第六章-GPS测量技术设计

第六章 GPS测量技术设计

GPS测量同常规测量工作相类似，按照GPS测量实施过程，其工作程序可分为以下几个步骤：技术设计、选点埋石、外业准备、方案设计、外业施测、成果检核和内业数据处理。GPS测量是一项技术复杂、要求严格的工作。尽管GPS测量具有精度高、速度快等优越性，但为了得到可靠的观测成果，也必须有科学的技术设计、严谨的作业管理，并且GPS测量也应遵行统一的规范。本章主要介绍GPS测量的技术设计，外业实施和内业数据处理将分别在第八章和第九章中详细介绍。

第一节 GPS测量的技术设计

GPS测量的技术设计是进行GPS测量定位的最基础性工作，它是根据国家现行的规范、规程，针对GPS控制网的用途及用户要求，提出对GPS测量的网形、精度及基准等的具体设计。

1 GPS控制网的技术设计的依据

GPS控制网技术设计及业外测量的主要技术依据是GPS测量规范（规程）和测量任务书。

1．1 GPS测量规范（规程）

GPS测量规范（规程）是国家测绘管理部门和行业部门所制定的技术标准和法规，目前GPS控制网设计依据的规范（规程）有：

⑴ 2001年国家质量技术监督局发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，以下简称国标（GB）；

⑵ 1992年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，以下简称《规范》；

⑶ 1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》，以下简称《规程》；

⑷ 各部委根据本部门GPS工作的实际情况指定的其他GPS测量规程或细则。 1．2测量任务书

测量任务书或测量合同是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种技术文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求、提交成果资料的项目和时间、完成任务的经济指标等。

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在GPS测量方案设计时，一般首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、点位密度和经济指标，并结合国家标准或其他行业规范（规程），现场具体确定点位及点间的连接方式、各点设站观测的次数、时段长短等布网施测方案。 2 GPS控制网的精度、密度设计

应用GPS定位技术建立的测量控制网称为GPS控制网，其控制点称为GPS点。GPS控制网可分为两大类：一类是国家或区域性的高精度GPS控制网；另一类是局部性的GPS控制网，包括城市或工矿区及各类工程控制网。 2．1 GPS测量的精度标准及分级

对于GPS网的精度要求，主要取决于网的用途和定位技术所能达到的精度。精度指标通常是以GPS网相邻点间弦长标准差来表示，即：

a2bd2式中：—— 标准差（基线向量的弦长中误差，mm）； a —— GPS接收机标称精度中的固定误差（mm）； b —— GPS接收机标称精度中的比例误差系数（1×10-6）

d —— 相邻点间的距离（km）。

(6.1)

根据2001年国家质量技术监督局发布的国家标准《全球定位系统（GPS）测量规范》，将GPS控制网按其精度划分为AA、A、B、C、D、E六个精度级别，如表6-1所示。

表6-1 GB《规范》规定的GPS测量控制网精度分级 级别 AA A B C D E 平均距离/Km 1000 300 70 10～15 5～10 0.2～5 固定误差a/mm ≤3 ≤5 ≤8 ≤10 ≤10 ≤10 比例误差系数b/10 ≤0.01 ≤0.1 ≤1 ≤5 ≤10 ≤20 -6

其中，AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨；A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量；B级主要用于局部变形监测和各种精密工程测量； C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网；D、E

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级主要用于中、小城市，城镇及测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等控制测量。AA、A级是建立地心参考框架的基础，同时AA、A、B级也是建立国家空间大地测量控制网的基础。

为了进行城市和工程测量，建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》将GPS测量划分为二等、三等、四等和一级、二级，如表6-2所示。

表6-2《规程》规定的GPS测量控制网精度分级 等 级 二等 三等 四等 一级 二级 平均距离/km 9 5 2 1 <1 固定误差a/(mm) ≤10 ≤10 ≤10 ≤10 ≤15 比例误差b/10 ≤2 ≤5 ≤10 ≤10 ≤20 -6最弱边相对中误差 1/120000 1/80000 1/45000 1/20000 1/10000 注：当边长小于200m时，边长中误差应小于20mm。

