9600GPS测量系统.docx
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9600GPS测量系统
第一章北极星9600型GPS测量系统简介
1.1系统的特色、组成、性能指标及配置
1.1.1北极星9600型GPS新特色
9600智能一体化GPS接收机的问世，给广大GPS用户带来了惊喜。
轻巧的一体化设计能让您充分感受到休闲测量的快乐，没有电缆，没有电池，没有天线，任何东西都已内置在一个小小的主机壳里，宽大的液晶显示屏还可让您在采集数据时查看星历情况、卫星分布。
该机适合于不同层次用户，既可当傻瓜机使用，也可使用内置采集器来进行GPS数据采集工作。
另外，采用双电源系统，可以自动切换到另一块电池中供电，从而保证不间断测量工作。
9600高达16M的内存，能连续存储约二十天的采集数据。
1.1.2系统组成
9600型GPS测量系统可分为硬件、软件两个部分，具体组成如下：
硬件：
1.9600接收机（内置测量型天线及抑制多路径板）原装进口OEM板和CPU；
2.9600单片机内置采集器（内置采集软件）；
3.可充电电池及充电器；
4.铝或木三脚架；
5.数据传输电缆。
软件：
包括数据传输软件（计算机与9600主机通讯软件）、GPS数据处理系统（包含基线向量处理、闭合差自动搜索、网平差、高程拟合以及图形输出等功能）。
为达到高精度的大地测量要求，9600型GPS测量系统采用静态相对定位模式。
此时外业部分需两台或两台以上GPS接收机。
同时，为方便野外观测，提高野外作业的效率，建议用户在条件许可下配置更多GPS接收机。
我们所提供的标准配置为三台套，用户可视自己需要而增减。
9600型GPS测量系统还可扩展成后差分测量系统。
精度可达±0.1m——±1m（精度与作用距离成反比）。
后差分型测量系统，采用两台以上接收机同时作业观测，其中一台作基准站，一台作移动站。
该系统不需要实时数据链通讯就可进行类似于动态的测量，作用距离能达300公里以上。
数据经过处理可方便的进入CAD进行图形编辑，数据成果可导入Mapinfo等GIS系统。
后差分测量系统设备简单，操作灵活方便，可广泛应用于政府土地管理部门、测量部门、海洋调查、水利水土保持、森林详情普查、地质调查、林业资源勘查、石油、地矿勘探、航道测量、大地测量、控制测量、港口建设规划、航行标志定位设置、海上钻井定位、公路铁路测量、监测等行业。
1.1.3测量系统的主要技术参数
一、9600接收机：
──12个并行的独立通道、可同时接收12颗卫星
──L1载波相位、C／A码伪距，1575.42MHz
──扁平有源天线带内装式抑径板
──根据卫星高度及卫星运行的健康状况自动选择卫星
──flash闪存内存16M（与优盘同芯片组），可存储连续约20天数据量
──240*160的大液晶显示屏
──两块高性能锂电池连续工作时间长达16小时之久
二、静态相对定位精度：
──静态基线：
±（5mm+1ppm）
──高程：
±（10mm＋2ppm）
三、同步观测时间：
45分钟左右
注：
同步观测时间的多少与所测距离有关，当达到20公里以上时观测时段长度必须有两个小时以上（参见表2-3）；还与要求达到的精度有关，若要求精度高，则观测时间应长一些，精度要求较低则可相对缩短。
另外，同步观测时间还与观测时间段及卫星图形强度等因素有关。
例如，在夜间进行观测，其观测时间可比白天稍短（夜间电离层的影响较小）。
1.1.4测量系统的基本配置
用户在购买GPS时，请注意查收。
（单台9600基本配置如下：
）
配置名称
数量
配置类型
9600型GPS接收机（含仪器箱）
1台
标准配置
可充电锂电池
2个
充电器
1个
基座及对点器
1套
数据传输电缆线
1根/套
《9600型GPS测量系统操作手册》
1本
三脚架或对中杆
1付
外接电源电池
选配
电源电缆
外接充电器
另外，对于每个9600型GPS测量系统用户，还应有下列物件：
1.数据采集软件（已固化在主机芯片中）；
2.数据处理软件（9600主机与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件。
