GPS静态控制测量技术设计指南.doc

GPS静态控制测量实施指南

一、 综述
GPS网建立过程分3个阶段：设计准备、施工作业、数据处理
1． 设计准备
该阶段的主要工作项目：项目规划、方案设计、施工设计、测绘资料收集、选点埋石、仪器检测。
1.1 项目规划
① 位置及范围：测区的地理位置、覆盖范围及控制网的控制面积
② 用途及精度等级：控制网的具体用途、所要求达到的精度或等级。（各级GPS网采用中误差作为精度指标，以2倍中误差作为极限误差。）
C级网用途：三等大地控制网、区域、城市及工程测量的基本控制网；
D 级网用途：四等大地控制网；
E 级网用途：中小城市、城镇及测图、地籍、土地信息、建筑施工等。
（由于本基坑工程跨距较长，基坑深距大，暂定C、D级测量精度

GPS测量相邻点间基线长度的精度用下面公式表示：

σ为基线向量的弦长中误差，单位mm，a为固定误差，单位mm，b为比例误差系数，单位1 X 10-6 ，d为相邻点间距离，单位为km。
城市GPS测量精度指标：（本工程选用四等）

GPS高程拟合板块：
D、E级网点按四等水准测量方法进行高程联测，
GPS点需要高程联测时，可采用使GPS点与水准点重合，平原、微丘地形联测点的数量不宜少于6个，必须大于3个，联测点的间距不宜大于20km，且均匀分布；重丘、山岭地形联测点的数量不宜少于10个。
各级GPS控制网的高程联测应不低于四等水准测量的精度。
当GPS控制网点间距离小于20km时，可不考虑对流层和电离层的修正；当大于20KM时，每时段应于始、中、终个观测一次气象元素，并采用标准模型加入对流层和电离层的修正。
为GPS控制网点的正常高，先利用已联测高程的GPS点正常高和经GPS控制网平差得到的大地高，求其高程异常值，然后采用拟合或插值等方法求其他高程异常值和正常高。

③ 点位分布及数量：控制网点的分布、数量及密度要求。
（GPS网点应均匀分布，相邻点间距离最大不宜超过该网平均点间距的2倍。依据城市测量规范三等基线平均距离为5km，四等为2km，鉴于平时土方开挖收方测量需要5km左右设置一控制观测点。
④ 成果形式及内容：需要提交成果的内容，提交成果所采用的坐标参照系，提交高程成果所属的高程系统。
⑤ 时限要求：提交成果时间期限。
⑥ 投资经费：项目投入经费的数额。

1.2 技术设计
依据项目要求和相关技术规范进行项目的技术设计，完成项目技术设计书的编写。

技术设计的内容：依据业主的要求和相关规范，对基准、精度、密度、网形及作业纲要（如观测时段数、每个时段的长度、采样间隔、截止高度角、接受机的类型及数量、数据处理的方案）等所作出的具体规定和要求。

① 技术设计的依据：
1：GPS测量规范及规程
《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314-2009
《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH 8016-1995
《公路全球定位系统（GPS）测量规范》
2：测量任务书或合同书
② GPS网的精度和密度设计
（参考前几页所述）
③ GPS网的基准设计
GPS网的基准包括位置基准、尺度基准、方位基准。
基准设计的定义：指定GPS网所采用的坐标参照系，并确定所采用的起算数据的工作。
坐标参照系设计：通过与测站附近的高等级GPS点（2000国家大地坐标系的点）联测来获得起始坐标。
（GPS的WGS-84大地坐标系统转换到所选平面坐标系时，应使测区内投影长度变形值不大于2.5cm/Km，当投影长度变形符合规定时，采用高斯正形投影3°带平面直角坐标系。当投影长度大于2.5时，一般是投影于抵偿高程面上的高斯正形投影3°带平面直角坐标系。

位置基准一般采用下列方法确定：
在网中选取若干个点的坐标，并加以固定或给予适当的权。

尺度基准的确定方法：
利用旧网中高等级的控制点对GPS网进行附合网平差，这些已知点的边长就成为尺度基准。
方位基准的确定方法：
利用已知控制点进行约束平差时，方位基准就由这些已知点的方位角提供。

在进行网平差时，引入起算数据是为GPS网引入基准的主要方法。在网平差过程中，如果只给出了必要的起算数据（一个起算点的三维坐标），这种平差就称为最小约束平差；如果给出的起算数据多于必要的起算数据，这种平差就称为约束平差。