在实际工作中，精度标准的确定还要根据用户的实际需要及人力、物力、财力等情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在布网时可以逐步布设、越级布设或布设同级全面网。 2．2 GPS定位的密度设计

各种不同的任务要求和服务对象，对GPS网的分布有不同的要求。例如，国家特级（AA级）基准点主要用于提供国家级基准，有助于定轨、精密星历计算和大范围大地变形监测，平均距离几百公里。而一般工程测量所需要的网点则应满足测图加密和工程测量，平均边长几公里，甚至更短几百米以内。综合以上因素，国家《规范》和《规程》对GPS网中两相邻点间距离视其需要做出了规定：各级GPS相邻点间平均距离应符合表6-1、6-2中所列数据的要求，相邻点间最小距离可为平均距离的1/3～1/2倍，最大距离可为平均距离的2～3倍。 在特殊情况下，个别点的间距可也可结合任务和服务对象，对GPS点分布要求做出具体的规定。 3 GPS控制网的基准设计

通过GPS测量可以获得地面点间的GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标系。在实际工程应用中，我们需要的是国家坐标系（1954年北京坐标系或1980年西安坐标系）或地方独立坐标系的坐标。因此，对于一个GPS网测量工程，在技

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术设计阶段必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。通常将这项工作称为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。位置基准一般由GPS网中起算点的坐标确定。方位基准一般由给定的起算方位角值确定，也可以将GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由GPS网中两起算点间的坐标反算距离确定，也可以利用地面的电磁波测距边确定，或者直接根据GPS基线向量的距离确定。因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的位置基准问题。

在GPS网控制的基准设计时，必须考虑以下几个问题:

(1) GPS测量成果转化到工程所需的地面坐标系中的坐标，应选择足够的地面坐标系的起算数据与GPS测量数据重合，或者联测足够的地方控制点，以求得坐标转换参数用以坐标转换。在选择联测点时既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受因旧资料精度较低的影响。因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联测2--3个点。

(2) 为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对他们也要构成图形。

(3) 在布设GPS网时，可以采用高精度的激光测距边作为起算边长，激光测距边的数量可在3～5条左右。这些边可设在GPS网中的任何位置，但激光测距边两端的高差不应过份悬殊。

(4) 在布设GPS网时，可以引入起算方位，但起算方位不宜太多。起算方位可布设在GPS网中任何位置。

(5) GPS网经三维平差计算后，得到是相对于参考椭球面的大地高程，为求得GPS点的正常高程 ，可根据具体情况联测高程点。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。AA、A级网应按二等水准逐点联测高程。B级网应按三等水准或与其相当的方法至少每隔2～3点联测一点。C级网应按四等水准或与其相当的方法至少每隔3～6点联测一点。D、E级网具体联测宜采用不低于四等水准或与其精度相等的方法进行。GPS点高程在经过精度分析后可供测图或其他方面使用。

(6) 新建GPS网的坐标系应尽量与测区过去采用的坐标系统一致。如果采用的是地方独立或城市独立坐标系，应进行坐标转换，并应具备下列技术参数：

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①所采用的参考椭球几何参数； ②坐标系的中央子午线经度值； ③纵横坐标的加常数；

④坐标系的投影面高程及测区均高程异常值； ⑤起算点的坐标值及起算方位。 (7) 当GPS网的世界大地坐标转换成地方独立坐标系时，应满足投影长度变形不大于2.5mm/Km。可根据测区所在地理位置和平均高程按下述方法选定坐标系统：

①当长度变形值不大于2.5mm/Km时，采用高斯正形投影统一3带的平面直角坐标系统；

②当长度变形值大于2.5mm/Km时，可以采用投影于抵偿高程面上的高斯正形投影3带的平面直角坐标系统；

③当长度变形值大于2.5mm/Km时，也可以采用高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统，投影面可采用黄海平均海水面或测区平均高程面。

(8) 当GPS测量的高程值转换为正常高时，其高程系统，应采用1985年国家高程基准或沿用1956年黄海高程系统、地方高程系统。1985年国家高程基准青岛原点高程为72.260m；1956年黄海高程系统青岛原点高程为72.289m。 4 GPS控制网图形构成的基本概念和网的特征条件