该软件可直接在南方公司网站下载）；
3.9600主机与计算机数据传输电缆。
1.29600型GPS测量系统的硬件
1.2.19600型GPS接收机
9600型GPS测量系统的GPS接收机主要部件均采自于国外，并经过严格检测，接收机性能相当稳定可靠。
一、组成单元：
9600型GPS接收机将天线、接收单元、数据采集单元、电源等合为一体，防水的外壳使9600型GPS接收机可适应各种恶劣的气候，一体化的设计使其极为坚固且电磁兼容性能优良，简便的操作很适合野外测量。
1.天线单元
有源高增益天线内置于接收机内，中心频率为1575.42MHz。
2.接收单元
接收单元由12个独立的并行通道组成，采集的数据为L1载波相位、C/A码伪距及广播星历。
3.数据采集单元
数据采集单元采用32位微控制器进行运算，确保在各种情况下都能迅速地进入定位状态（正常情况下仅需数秒）并选择最佳观测卫星。
单台9600型GPS接收机，见图1-1。
图1-1单台GPS接收机照片
二、9600接收机的主要技术指标:
★信号：
借助C/A码重建的L1载波，经载波相位平滑的C/A码伪距，广播星历
★通道数：
12个独立的并行通道，可同时接收12颗卫星的信号
★有源天线带内装式抑径板，1575.42MHz
★根据卫星高度及健康状况自动选择卫星
★单点定位：
15m*
★数据输出：
RS－232C电平接口
★安装方式：
直接安装在对中杆上或利用基座安装在三脚架上
★相位中心：
接收机顶部正中
★使用环境温度：
－20～＋60℃
★贮存环境温度：
－25～＋70℃
★电源输入：
直流6V～10V
★功耗：
<1.8瓦
★重量：
1.5千克
*单点定位及导航精度受制于美国国防部人为降低精度的选择性服务政策（SA政策），在该政策作用下一般为100米的精度。
1.2.2电池及充电器
9600型GPS接收机采用可充电锂电池，充足电的电池可连续给9600供电16小时。
与之相配的大电流脉冲充电器只需充电3小时，便可将电池充足。
另外用户还可以选择配置外接电源，当然要选用专用的电源电缆才能给主机供电，外接电源适用于野外采集时间较长时使用。
电池充电时，将充电器插入220V交流电插座中，电缆线一端插入电池插座中，打开电池的开关，这时充电指示灯亮红灯，当电池被充足之后，指示灯变绿。
如果充电器没有连接电池，或者电池没有打开开关，指示灯显示为红灯。
另液晶显示屏上也有电池电量多少的显示。
1.2.3基座及对中器
9600型GPS接收机使用标准的三爪基座（脚架为英制）。
1.39600型GPS测量系统软件组成
9600软件由三大部分组成：
第一部分外业采集软件
本软件采用C语言编写，且已固化在单片机的内存中，软件分人工采集和傻瓜式采集两种工作模式，文件结构采用FFS文件结构，该文件结构稳定，采集的数据永远不会混乱或者丢失。
具体使用参看本说明书第三章。
本软件可在线实时升级
第二部分数据传输软件
数据传输软件为工具软件，主要作用是将9600主机采集的数据传输到电脑中，即起连接电脑和9600主机的通讯作用，并能对9600接收机进行设置和注册，具体使用参看本说明书第四章。
第三部分基线处理平差软件
本软件属内业计算软件，对GPS采集数据进行基线处理，并在此基础上进行网平差计算，具体介绍和使用请看相关配套说明书。
1.49600型GPS接收机充电及电源装卸
一、打开9600主机背面的电池后盖（见图1-2）；
图1-2装卸电池第一步
二、将电池后盖打开后取出锂电池（见图1-3），然后用配套充电器充电。
图1-3装卸电池第二步
第二章9600型GPS测量系统实测
下面将对北极星9600型测量系统具体的实测过程进行详细的介绍。
由于GPS测量工作的实施方法取决于用户的具体要求，因此这里有必要对使用9600型GPS测量系统建立控制网的一般过程、作业的方法和原则进行介绍。
至于有特殊要求的用户还可参照国家有关部门颁发的测量规范。
2.1概述
GPS测量工作与经典大地测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。
其中：
