GPS控制测量.docx
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GPS控制测量
GPS控制测量
测量工作必须遵循“有整体到局部，先控制后碎部，从高级到低级”的原则。
先建立控制网，然后根据控制网进行碎部测量。
控制网又分为平面控制网和高程控制网。
测定点的平面位置的工作，称为平面控制测量，测定点的高程工作，称为高程控制测量。
目前，数字化成图的外业控制测量一般分为GPS首级控制测量和全站仪导线测量及水准测量。
（一）GPS控制测量概述
GPS控制测量，按其工作性质可分为外业和内业两大部分，外业工作主要包括：
选点、建立测站标志、埋石、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括：
技术设计、测后数据处理以及技术总结等。
按照GPS测量实施的工作程序，大体分为几个阶段：
GPS控制网的优化设计，选点与埋石，外业观测，成果检核，数据处理，编制报告。
GPS测量是一项技术复杂、要求严格的工作，实施的原则是，在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下，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、组织和实施。
为了满足实际的要求，GPS测量作业应遵守统一的规范和细则。
GPS控制测量与GPS定位技术的发展水平密切相关，GPS接收机硬件与软件的不断改善，将直接影响测量工作的实施方法、观测时间、作业要求和成果的处理方法。
《全球定位系统（GPS）测量规范》将GPS控制网依其精度划分为A、B、C、D、E等不同级别，表6列出了它们的精度和标准。
本章主要讨论其中的C、D和E级网的布设和观测。
表6GPS网的精度标准
级别
项目
A
B
C
D
E
固定误差/mm
≤5
≤8
≤10
≤10
≤10
比例误差系数
≤0.1
≤1
≤5
≤10
≤20
相邻点最小距离/km
100
15
5
2
1
相邻点最大距离/km
1000
250
40
15
10
相邻点平均距离/km
300
70
15~10
10~5
5~2
表7GPS各等级网的基本技术要求
等级
A
B
C
D
E
平均距离
（km）
300
70
10~15
5~10
0.2~5
a（mm）
≤5
≤8
≤10
≤10
≤10
b（1×10-6）
≤0.1
≤1
≤5
≤10
≤20
接收机类型
双频/全波长
双频
双频或单频
双频或单频
双频或单频
标称精度
≤（10mm+2×10-6×d）
≤（10mm+5×10-6×d）
≤（10mm+5×10-6×d）
≤（10mm+5×10-6×d）
≤（10mm+5×10-6×d）
观测量
至少有
L1、L2
载波相位
L1、L2
载波相位
L1、L2
载波相位
L1、L2
载波相位
L1、L2
载波相位
同步观测
接收机数
≥5
≥4
≥4
≥3
≥2
最简独立环和附和路线的边数
≤5
≤6
≤6
≤8
≤10
卫星截至高度角（°）
≥10
≥15
≥15
≥15
≥15
有效观测卫星总数
≥20
≥9
≥6
≥4
≥4
观测时段数
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
时段长度
min（静态）
≥540
≥240
≥60
≥45
≥40
时间采样间隔s（静态）
30
30
10~30
10~30
10~30
时段内任一卫星有效观测时间min（静态）
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
（二）GPS控制测量技术设计的内容和步骤
1、收集和分析测区经济地理等情况以及已有的测绘成果成图资料
通过对已有控制网测设数据及成果资料的了解和分析，可获知控制网的质量情况，所设置的坐标系和高程、中央子午线位置以及起始点坐标、起始方位角等基本数据。