在进行GPS网图形设计前，必须明确有关GPS网构成的几个概念，掌握网的特征条件计算方法。

4．1 GPS网图构成的几个基本概念

⑴ 观测时段（Observation session）：测站上开始接收卫星信号进行观测到停止，连续观测的时间间隔。

⑵ 同步观测（Simultaneous observation）：两台及以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。

⑶ 同步观测环（Simultaneous observation loop）：三台及以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环。

⑷ 独立观测环（Independent observation loop）：由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环。

(5)异步观测环（Non-Simultaneous observation loop）：在构成多边形环路的所有

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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。

⑹独立基线（Independent baseline）：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。

⑺ 星历（Ephemeris）：是不同时刻卫星在轨道上的坐标值。

⑻ 数据剔除率（Percentage of data rejection）删除的观测值个数与应获得的观测值个数比值。

⑼ 天线高（Antenna height）：观测时接收机天线平均相位中心到测站中心标志面的高度。

⑽ 参考站（Reference station）：在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，其余接收机在这些测站的一定范围内流动设站作业，这些固定站称为参考站。

(11)流动站（Moving station）：在参考站的一定范围内流动作业的接收机设立的测站。

4．2 GPS网特征条件的计算

假若在一个测区中需要布设n个GPS点，用N台收接机进行观测，在每一个点观测m次，则根据R A sany提出的观测时段数计算公式（6-2），计算GPS观测时段数S：

S  m n N(62)

可以计算出所需要GPS网特征条件参数如下表6-3

表6-3 GPS网特征条件参数

GPS网特征条件参数 总基线数 必要基线数 独立基线数 多余基线数 GPS网特征条件计算公式 公式编号 （6-3） （6-4） （6-5） （6-6） B总  SN(N-1) /2 B必  n-1 B独  S(N-1) B多  S(N-1) -(n-1) 一个具体GPS网图形结构的主要特征，可依据以上公式进行计算。 4．3 GPS网同步图形构成及独立边选择

根据公式（6-3），由N台GPS接收机同步观测可得到的基线（GPS边）数为：

B= N（ N – 1 ）/ ２ （6-7）

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但其中仅有N – 1条是独立边，其余为非独立边。图6-1给出了当接收机数N= 2～5时所构成的同步图形。

图6-1 N台接收机同步观测图形

在图6-1中，仅有N－1条边是独立的，其余边为非独立边。图6-2给出了独立GPS边的不同选择形式。

图6-2 独立GPS边的不同选择

当同步观测的GPS接收机数N≥3时，同步闭合环的最少个数应为：

LB(N1)(N1)(N2)/2 （6-8）

接收机数N、GPS边数B和同步闭合环数L（最少个数）的对应关系如表6-4所示。理论上，同步环中各GPS边的坐标差分量之和（即坐标闭合差）应为0，但由于各台GPS接收机间并不严格同步，以及模型误差和处理软件内在的缺陷，导致同步闭合环的闭合差并不等于0。GPS规范规定了同步闭合差的限差，对于同步较好的情况，应遵守此限差要求。

表6-4 GPS接收机数同边数，同步闭合环关系 接收机数 GPS边数 2 1 3 3 4 6 5 10 6 15 7 / 23

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同步闭合环数 0 1 3 6 10

在工程应用中，同步闭合环的闭合差的大小只能说明GPS基线向量的解算是否合格，并不能说明GPS基线向量的精度高低，也不能发现接受的信号是否受到干扰而含有粗差。

为了确保GPS观测效果的可靠性，有效地发现观测成果中的粗差，必须使GPS网中的独立边构成一定的几何图形，这种几何图形，可以是由数条GPS独立边构成的非同步多边形（亦称非同步闭合环），如三边形、四边形、五边形……。当GPS网中有若干个起算点时，也可以是由两个起算点之间的数条GPS独立边构成附合路线。当某条基线进行了两个或多个时段观测时，即形成所谓的重复基线坐标闭合差条件。异步环条件及全部基线坐标条件，是衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标。GPS网的图形设计，也就是根据对所布设的GPS网的精度和其他方面的要求，设计出由独立GPS边构成的多边形网（或称为环形网）。