外业工作主要包括选点（即观测站址的选择）、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。
如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：
技术设计、选点与建立标志、外业观测、成果检核与处理。
GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，对这项工作总的原则是，在满足用户要求的情况下，尽可能地减少经费、时间、和人力的消耗。
因此，对其各阶段的工作都要精心设计和实施。
南方9600型测量系统GPS测量的工作程序如下图：
图2-1GPS实测流程图
2.2系统作业模式
GPS测量的作业模式是指利用GPS定位技术，确定观测站之间相对位置所采用的作业方式。
它主要由GPS接收设备的软件和硬件来决定。
不同的作业模式其作业的方法和观测时间亦有所不同，因此亦有不同的应用范围。
北极星9600型GPS测量系统主要是用作控制测量用，采取的是静态载波相位相对定位模式。
根据用户的要求，还可以把北极星9600型GPS测量系统扩展成后差分动态测量系统。
下面简单介绍北极星9600型GPS测量系统的测量模式。
2.2.1静态相对定位模式
一、作业方法：
采用两台（或两台以上）北极星9600接收机，分别安置在一条（或数条）基线的端点，根据基线长度和要求的精度，按北极星9600型GPS测量系统外业的要求同步观测四颗以上的卫星数时段，时段从30分钟至几个小时不等。
二、定位精度：
基线测量的精度可达±（5mm＋1ppm×D），D为基线长度，以公里计。
三、作业要求：
采取这种作业模式所观测的独立基线边，应构成闭合图形（如三角形、多边形），以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性。
四、适用范围：
建立国家大地控制网（二等或二等以下）；
建立精密工程控制网，如桥梁测量、隧道测量等；
建立各种加密控制网，如城市测量、图根点测量、道路测量、勘界测量等。
观测中至少跟踪四颗卫星，同时基线边长一般不要超过15公里。
五、作业范围：
控制测量及其加密；工程测量、勘界测量；地籍测量及碎部测量等。
2.2.2后差分动态相对定位模式
一、作业方法：
它采用两台以上9600扩展接收机同时作业观测，其中一台作基准站，一台作移动站。
该系统不需要实时数据链通讯就可进行类似于动态的测量，作用距离能达300公里以上。
数据经过处理可方便的进入CAD进行图形编辑，数据成果可导入MapInfo等GIS系统。
主要应用于勘界测量和面积测量。
二、技术指标：
◆L1，C/A码；
◆单机定位5～15米；
◆内存：
2M/16M可选；
◆动态水平精度：
优于1米
◆静态精度：
5mm+1ppm
三、应用范围：
1.国土资源部地籍处：
土地权属调查，对于国土资源管理的数字化将起到积极作用；
2.国土资源部地矿处：
地矿资源调查，提高矿权管理工作水平，实现矿权登记坐标标准化、管理自动化，数字化；
3.水利部门：
江河、水库水面区域调查，库容调查，水土保持水土流失调查；
4.农场：
土地面积测量，作物规划，农场的范围确定；
5.交通部：
公路、铁路、各种管线普查；
6.林业部门：
各种植被覆盖面积的调查，林业资源调查；
7.海洋管理部门：
海洋区域面积测量，海洋资源调查；
8.大规模小比例尺的电子地图的绘制。
2.3GPS网的技术设计
GPS网的技术设计是GPS测量工作实施的第一步，是一项基础性工作。
这项工作应根据网的用途和用户的要求来进行，其主要内容包括精度指标的确定，网的图形设计和网的基准设计。
2.3.1测量的精度标准
对GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。
精度指标通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示，其形式为
（2-1）
其中，
——网中相邻点间的距离误差（mm）；
——与接收设备有关的常量误差（mm）；
——比例误差（ppm）；
——相邻点间的距离（km）。