以决定是新建还是改建、扩建控制网时的参考。
踏勘已有控制点标石的完好情况以便加以利用。
测区的气象、地址、交通等情况对于选点、埋石及制定观测计划也很重要，1：
1万国家基本图及大比例尺地形图对于图上设计、实地选点、野外作业时必不可少的资料。
2、确定所采用的坐标系及起算数据
如果已有控制网所采用的坐标系基本合理，则尽量采用原有的坐标系，即三类要素要取得一致。
在GPS网平差转换时予以保证，宜选取已有网的起始点位GPS网平差时的位置基准，利用已有网的起始方位角作为GPS网的方位基准。
至于GPS网的尺度基准本已隐含在基线向量观测值中，但也可以有已知点间的平面边长来确定（若两类控制网的平面边长之间尺度差小于1/10~1/20万时）。
3、控制网的网形设计
控制点的位置及网形可在1：
1~5万比例尺的国家基本图上进行设计。
以往对三角网和测边网作图上设计是十分繁琐的，既要保证相邻点间互为通视，又要考虑图形结构良好，对每个三角形的内角大小均有限制，除了抢占制高点外，有时还须借助于建立高标。
对于观测方向较多的中点多边形的中点位置更是难以确定。
当然，对于面积较小、边长较短的精密边角控制网，相对说来解决通视问题就容易些。
GPS网点并不以点间通视为必要条件，点位的选定有很大的灵活性，可以先按需要选定点位，再来组织网形，为便于观测和使用，GPS点选在交通方便容易到达的地方，尽量避免在山顶和河边设点。
图上设计的仅是概略的点位，在实地选点时可在图上初选点的附近选定合适的点位，以满足GPS测量对点位的要求。
拟作为GPS网的位置基准及方位基准的已有控制网的起始点及起始方位角的两端点必须选作GPS点，设计的点位中应尽可能多地包括一些符合条件的已有控制网点（城市或工程控制网点及国家网点）。
这样不仅可以充分利用已有的标石，更可获知GPS网与原有控制网在同名点上的坐标差异，并可籍以进行坐标系之间的转换。
与此同时，在选点过程中应按所需的密度来进行布点。
如确定分两级布网，须先做首级网网形设计，首级网点应布满整个测区，但可疏密有致。
然后再做同期施测的次级网点的网形设计。
将各GPS点依次相联组成几何图形就能获得GPS网形。
对于GPS控制网宜采用有多个多边形闭合环组成，且相邻闭合环之间依边连接的图形。
在此，每条边代表两台GPS接收机在该边两端点上同步连测所得的一个独立基线向量。
如果在一个测段内，同步连测的接收机多于两台（设为m台，m＞2），则只能获得m-1个独立基线向量。
也就是说，在设计得GPS网中所包含的任一观测时段中的独立基线向量只能使m-1个，多了则参入了不应有的观测值，少了则错失了有用的观测值。
为此，在安排观测纲要时，应根据设计好的网形，决定每测段中基线向量的取舍。
以确定GPS网确实是由独立基线向量所组成的。
多边形中边数的多寡直接关系到网的精度、可靠性以及野外GPS观测的工作量。
高精度控制网宜采用有三边形组成的网形，为增加多于观测值，甚至还需加测对角线。
对于大城市首级控制网，每个独立闭合环的边数可限制在4~5个，对于一般的GPS控制网边数也不宜超过6个。
因为随着闭合差边数的增加，闭合差的限差随之而增大，利用闭合差来检验发现基线向量观测值中可能存在的粗差的能力就会降低。
除了会降低可靠性以外，还由于多于观测值的减少而影响网的精度。
在两个已有的GPS控制点之间可直接布设类似于附和导线那样的连线的GPS基线边，而以两已知点的基线边为闭合边，边数也不得超过6条。
即使在形状狭长的线路GPS控制网中，每两个相邻异步环之间最好还是采用边连式（两环之间有两个公共点），而不宜采用点连式（两环之间一个公共点）。
因为有公共边毗连的多个闭合环的网形较之仅有一个公共点连接的网形具有更高的图形强度，并且在不增加野外工作量的条件下，却能获得相同的多余观测数。
由于GPS观测作业方式和GPS基线向量的选择具有较大的灵活性，有的施测单位在技术设计中注意布点，并不统一连点成网，作业中则采用某种推进方式施测，观测后再选择非同步的GPS基线向量，以至构成网形不佳，往往出现点连式的若干闭合环。