对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定，必要时在经技术负责人审定后，也可根据具体情况适当调整。当接收机多于3台时，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。

第二节GPS控制网的图形设计及设计原则

由于GPS控制网点间不需要通视，并且网的精度主要取决于观测时卫星与测站间的几何图形、观测数据的质量、数据处理方法，与GPS网形关系不大。因此在GPS布网时，与常规网相比较为灵活方便，GPS的布设主要取决于用户的要求和用途。GPS控制网是由同步图形作为基本图形扩展得到的，采用的连接方式不同，网形结构的形状也不同。GPS控制网的布设就是如何将各同步图形合理地衔接成一个整体，使其达到精度高、可靠性强、效率高、经济实用的目的。 1 GPS网的图形设计

根据不同的用途，GPS网的布设按网的构成形式可分为：星形连接、点连式、边连式、网连式及边点混合连接等。选择怎样的网，取决于工程所要求的精度、外业观测条件及GPS接收机数量等因素。

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1．1星形网

星形图的几何图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力较差，如图6-3所示。这种图形的主要优点是作业中只需要两台GPS接收机，作业简单，是一种快速定位作业方式，广泛地应用于精度较低的工程测量、边界测量、地籍测量和地形测图等领域。

1．2点连式形

点连式是指仅通过一个公共点将两个相邻同步图形连接在一起。点连式布网主要的优点是作业效率高、图形扩展迅速。但点连式布网所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，所构成的网形抗粗差能力不强。一般在作业中不单独采用。如图6-4所示为3台接收机同步观测构成的点连式图形。

1．3 边连式网形

边连式是指通过一条公共边将两个同步图形之间连接起来。如图6-5所示。边连式布网有较多的重复基线和独立环，有较好的几何强度。与点连式上比较，在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。

1．4 网连式

网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，相邻图形间有一定的重叠。这种作业方法需要4台以上的接收机。采用这种布网方式所测设的GPS网具有较强的图形强度和较高的可靠

性，但作业效率低，花费的经费和时间较多，一般仅适于要求精度较高的控制网测量。

1．5 边点混合连接式

在实际作业中，由于上述几种布网方案都存在缺点，因而把点连式与边连式有

图6-5 边连式网形 图6-4 点连式网形 图6-3 星形网

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第六章-GPS测量技术设计 机地结合起来，组成边点混连接式网，如图6-6所示。混连式是实际作业中较常采用的布网方式，能保证网的几何强度，提高网的可靠指标，能有效地发现粗差，这样既减少了外业工作量，又降低了成本。 在实际布网设计时还要注意以下几点： 1）GPS网点间尽管不要求通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个以上通视方向。 （2）为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的延用，应采用原有城市坐标系统。凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。 （3）GPS网必须构成若干非同步闭合环或附合路线。各级GPS网中每个最简单独立闭合环或附合路线中的边数应符合表6-4中的规定。 a 2 GPS网的图形设计原则 从不同的构网形式可见，在GPS技术设计中应设计出一个比较实用的网形，使其既可以满足一定的精度、可靠性要求，又有较高的经济指标。因此，GPS网形设计布设应遵循一定的原则： （1）GPS 网应根据测区实际需要和交通状况进行设计。GPS 网的点与点间不要求通视，但应考虑常规测量方法加密时的应用，每点应有一个以上的通视方向。 （2）在布网设计中应顾及原有测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，宜采用原有坐标系统。对凡符合GPS 网布点要求的旧有控制点，应充分利用其标石。