根据GPS网的不同用途，其精度可划分为如表2—1所列的五类标准。
在GPS网总体设计中，精度指标是比较重要的参数，它的数值将直接影响GPS网的布设方案、观测数据的处理以及作业的时间和经费。
在实际设计工作中，用户可根据所作控制的实际需要和可能，合理地制定。
既不能制定过低而影响网的精度，也不必要盲目追求过高的精度造成不必要的支出。
不同级别GPS网的精度标准表2-1
2.3.2网的图形设计
网的图形设计虽然主要决定于用户的要求，但是经费、时间和人为的消耗以及所需接收设备的类型、数量和后勤保障条件等，也都与网的设计有关。
对此应当充分加以顾及，以期在满足用户要求的条件下尽量减少消耗。
为了满足用户的要求，设计的一般原则是：
①GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，例如三角形、多边形或附合线路，以增加检核条件，提高网的可靠性。
②GPS网点应尽量与原有地面控制网点相重合。
重合点一般不应少于3个（不足时应联测）且在网中应分布均匀，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
③GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法（或相当精度的方法）进行联测，或在网中设一定密度的水准联测点，以便为大地水准面的研究提供资料。
④为了便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方。
⑤为了便于用经典方法联测或扩展，可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
方位点与观测站的距离，一般应大干300米。
根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定的几何图形。
图形的基本形式如下：
1.三角形网
GPS网中的三角形边由独立观测边组成。
根据经典测量可知，这种图形的几何图形几何结构强，具有良好的自检能力，能够有效的发现观测成果的粗差，以保障网的可靠性。
同时，经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。
但其观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的总时间大为延长，因此通常只有当网的精度和可靠性要求较高，接收机数目在三台以上时，才单独采用这种图形。
见图2-2。
2.环形网
环形网是由若干含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，这种网形与经典测量中的导线网相似，图形的结构比三角形稍差。
此时闭合环中所含基线边的数量决定了网的自检能力和可靠性。
一般来说，闭合环中包含的基线边不能超过一定的数量。
根据有关规范，对闭合环中基线的边数有以下限制；
最简独立闭合环或符合路线边数的规定表2-2
环形网的优点是观测工作量较小，且具有较好的自检性和可靠性，其缺点主要是，非直接观测的基线边（或间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。
作为环形网特例，在实际工作中还可以按照网的用途和实际的情况，采用所谓附合线路。
这种附合线路与经典测量中的附合导线相似。
采用这种图形的条件是，附合线路两端点间的已知基线向量，必须具有较高的精度，另外，附合线路所包含的基线边数，也不能超过一定的限制。
见图2-3。
图2-2三角形网图2-3环形网
3.星形网
星形网的几何图形简单，但其直接观测边之间，一般不构成闭合图形，所以其检验与发现粗差的能力较差。
这种网的主要优点，是观测中通常只需要两台GPS接收机，作业简单。
因此在快速静态定位和动态定位等快速作业模式中，大多采用这种网形。
它广泛用于工程放样、边界测量、地籍测量和碎部测量等。
见图2-4。
图2-4星形网
三角形和环形网，是大地测量和精密工程测量中普遍采取的两种基本图形。
用户还可以根据实际情况采用上述两种图形的混合网形。
2.3.3基线长度
