最新GPS定位原理及应用》授课教案资料.docx
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最新GPS定位原理及应用》授课教案资料
教学内容:
本节主要介绍GPS测量技术设计的一般要求和设计指标。
教学重点:
1.介绍GPS测量技术设计的依据;
2.介绍GPS测量的标准;
3.介绍GPS测量的图形设计。
教学难点:
GPS的图形设计。
教学方法:
课堂教学为主,充分利用多媒体教学方法。
教学要求:
学会局部性的GPS控制网的图形设计,掌握GPS测量技术设计书的编写。
8.1.1GPS网技术设计的依据
1.GPS测量规范(规程)
(1)《全球定位系统(GPS)测量规范》
(2)《全球定位系统城市测量技术规程》
(3)各行业部门的其他GPS测量规程或细则
2.测量任务书
8.1.2GPS网的精度,密度设计
1.GPS测量精度标准及分类
(1)GPS测量精度分类
对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。
用于地壳形变及国家基本大地测量的GPS控制网可按表8-1分级。
表8-1GPS测量精度分级
(一)
级别
主要用途
固定误差a(mm)
比例误差b(mm)
A
地壳形变测量或国家高精度GPS网建立
≤5
≤0.1
B
国家基本控制测量
≤8
≤1
用于城市或工程的GPS控制网可按表8-2分级。
表8-2GPS测量精度分级
(二)
等级
平均距离(km)
a(mm)
b(mm)
最弱边相对中误差
二
9
≤10
≤2
1/12万
三
5
≤10
≤5
1/8万
四
2
≤10
≤10
1/4.5万
一级
1
≤10
≤10
1/2万
二级
1
≤15
≤20
1/1万
(2)GPS测量的精度标准
GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示,其形式为:
(8-1)
式中:
σ——距离中误差(毫米);
ɑ——固定误差(mm);
b——比例误差系数(ppm);
d——相邻点之间的距离(km)。
实际生产中,应根据测区大小、GPS网的用途,来设计网的等级和精度标准。
2.GPS点的密度标准
制定GPS网的密度标准,主要考虑任务要求和服务对象。
密度可参照表8-3的规定执行。
表8-3GPS网中相邻点间距离(单位:
km)
级别
项目
A
B
C
D
E
相邻点最小距
100
15
5
2
1
相邻点最大距
2000
250
40
15
10
相邻点平均距
300
70
15~10
10~5
5~2
8.1.3GPS网的基准设计
1.基准设计的定义:
在GPS网的技术设计中,必须明确GPS网的成果所采用的
坐标系统和起算数据的工作,称为GPS网的基准设计。
GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。
2.基准设计应考虑的几个问题:
(1)应在地面坐标系中选定起算数据和联测原有地方控制点若干个,用以转换坐标。
(2)对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制点,除未知点连结图形观测外,对它们也要适当地构成长边图形。
(3)联测的高程点需均匀分布于网中,对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。
(4)新建GPS网的坐标应尽可能与测区过去采用的坐标一致。
8.1.4GPS网构成的几个基本概念及网特征条件
1.GPS网图形构成的几个基本概念
观测时断:
测站上开始接收卫星信号到观测停止,连续工作的时间段,简称时段。
同步观测:
两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。
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,则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接收机的同步观测环,有J条同步观测基线,其中独立基线数为N-1。
非独立基线:
除独立基线外的其它基线叫非独立基线,总基线数与独立基线之差即为非独立基线数。
2.GPS网特征条件的计算
观测时断数:
(8-2)
式中:
n为网点数,m为每点设站数,N为接收机数。
总基线数:
(8-3)
必要基线数:
(8-4)
独立基线数:
(8-5)
多余基线数:
(8-6)
3.GPS网同步图形构成及独立边的选择
根据(8-3)式,对于由N台GPS接收机构成的同步图形中一个时断包含的GPS基线数为:
(8-7)
但其中仅有N-1条是独立的GPS边,其余为非独立边。
当接收机数N=2~5时所构成的同步图形见图8-1。
对应于图8-1的独立GPS边可以有如图8-2所示的不同选择。
当同步观测的GPS接收机数N≥3时,同步闭合环的最少数应为:
(8-8)
N与J、T的关系见下表:
表8-4N与J、T的关系表
N
2
3
4
5
6
J
1
3
6
10
15
T
0
1
3
6
10
8.1.5GPS网的图形设计
1.GPS网的图形设计
根据对所布设的GPS网的精度要求和其它方面的要求,设计出独立的GPS边构成的多边形网,称为GPS网的图形设计。
2.GPS网的图形
(1)点连式:
如图8-3,相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。
(2)边连式:
如图8-4,同步图形之间由一条公共基线连接。
(3)网连式:
指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。