（3）GPS网应由一个或若干个独立观测环构成，也可采用附合线路形式构成。各等级GPS网中每个闭合环或附合线路中的边数应符合表6-5和表6-6的规定。

非同步观测的GPS基线向量边，应按所设计的网图选定，也可按软件功能自动挑选独立基线构成环路。

表6-5 GB《规范》规定的闭合环或附合线路边数

级 别 A B C D E 图6-6 边点混连式网形 b 10 / 23

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闭合环或附合路线边数 ≤5 ≤6 ≤6 ≤8 ≤10

表6-6《规程》规定的闭合环或附合线路边数

等 级 闭合环或附和路线的边数 二等 ≤6 三等 ≤8 四等 ≤10 一级 ≤10 二级 ≤10

（4） 为求得GPS点在地面坐标系的坐标，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。

大、中城市的GPS网应与国家控制网相互联接和转换，并应与附近的国家控制点联测，联测点数不应少于3个点。小城市或工程控制网可联测2～3个点。

（5） 为了求得GPS网点的正常高，应进行水准测量的高程联测，并应按下列要求实施：

①高程联测应采用不低于四等水准测量或其精度相当的方法进行； ②平原地区，高程联测点应不少于5个点，并应均匀分布于网中；

③丘陵或山地，高程联测点应按测区地形特征，适当增加高程联测点，其点数不宜少于10个点；

④GPS点高程（正常高）经计算分析后符合精度要求的可供测图或一般工程测量使用。

第三节GPS控制网的基准及精度设计

GPS控制网的基准设计是实施GPS测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性方面，寻求GPS控制网基准设计的最佳方案。根据GPS测量特点分析可知，GPS网需要以一个点的坐标为定位基准，而此点的精度高低直接影响到网中各基线向量的精度和网的最终精度。同时由于GPS网的尺度含有系统误差以及同地面网的尺度匹配问题，所以有必要提供精度较高的外部尺度基准。 1 GPS控制网基准设计

GPS控制网的基准包括：GPS网基线的向量解中的位置基准的选择；GPS网转换到地方坐标系所需的基准设计；GPS网尺度基准设计。

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1.1 位置基准设计

通过实践研究发现，GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，使用单点定位坐标值作为起算坐标时，其误差可达数十米以上。因此，在基线解算中必须对网的位置基准进行设计。基线解算所需的起算点坐标，应按以下优先顺序采用：

（1） 国家GPS A、B级网控制点或其它高等级GPS网控制点的已有WGS－84坐标；

（2） 国家或城市较高等级控制点转换到WGS－84坐标系后的坐标值； （3） 若网中无任何其他已知起算数据，可将网中观测条件较好、观测时间较长（不少于30min）的单点定位结果的平差值提供的WGS－84系坐标。

1.2尺度基准设计

尽管GPS观测的基线向量本身已含有尺度信息，但由于GPS网的尺度含有系统误差，为有效地降低或消除这种尺度误差，还需要提供外部尺度基准。尺度基准设计有以下几种方案：

（1）采用外部尺度基准。对于边长小于50km的GPS网，可用较高精度的测距仪（10-6或更高）测量2—3条基线边，作为整网的尺度基准。对于大型长基线网，可采用SLR站的相对定位观测值和VLBI基线作为GPS网的尺度基准。

（2）采用内部尺度基准。在没有外部尺度基准的情况下，在网中选择一条长基线，并对该基线进行长时间、多次观测，最后取多次观测时段所得到的基线的平均值，以其边长作为网的尺度基准。由于它是不同时段的平均值，尺度误差基本上可以抵消。因此，它的精度要比网中其他短基线高得多，可以作为尺度基准。 2 GPS网的精度设计

精度是用来衡量网的坐标参数估值受观测偶然误差影响程度的指标。网的精度设计是根据偶然误差的传播规律，按照一定的精度设计方法，分析网中各未知点平差后预期能达到的精度。一般可用误差椭圆来描述坐标点的精度状况，也可用方位、距离和角度的标准差来定义。

对于GPS网的精度，一般用网中点之间的距离误差来表示。然而，对于大多数工程控制网来讲，仅用点位之间距离的相对精度要求还不够，还需要提供GPS网中各点点位精度和网中的平均点位精度。GPS网精度设计可按下列步骤进行：