GPS接收机对收到的卫星信号量测可达毫米级的精度。
但是，由于卫星信号在大气传播时不可避免地受到大气层中电离层及对流层的扰动，导致观测精度的降低。
因此在GPS测量中，通常采用差分的形式，用两台接收机来对一条基线进行同观测。
在同步观测同一组卫星时，大气层对观测的影响大部分都被抵消了。
基线越短，抵消的程度越显著，因为这时卫星信号通过大气层到达两台接收机的路径几乎相同。
因此，建议用户在设计基线边时以20公里范围以内为宜。
基线边过长，一方面观测时间势必增加，另一方面由于距离增大而导致电离层的影响有所增强。
2.3.4网的基准
在全球定位系统中，卫星主要视作位置已知的高空观测目标。
所以，为了确定接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常归化到统一的地球坐标系统。
现在全球定位系统采用的WGS－84坐标系统，是一个精确的全球大地坐标系统。
而我国的国家大地坐标系采用的是1954北京坐标系及1980西安坐标系。
通常在工程测量中，还往往采用独立的施工坐标系。
因此，在GPS测量中必须确定地区性坐标系与全球坐标系的大地测量基准之差，并进行两坐标系统之间的转换。
南方9600型GPS测量系统软件很方便就可实现WGS－84、54坐标系、80坐标系中空间直角坐标、大地坐标及高斯平面直角坐标之间的转换，并且可以采用高斯投影或UTM投影在任何独立坐标系中进行网平差处理。
2.4选点与埋石
2.4.1选点
由于GPS测量观测站之间无需相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作远较经典控制测量的选点工作简便。
但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和可靠地保证测量成果精度具有重要意义，所以，在选点工作开始之前，应充分收集和了解有关测区的地理情况以及原有测量标志点的分布及保持情况，以便确定适宜的观测站位置。
选点工作通常应遵守的原则是：
①观测站（即接收天线安置点）应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。
接收机天线与其距离一般不得小于200m；
②观测站附近不应有大面积的水域或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，以减弱多路径效应的影响；
③观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视野开阔。
在视场内周围障碍物的高度角，一般应大于10°～15°，以减弱对流层折射的影响；
④观测站应选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；
⑤对于基线较长的GPS网，还应考虑观测站附近具有良好的通讯设施（电话与电报、邮电）和电力供应，以供观测站之间的联络和设备用电；
⑥点位选定后（包括方位点），均应按规定绘制点位注记，其主要内容应包括点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等。
注：
用户如果在树木等对电磁波传播影响较大的物体下设观测站，当接收机工作时，接收的卫星信号将产生畸变，这样即使采集时各项指标都较好，但结果将是不可靠的。
建议用户根据需要在GPS点大约300米附近建立与其通视的方位点，以便在必要时采用常规经典的测量方法进行联测。
在点位选好后，在对点位进行编号时必须注意点位编号的合理性，在野外采集时输入的观测站名是由四个任意输入的字符组成，为了在测后处理时方便及准确，必须不使点号重复。
建议用户在编号时尽量采用数字按顺序编号。
2.4.2埋石
在GPS测量中，网点一般应设置在具有中心标志的标石，以精确标志点位。
具体标石的设置可参照有关规范，对于一般的控制网，只需要采用普通的标石，或在岩层、建筑物上做标志。
2.59600型GPS测量系统的野外作业
９６００型GPS测量系统的野外作业非常简单方便，关键在于点位观测和记录，详细的过程如下：
2.5.1制定观测计划
