更为显著。
该项误差主要取决于钟的质量，与使用时的环境也有一定关系。
它对测距码伪距观测值和载波相位观测值的影响是相同的。
（2）接收机的位置误差
在进行授时和定轨时，接收机的位置是已知的，其误差将使授时和定轨的结果产生系统误差。
该项误差对测码伪距观测值的影响是相同的。
进行GPS基线解算时，需已知其中一个端点在WGS-84坐标系中的坐标，已知坐标的误差过大也会对解算结果产生影响。
（3）接收机的测量噪声
这是指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。
一般而言，测量噪声的值均小于上述的各种偏差值。
观测足够长的时间后，测量噪声的影响通常可以忽略不计。
4.相对论效应
5．其它因素
GPS控制部分人为或计算机造成的影响；
由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等；
数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。
第二部分 GPS控制测量
一、常用的坐标系统
坐标系统
椭球名称
年代
长半轴
扁率
1954北京坐标系
克拉索夫斯基
1940
6378245
298.3
1980西安坐标系
1980大地坐标系
1979
6378140
298.257
WGS－84坐标系
WGS-84
1984
6378137
298.257223563
CGCS2000大地坐标系
2000
6378137
298.257222101
二、GPS网的建立
全面网
GPS网是采用GPS定位技术建立的测量控制网，由GPS点和基线向量构成。
其中：
□-起算点 ○－待求点 －基线向量
目前，所有的GPS控制测量解算均是在WGS－84坐标系下进行的，其成果无论是大地坐标还是空间直角坐标都是WGS－84坐标系成果。
由于所采用椭球不同，不同坐标系之间须进行转换计算。
采用GPS定位技术建立的测量控制网，理论上不一定要布设控制网，而可以直接以已知点为起点，按照单基线方式测量，但是处理基线向量中存在的误差或粗差等进行有效处理，结果的可靠性差。
通过布网的形式，利用点与点、基线向量之间、点与基线向量之间的各种几何关系，通过平差计算来消除由观测值和起算数据中存在的误差所导致的控制网在几何上的不一致，（如环闭合差不为０，复测基线不相等、符合线路坐标差不为０等），从而获得精确的测量成果。
二、建立GPS控制网的过程一般为技术设计、测量实施、数据处理、成果整理几个步骤。
1.技术设计：
确定地理位置和控制范围，确定控制网的精度及等级，点位分布及数量，成果形式及内容，工期和经费等。
2.测量实施：
根据布网方案选点、埋石，根据卫星星历预报确定观测方案，外业观测，数据传输和备份，基线解算及质量控制（对于不合格数据及时返工）。
基线解算完成后，下一步的GPS控制网平差过程基本与常规地面控制网平差是一样的。
3.数据处理：
控制网平差及其质量控制（包括观测基线向量的质量检核，采用合格的独立基线向量组成GPS网进行三维平差计算，解算出GPS点的三维空间坐标成果，再转换为相应的二维平面坐标系成果。
必要时还可利用GPS成果确定网中各点的正高或正常高（利用GPS水准进行拟合运算）。
4.成果整理：
GPS控制成果包括技术设计书、技术总结、观测数据、基线解算和平差计算手簿，控制点成果表等。
三、GPS网的质量控制
质量控制是用来确保测量成果达到规定质量水平所采取的作业技术和管理措施。
是通过对成果的测量过程进行监控，采用各种必要地作业技术和管理措施消除生产过程中引起成果质量不合格的各种因素，使其达到质量要求。
对于GPS网而言，质量控制包括质量检验和质量改善两个层面的内容，质量检验是对GPS网的中间产品及最终成果的质量进行评估，即通过一系列量化指标来加以判定，质量改善是通过采取适当措施提高GPS网的中间产品及最终成果的质量。
影响GPS网质量的因素主要因素有：
1.基线向量的质量
2.起算数据的精度、数量、分布
3.联合平差时如距离、角度、方向、高差等常规地面观测值质量的影响。
4.GPS网的结构
5.数据处理方法的完备性。
四、技术设计
1.技术设计的作用
是依据网的用途、用户要求，按照国家、行业规范（规程）对基准、精度、密度、网形及作业纲要（观测时段数、时段长度、采样间隔、接收机类型及数量、数据处理方法软件等）作出的具体技术规定和要求。
技术设计提供了建立GPS网的技术准则，是项目实施和成果检查验收的技术依据。
2.技术设计的依据
①国家标准如GB/T18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》
②行业标准如CH2001-92《全球定位系统（GPS）测量规范》
③各部委根据本部门GPS测量的实际情况制定的测量规程和细则如JTJT-066-98《公路全球定位系统（GPS）测量规范》
④上级部门下达的测量任务书或与用户签订的测量合同书。
五、GPS网的精度
各等级GPS测量的相邻点间基线长度的精度用公式表示：
式中σ－基线向量的玄长中误差，单位为mm
a－固定误差单位mm b－比例误差系数单位为1×10-6
d－相邻点距离，单位mm
城市GPS测量精度指标（CJJ73-97）
等级
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