（1）根据布网目的，进行图上选点。并到野外踏勘选点，以保证所选点满足测量任务要求和野外观测应具备的条件，用图解方法在图上获得各观测测点位的概略

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坐标。

（2）根据将要使用的接收机台数N，选取（N－1）条独立基线设计网的观测图形，并选定网中可能追加施测的基线。

（3）根据GPS控制网测量的精度要求，采用解析-模拟方法，依据精度设计模型，计算将要施测的GPS网可达到的各项精度指标值。

（4）采用逐步增减网中独立观测基线，直至精度指标值达到网的所预期的精度指标，并获得最终网形及施测方案。

GPS网的精度设计可采用程序进行，图6-8是GPS网精度设计的程序流程框图。

图6-8 GPS网的精度设计程序流程图

第四节 GPS观测纲要设计

GPS测量工程项目在进行具体的外业观测工作之前，应做好施测前的资料收集、器材准备、人员组织、外业观测计划拟订以及技术设计书的编写等工作。观测纲要设计是核心工作，关键做好以下主要任务：①作业接收机数以配置、②、 测区划分、③观测进程日历、④可视卫星预测、⑤最佳观测时段选择、⑥接收机调度计划。 1 测区踏勘及收集资料 1．1测区踏勘

接到GPS控制网测量任务后，可以依据施工设计图纸进行实地踏勘、调查测区。

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通过实地踏勘，结合工程项目的任务和目的，主要了解下列情况，以便为编写技术设计、施工设计、成本预算提供依据。测区踏勘的主要任务：

⑴ 测区的地理位置、范围、控制网的面积。 ⑵ GPS控制网的用途和精度等级。

⑶ 点位分布及点的数量：根据控制网的用途与等级，大致确定控制网的点位分布、点的数量和密度。

⑷ 交通情况：公路、铁路、乡村便道的分布及通行情况。

⑸ 水系分布情况：江河、湖泊、池塘、水渠的分布，桥梁、码头及水路交通情况。

⑹ 植被情况：森林、草原、农作物的分布及面积。

⑺ 原有控制点的分布情况：三角点、水准点、GPS点、导线点的等级、坐标系统、高程系统、点位的数量及分布，点位标志的保存状况等。

⑻ 居民点分布情况：测区内城镇、乡村居民点的分布，食宿及供电情况。 ⑼ 当地风俗民情：民族的分布、习俗、习惯、地方方言，以及社会治安情况。 1．2资料收集

收集资料是进行控制网技术设计的一项重要工作。技术设计前应收集测区或工程各项有关的资料。结合GPS控制网测量工作的特点，并结合测区具体情况，需要收集资料的主要内容包括：

⑴ 各类图件：测区1:1万～1:10万比例尺地形图，大地水准面起伏图，交通图。

⑵ 原有控制测量资料：包括点的平面坐标、高程、坐标系统、技术总结等有关资料，以及国家或其他测绘部门所布设的三角点、水准点、GPS点、导线点等控制点测量成果、及相关的技术总结资料。

⑶ 测区有关的地质、气象、交通、通讯等方面的资料。 ⑷ 城市及乡、村行政区划分表。 ⑸ 有关的规范、规程等。 2 器材准备及人员组织

根据技术设计的要求，设备、器材筹备及人员组织应包括以下内容： ⑴ 观测仪器、计算机及配套设备的准备。 ⑵ 交通、通讯设施的准备。

⑶ 准备施工器材，计划油料和其他消耗材料。

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⑷ 组织测量队伍，拟订测量人员名单及岗位，并进行必要的培训。 ⑸ 进行测量工作成本的详细预算。 3 外业观测计划的拟订

外业观测工作是GPS 测量的主要工作。为了保证外业观测工作能按计划、按质、按量顺利完成，必须制定严密的观测计划。 3.1拟订观测计划的依据

⑴ 根据GPS网的精度要求确定所需的观测时间、观测时段数。 ⑵ GPS网规模的大小、点位精度及密度。

⑶ 观测期间GPS卫星星历分布状况、卫星的几何图形强度。 ⑷ 参加作业的GPS接收机类型数量。 ⑸ 测区交通、通讯及后勤保障等。 3.2. 可视卫星预测

在作业组进入测区观测前，应事先编制GPS卫星可见性预报图。可视卫星预测是预报将来某一个观测时间段内，某个测站点上能观测到的卫星数及卫星号。GPS卫星可见性可利用GPS的数据处理软件进行预测，通过可视卫星分布图和可视卫星数分布图展示，如图6-8、图6-9所示。