在施测前，建议用户根据网的布设方案、规模的大小、精度要求、GPS卫星星座、参与作业的GPS数量以及后勤保障条件（交通、通信）等，制定观测计划。
一、确定工作量
用户根据网的精度要求、接收机数目，顾及效率和网的精度、可靠性而确定工作量。
具体方法可参考有关规范。
这里仅强调一下观测时段、时段长度（同步观测时间）与基线长度等的关系。
为了在后处理中能取得符合精度的成果，必须保证接收机的一定同步观测时间，其取决于众多的因素：
如基线长度、观测卫星的数目、卫星的空间位置精度因子（PDOP）及大气层（主要指电离层）状况。
如果用户在4颗以上的卫星且PDOP值小于4.0的情况下进行观测，那么所需的观测时间将主要取决于基线的长度及电离层扰动。
电离层的扰动是随时间及点位的位置而变化的。
由于电离层的扰动在夜间要小得多，因此夜间的观测时间通常可以减小一半，或者测程增加一倍。
所以，夜间将有利于10km以上的长基线测量。
但是，除非有特别的限制条件，否则要规定精确的观测时间是不客观的。
表2-3仅就一般情况下同步观测的时段数及时段的长度必须满足的要求提供一个参考值。
当采用边连接方式可以用下式估算所需时段总数（
）。
（2-2）
其中，
——为接收机的数目；
——为GPS网的点数；
——为相对定位的观测时段数。
值得注意的是，大多数情形下只需对基线向量观测一个时段。
各级GPS测量基本技术要求规范表2-3
注：
夜间可以将观测时间缩短一半，或者把距离延长一倍。
二、采用分区观测
若GPS网的点数较多，而参与同步观测时段的9600型GPS接收机数目有限时，建议分区进行观测。
但必须在相邻分区设置公共点，且公共点的数量一般不得少于3个。
当相邻分区的公共点点数过少，将使网的整体性变差，从而影响网的精度，如增加公共点数则又会延缓测量工作的进程，这一点请用户根据网的要求慎重考虑。
在一个观测分区内，用户还可根据参加作业的接收机数量，分成若干个同步观测的子区（每个子区必须有两台以上的接收机），这样整个测区就很容易进行作业管理，从而有利于作业效率的提高。
三、选择观测时段
在GPS测量中，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度可取空间位置精度因子（PDOP）来表示。
无论是绝对定位或相对定位，其值均不应超过一定的要求。
对应各精度等级，PDOP值应不超过下表所列限值。
各级GPS测量中PDOP要求规定表2-4
级别
Ｃ
Ｄ
Ｅ
PDOP
≤8
≤10
≤10
注：
为了保证观测的质量，实际上PDOP一般在4.0以下才采集数据。
四、确定观测进程及调度
最佳观测时间确定后，在观测工作开始之前，须制定观测工作的进程表及接收机的调度计划。
尤其当GPS网的规模较大，参加作业的GPS较多时，建议用户仔细地制定和选择这些计划的优化方案，这对于顺利地实现预定的观测任务极为重要。
观测工作的进程计划，涉及到网的规模、精度要求、作业的接收机数目和后勤保障条件等，在实际工作中，应根据最优化的原则合理制定。
2.5.2安置及启动仪器
安置仪器的步骤：
在选好的观测站点上安放三脚架。
注意观测站周围的环境必须符合上述的条件，即净空条件好，远离反射源，避开电磁场干扰等。
因此，安放时用户应尽量避免将接收机放在树荫、建筑物下，也不要在靠近接收机的地方使用对讲机，手提电话等无线电设备。
小心打开仪器箱，取出基座及对中器，将其安放在脚架上，在测点上对中、整平基座。
从仪器箱中取出接收机，将其安放在对中器上，并将其锁紧，再分别取出电池、采集器及其托盘，将它们安装在脚架上。
在安置仪器时用户要注意下面的几点：
当仪器需安置在三角点觇标的基板时，应先将觇标顶部拆除，以防止对信号的干扰，这时，可将标志的中心投影在基板上，作为安置仪器的依据。
基座上的水准管必须严格居中。
2.5.3如何量取天线高即仪器高
图2-5量取天线高示意图
安置好仪器后，用户应在各观测时段的前后，各量测天线高一次，量至毫米。
量测时，由标石（或其它标志）或者地面点中心顶端量至天
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