(4)边点混合连接式:
如图8-5,把点连式与边连式有机地结合起来,组成GPS网的方式。
(5)三角锁连接:
如图8-6,用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形。
(6)导线网形连接:
如图8-7。
(7)星形布设:
如图8-8
教学内容:
本节主要介绍GPS测量技术设计书的编写要求和内容。
教学重点:
1.介绍GPS测量的外业准备工作;
2.介绍GPS接收机检验的内容;
3.介绍GPS测量技术设计书的编写方法。
教学难点:
GPS接收机的检验和设计书的编写。
教学方法:
课堂教学为主,充分利用多媒体教学方法。
教学要求:
了解GPS接收机检验的内容和方法,掌握GPS测量技术设计书的编写。
8.2.1测区踏勘
测区踏勘主要了解下列情况:
1、交通情况;
2、水系分布情况;
3、植被情况;
4、控制点分布情况;
5、居民点分布情况;
6、当地风俗民情。
8.2.2资料收集
1、各类图件;
2、各类控制点成果;
3、测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料;
4、城市及乡、村行政区划表。
8.2.3设备、器材筹备及人员组织
设备、器材筹备及人员组织包括以下内容:
1、筹备仪器、计算机及配套设备;
2、筹备机动设备及通讯设备;
3、筹备施工器材,计划油料,材料的消耗;
4、组建施工队伍,拟定施工人员名单及岗位;
5、进行详细的投资预算。
8.2.4拟定外业观测计划
1.拟定观测计划的主要依据:
(1)GPS网的规模大小;
(3)GPS卫星星座几何图形强度;
(4)参加作业的接收机数量;
(5)交通、通讯及后勤保障。
2.观测计划的主要内容:
(1)编制GPS卫星的可见性预报图;
(2)选择卫星的几何图形强度;
(3)选择最佳观测时断;
(4)观测区域的设计与划分;
(5)编排作业调度表;作业调整度表见表8-6。
表8-6GPS作业调度表
时段
编号
观测
时间
观测者
观测者
观测者
机号
机号
机号
点名
备注
点名
备注
点名
备注
点号
点号
点号
1
2
3
4
(6)采用规定格式GPS测量外业观测通知(见表8-7)单进行调度。
表8-7GPS测量外业观测通知单
观测日期年月日
组别:
操作员:
点位所在图幅:
测站编号/名:
观测时断:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
安排人:
年月日
8.2.5设计GPS网与地面网的联测方案
GPS网与地面网的联测,可根据测区地形变化和地面控制点的分布而定,一般在GPS网中至少要重合观测三个以上的地面控制点作为约束点。
8.2.6GPS接收机选型及检验
1.接收机的选用
接收机的选用可参考下表:
2.接收机的检验
接收机全面检验的内容,包括一般性检视、通电检验和实测检验。
(1)一般检验:
主要检查接收机设备各部件及其附件是否齐全、完好,紧固部分是否松动与脱落,使用手册及资料是否齐全等。
(2)通电检验:
接收机通电后有关信号灯、按键、显示系统和仪表的工作情况,以及自测试系统的工作情况,当自测正常后,按键作步骤检验仪器的工作情况。
(3)实测检验:
测试检验是GPS接收机检验的主要内容。
其检验方法有:
用标准基线检验;已知坐标、边长检验;零基线检验;相位中心偏移量检验等。
①用零基线检验接收机内部噪声水平。
基线测试方法如下:
●选择周围高度角10○以上无障碍物的地方安放天线,按图8-9连天线、功分器和接收机。
●连接电源,二台GPS接收机同步接收四颗以上卫星1~1.5h。
●交换功分器与接收机接口,再观察一个时段。
●用随机软件计算基线坐标增量和基线长度。
基线误差应少于1mm。
否则应送厂检修或降低级别使用。
②天线相位中心稳定性检验
●该项检验可在标准基线、比较基线或GPS检测场上进行。
●检测时可以将GPS接收机带天线两两配对,置于基线的两端点。
●按上述方法在与该基线垂直的基线中(不具备此条件,可将一个接收机天线固定指北,其它接收机天线绕轴顺时针转动90°,180°,270°)进行同样观察。
●观测结束,用随机软件解算各时段三维坐标。
③GPS接收机不同测程精度指标的测试。
该项测试应在标准检定场进行。
检定场应含有短边和中长边。
基线精度应达到1*10-5。
检验时天线应严格整平对中,对中误差小于±1mm。
天线指向正北,天线高量至1mm。
测试结果与基线长度比较,应优于仪器标称精度。
④仪器的高度低温试验:
对于有特殊要求时需对GPS接收机进行高、低温测试。
⑤对于双频GPS接收机应通过野外测试,检查在美国执行SA技术时其定位精度。
⑥用于天线基座的光学对点器在作业中应经常检验,确保对中的准确性,其检校参照控制测量中光学对点器核校方法。
8.2.7技术设计书编写
资料收集全后,编写技术设计,主要编写内容如下:
1.任务来源及工作量
包括GPS项目的来源、下达任务的项目、用途及意义;GPS测量点的数量(包括新定点数、约束点数、水准点数、检查点数);GPS点的精度指标及坐标、高程系统。
2.测区概况
测区隶属的行政管辖;测区范围的地理坐标,控制面积;测区的交通状况和人文地理;测区的地形及气候状况;测区控制点的分布及对控制点分析、利用和评价。
3.布网方案
GPS网点的图形及基本连接方法;GPS网结构特征的测算;点位布设图的绘制。
4.选点与埋标
GPS点位的基本要求;点位标志的选用及埋设方法;点位的编号等。
5.观测
对观测工作的基本要求;观测纲要的制定;对数据采集提出注意的问题
6.数据处理
数据处理的基本方法及使用的软件;起算点坐标的决定方法,闭合差检验及点位精度的评定指标。
7.完成任务的措施
要求措施具体,方法可靠,能在实际工作中贯彻执行。
8.