图6-8 可视卫星分布图

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图6-9可视卫星数分布图

编制预报图所用的概略坐标应采用测区中心位置的经、纬度。预报时间应选用作业期的中间时间。当测区较大时，作业时间较长时，应按不同时间和地区分段预报，编制预报图所用的概略星历龄期不超过20天。测区中心位置的概略坐标可通过设计图纸获取，也可利用GPS接收机进行单测量获取。概略星历可以将接收机安置到室外观测一段时间即可获得。

编制GPS 卫星的可见性预报图时：在高度角>15°的限制下，根据数据处理软件的提示，输入测区中心位置的概略经、纬度值，输入将要预报日期和时间，星历龄期不超过20天的星历卫星文件，即可编制GPS卫星的可见性预报图。图6-10是用Ashtech Solution软件编制的卫星可见性预报图。

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第六章-GPS测量技术设计

图6-10 Ashtech Solution软件编制的卫星可见性预报图

3.3. 最佳观测窗口与最佳观测时段的选择

GPS定位精度同卫星与测站构成的图形强度有关，所测卫星与观测站所组成的几何图形，其强度因子可用空间位置因子（PDOP）来代表，无论是绝对定位还是相对定位，PDOP值不应大于6。此时，可视卫星几何分布对应的观测窗口称为最佳观测窗口。

当在进行GPS观测时，可观测到卫星数大于4颗时，且分布均匀，PDOP值小于6的时段就是最佳时段。当卫星高度角大于等于15°时，某测站上可视卫星的PDOP随时间变化曲线的例子如图6-11所示，它是使用Ashtech Solution软件，用测站的概略经、纬度和星历龄期不大于20d的星历所做出的PDOP值预报，用以选择最佳观测时段。由图可知，在整个作业期间，除10:15～11:00期间，可见卫星数有5颗，PDOP≥6外，其余时段的可见卫星数≥5颗，PDOP≤6，均可进行观测。

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第六章-GPS测量技术设计

图6-11 PDOP值预报及最佳观测时段的选择

3.4. 观测区域的设计与划分

当GPS网的点数较多，网的规模较大，而参与观测的接收机数量有限，交通和通讯不便时，可实行分区观测。为了增强网的整体性，提高网的精度，相邻分区应设置公共观测点，且公共点数不得少于3个。 3.5. 接收机调度计划拟定

作业组在观测前应根据测区的地形、交通状况、控制网的大小、精度的高低、仪器的数量、GPS网的设计、卫星预报表和测区的天气、地理环境等拟定接收机调度计划和编制作业的调度表，以提高工作效益。调度计划制定遵循以下原则：

（1）保证同步观测 （2）保证足够重复基线

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（3）设计最优接收机调度路径 （4）保证最佳观测窗口。

作业调度表包括观测时段、测站号、测站名称及接收机号等。其作业调度表见表6-7。

表6-7 GPS作业调度表

时段编号 1 观测时间 测站号/名 机号 测站号/名 机号 测站号/名 机号 测站号/名 机号 测站号/名 机号 测站号/名 机号 2 若作业仪器台数、观测时段数及测站数较多时，在每日出测前应采用外业观测通知单进行调度，如表6-8所示。

表6-8 GPS测量外业观测通知单

观测日期 年 月 日 组别： 操作员： 接收机号： 点位所在图幅： 测站编号/名： 观测时段：1： 2： 3： 4： 5： 6： 安排人： 年 月 日 例如拟布设如图6-12所示GPS网A-B-C-D-E-F-G-H-I，计划采用3台接收机（1、2、3）同步观测。编制GPS接收机作业调度表于表6-9

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图6-12 GPS网A-B-C-D-E-F-G-H-I 表6-9 1、2、3时段GPS接收机作业调度表

4 技术设计书编写

测区外业踏勘和资料收集完成后，根据测量任务或合同的要求，按照GPS测量的设计原则和方法进行GPS控制网设计，并编写相应的技术设计书，用于指导GPS的外业测量、数据处理。技术设计书是保证GPS测量工程任务圆满完成的一项重要的技术文件，其主要内容如下：