④ GPS的布网形式
是指建立GPS网时观测作业的方式，包括网的点数与参与观测的接收机数的比例关系，观测时段的长短、观测时段数。

现在普遍采用同步图形扩展式，起特点是扩展速度快、图形强度较高、且作业方法简单，适宜建立B、C、D和E级网。
⑤ GPS网图形设计
依据GPS网的精度指标及完成任务的时间和经费等因素，GPS网可由三角形、多边形、符合导线、支导线、符合导线等。
A） 三角网
优点：几何强度好，抗粗差能力强，可靠性高；
缺点：工作量大
使用范围：对GPS网的可靠性和精度有极高的要求时才采用这种图形。

B） 多边形
多边形的几何强度不如三角网强，但只要对多边形的边数n加以适当的限制，多边形网任会有足够的强度。

下面规范规定最简独立环边数确定：

⑥ 提高GPS网质量的方法
提高可靠性的办法：
A． 增加观测期数（增加独立基线数）。适当增加观测期数（时段数），对于提高GPS网的可靠性非常有效。
B． 保证一定的重复设站次数。一方面，通过在同一测站上多次观测，可以有效的发现设站、对中、整平、量测天线高等环节中的人为错误；另一方面，重复设站次数的增加也意味着观测期数的增加，不过需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段必须重新安置仪器，以更好的消除各种人为操作误差和错误。
C． 保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连。这样就是得测站具有较高的可靠性，建立的GPS网，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
D． 在布网时，一定注意使网中最有最简异步环的边数不多于6条。 在建立GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差；而随着异步环的基线数量增加，其检验质量也将下降。
提高GPS网精度的办法：
A． 网中距离较近的点一定要进行同步观测，获得它们的直接观测基线，
B． 可以再全面网之上建立框架网；
C． 在建立GPS网时，引入高精度激光测距边；
D． 采用高程拟合时，测定网中各点的正常高或正高，则在布网时选择一定数量的水准点，水准点数量应尽可能多，且应均匀分布在网中，还要保证部分点分布在网的四周。

⑦ 起算数据的选取与分布
A． 起算点的选取与分布
要求如下：一般选取3-5个起算点，用于实现基准的转换盒必要的检核这样既可以保证新老坐标成果的一致性，也可保持GPS网原有的精度。
起算应均匀分布网的四周和中间。
在进行GPS网技术设计时 ，除遵循上述的设计原则外，可通过下面的定量指标来指导设计工作，包括：效率指标、可靠性指标、精度指标。

基础知识：GPS网的特征值
A． 理论上最少观测时段数
理论最少观测时段数是在满足重复设站次数要求的前提下，完成GPS外业观测理论上所需的最少观测时段数。

（例子：若某GPS网由n个点组成，要求每个点重复设站观测m次，采用N台接收机观测，则该网理论上最好观测时段数：

Ceil 是向上取整函数。单位分钟数

注意：由于在测量规范中，对于不同精度等
的网络的重复设站次数由明确规定，因此在进行GPS网的设计时，依据网的精度等级、规模及作业单位计划投入的接收机数量，就可计算出完成GPS网的外业观测所需的理论最少观测时段数。

B． 设计时段数
SD 表示，
C． 基线总数
在一个时段中，用N台接收机进行同步观测时刻获得同步观测基线 N（N-1）/2条，若完成观测用了S个时段，则总基线数（含非独立基线数）BA：

D． 必要基线数
所有点只需n-1个基线；

下面是一个算例：

效率指标：
理论最少观测时段数与实际观测时段数之比：
效率之比：（该值越接近1，设计精度越高）

Smin 理论最少 SD 实际观测时段数（即设计观测时段数）
可靠性指标：
指整网的多于基线数与独立基线总数的比值，称为整网的平均可靠性指标（η），即

该值越大，可靠性越高。
精度指标：
依据已经确定的GPS网络结构，得到该网的设计矩阵B，从而得到该网的协因数阵 ，该值越小，精度越高。

2.施工作业
详细见GPS测量外业技术指南手册。
3.数据处理

1：同一边任意两个时段的成果互差，应小于GPS接收机的标称精度的
2：平差时应首先以一个点的WGS-84系坐标作为起算依据进行无约束平差，检查3：GPS基线向量网本身的内符合精度、基线向量间有无明显的系统误差，并剔除含有粗差的基线边。
4：当用M台接收机同步观测时，应从计算出的M（M-1）/2条GPS观测边中选取（M-1）条边参加GPS网平差计算。选取的原则：
独立观测边
网形构成非同步闭合环，不应存在自由基线，
必须不含明显的系统误差；
组成的闭合环基线数和异步环长度应尽量小。
5：当GPS控制网分为多个投影带，且在分带交界附近联测国家控制点时，可分片进行平差。平差时有一定数量的重合点，重合点位互差不得大于两倍的点位中误差

附录A：
2000国家大地坐标系统说明
长半轴：a = 6378137 m
扁 率：f = 1/298.257 222 101
地心引力常数：GM = 3.986004418 X 1014 M3S-2
自转角速度：ω = 7.292 115 X 10-5rads-1