有的甚至不做选择的保留同步GPS基线向量。
有时难以发现粗差，也难以给出准确的精度评定。
4、部分GPS点的水准联测方案的制定
GPS定位测量不仅能得出GPS点的平面位置，还能得出大地高。
但是大地高是以所取的椭球面上的法线为依据的，并非是工程上所需要的水准高程（正常高）。
为此需对部分GPS点进行水准测定其正常高，从而获得在这些点上的高程异常，以便能用曲面拟合法来推估其余GPS点的正常高。
在GPS网图上先选取密度适当、分布较均匀，包围整个测区的若干个GPS点，再来考虑水准联测方案。
当然最好是将这些GPS点全部联结成三、四等水准网并附和到若干国家水准点上，不过这样做工作量很大，也可利用就近的已知水准点分别予以测定，但应采用符合水准线路并同时利用两个水准点的已知高程，以免单个水准点高程有可能不可靠。
在局部困难地区，对少数难以与其它点连测得GPS点也可以只测定这些点之间的高差。
5、技术设计书大致包括以下内容：
任务来源、任务要求、作业依据；测区概况；已有测量成果成图资料情况及对其的分析；所利用的水准点、水准联测路线等；采用的坐标系及起始数据；布网的方案的说明及论证；选点和埋石；观测精度标准（接收机标称精度、一测段的观测时间、定位方式、边长规格等）；内、外业采用的仪器设备、人工及计算软件；平差计算方案、预期精度；经费预算；各种设计图表。
（三）GPS控制网布设
1、野外选点
选点工作开始之前应搜集测区有关资料，如地形图、行政区划图和已有的测绘成果；了解和研究测区情况，如交通、通讯、供电、气象以及原有的控制点情况。
一般来说，在图上设计得GPS点位与实地的点位可以不完全一致，即使偏离数百米，对网的精度和可靠性也不会产生任何影响。
GPS点的选定不以相邻点间的通视为先决条件，但应当保证能顺利接收到不受干扰的卫星信号。
具体而言应符合下述要求：
①周围便于安置接收设备和操作，视野开阔、视场内障碍物的高度角应小于15°；
②点位应选在地基稳固、交通方便的地方，便于保存且利于其他测量手段联测和扩展；
③尽量避开大面积水域，以减弱多路经误差的影响；
④远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），远离高压输电线和通讯线以避免周围磁场对GPS卫星信号的干扰。
为使点位长期保存和使用，不致移位和变形，应选在土质坚硬、地质情况良好之处，在城市建筑区，常因平地上的点位难以确保其长期性而选在楼顶，此时应选择已有一定的建筑年代、不再会有沉降的较坚固的建筑物的楼顶，标石的埋设应与混凝土梁柱固连。
如作为GPS形变监测网的基准点，则必须将点位埋在稳固、完整的基岩上。
如果再GPS点上与其它GPS点（不一定是相邻点）中的1~2个点通视，则有利于用常规技术加密低级网点。
但对于间距较大的首级GPS网点，而且加密次级网仍采用GPS技术时，则就不必强求须有1~2个通视方向。
点位选定后应绘制点之记，包括点名、点号、点位及点位略图、交通情况等，作为档案等级也便于今后对控制点位的寻找和使用。
高精度GPS控制网以及形变监测网宜建造带有强制归心装置的观测墩，不仅能减少对中及天线高量测误差，同时也避免因观测时间较长，三脚架受风吹、日晒、人员走动就不甚稳定而产生的影响。
2、埋石
点位选定后，按《规范》规定的规格埋设标石，并进行标记，绘制控制点点之记。
3、布设特点
GPS卫星定位技术布设控制网，不仅对点位图形结构没有太多限制，对点位之间的通视条件也没有严格要求。
点位无需选在制高点，也无须建造觇标。
这为GPS网的布设带来了极大的便利。
GPS控制网的主要特点如下：
⑴GPS接收机采集的是接收天线至卫星的距离和卫星星历等数据，要求向上通视不强求点间通视。
⑵GPS控制网淡化了“分级布网、逐级控制”的布网原则。
在城镇及矿区范围布设GPS控制网，分为C级、D级、E级，不同等级网有不同的精度要求。
以往用常规技术测设控
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