(1) 项目概述

包括GPS项目的来源、性质、用途及意义；项目的总体概况，如工作量等。 (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

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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的分析、利用和评价。

(3)作业依据

完成该项目所需的所有的测量规范、工程规范、行业标准。 (4)技术要求

根据任务书或合同的要求，或网的用途提出具体的精度指标要求、提交成果的坐标系统和高程系统等。

(5) 测区已有资料的收集和利用情况

所收集到的测区资料，特别是测区已有的控制点的成果资料，包括控制点的数量、点名、坐标、高程、等级以及所属的系统，点位的保存状况，可利用的情况介绍。

(6) 布网方案

在适当比例尺的地形图上进行GPS网的图上设计，包括GSP网点的图形、网点数、连接形式，GPS网结构特征的测算，精度估算和点位图的绘制。

(7) 选点与埋标

GPS的点位基本要求，点位标志的选用及埋设方法，点位的编号等问题。 (8) GPS网的外业观测

采用的仪器与测量模式，观测的基本程序与观测的基本要求，观测计划的制定。对数据采集提出应注意的问题，包括外业观测时的具体操作规程、对中整平的精度、天线高的量测方法及精度要求，气象元素测量等。

(9) 数据处理

数据处理的基本方法及使用的软件，起算点坐标选择；闭合环和重复基线的检验及点位精度的评定指标。

(10) 质量保证措施

要求措施具体，方法可靠，能在实际中贯彻执行。 (11) 人员配备情况

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(12) 设备配备情况 (13) 验收与上交成果资料

学习指南

本章主要讲述GPS控制网技术设计的方法与过程。进行GPS网设计时，应了解

控制网设计的依据，掌握GPS控制网的布网形式与布网原则。在设计中要确定GPS网的位置基准、方位基准和尺度基准，同时通过精度预算进行GPS网的精度设计。

GPS测量在外业观测工作之前，应做好施测前的收集、器材准备、人员组织、外业观测计划拟订以及技术设计书的编写等工作。这一阶段要进行卫星的可视见性预报、最佳观测时段的选择、制定接收机的调度计划。

完成了一个GPS控制网的技术设计之后，必须按一定内容和格式的要求编写相应的技术设计书，它是GPS作业开展的指导性文件。

在对本章内容学习时，要掌握GPS控制网的基准设计内容，结合一定实际，掌握GPS网的图形构成的基本概念和网的特征条件的内容。重点掌握GPS控制网的图形设计及设计原则，能够进行观测纲要的设计，熟悉技术设计书的编写内容与要求。本章的难点是GPS控制网的基准和精度设计问题。

习题6

6.1 GPS定位网设计的主要技术依据是什么？

6.2 GPS控制网位置基准设计的内容是什么？如何设计GPS控制网的位置基准？

6.3 GPS控制网方位基准设计的内容是什么？如何设计GPS控制网的方位基准？

6.4 GPS控制网边长基准设计的内容是什么？如何设计GPS控制网的边长基准？

6.5 GPS网的精度要求是什么？精度指标通常是以什么来表示的？ 6.6 简述GPS网的精度设计的步聚和方法。

6.7 以5台接收机为例，说明GPS控制网同步观测图形的构成形式，独立边的选择。

6.8 GPS控制网的构成形式有哪些？各有哪些优缺点？ 6.9 简述GPS控制网的图形设计原则。 6.10 GPS测量进行测区踏勘时了解哪些情况？

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第六章-GPS测量技术设计

6.11 GPS测量的技术设计中，应收集哪些资料？ 6.12 如何选择最佳观测时段？ 6.13 如何编制作业调度计划？ 6.14 GPS技术设计书的内容有哪些？ 6.15 名词解释：

⑴ 观测时段； ⑵ 同步观测； ⑶ 同步观测环； ⑷ 独立观测环； ⑸ 独立基线； ⑹ 星历； ⑺ 数据剔除率；⑻ 天线高； ⑼重复基线。

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