GPS工程控制网的布设研究毕业论文

GPS工程控制网的布设研究毕业论文

目录

中文摘要.......................................................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................................................... II 第一章绪论 (1)

1.1 GPS技术的发展 (1)

1.2 GPS工程控制测量的现状 (2)

1.3 本文主要研究的问题 (2)

第二章GPS定位原理 (4)

2.1 GPS系统介绍 (4)

2.2 GPS定位原理 (4)

2.3 GPS的特点 (7)

第三章GPS控制网的布设 (8)

3.1 GPS网的基本形式 (8)

3.1.1 三角网 (8)

3.1.2环形网 (8)

3.1.3附和线路和星形网 (8)

3.2 GPS网的图形设计 (8)

3.3 GPS布设的一般原则 (12)

3.4 GPS控制网的优化设计 (13)

3.4.1 GPS网的基准设计 (13)

3.4.2 GPS网的精度设计 (15)

3.5 控制网的点位选择 (16)

3.6 数据处理与坐标转换 (16)

第四章大同矿区GPS控制网设计实例 (18)

4.1 任务来源及工作量 (18)

4.2测区概况 (19)

4.3布网方案 (19)

4.3.1技术设计的依据与基准设计 (19)

4.3.2 方案设计的技术分析 (20)

4.3.3 GPS网的设计及施测方法 (20)

4.4方案比较 (23)

结论 (27)

展望 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

附录 (31)

附录一外文文献 (31)

附录二外文翻译 (39)

附录三毕业论文任务书 (43)

附录四开题报告 (46)

GPS工程控制网的布设研究

中文摘要

20世纪70年代，由美国国防部建立的GPS全球定位系统，与传统的测量技术相比较，具有用途广、精度高、速度快、站间无须通视、操作简便、全天候作业、可提供三维坐标等特点。因此，当GPS建成后，很快在全世界得到了非常广泛的应用。

在工程测量领域，除地下工程测量以外的其他各种工程测量的传统测量技术，正在逐渐被GPS测量技术取代。其中，以GPS静态相对单位方法为手段的地面控制测量和以实时载波相位差分（RTK）定位方法为手段的施工测量、地形测量以及地籍测量等GPS测量技术的应用尤为广泛。

在工程测量中GPS技术已在许多工程测量领域中获得应用，如桥梁工程和隧道工程，铁路、公路等各种线路工程，水利工程，管道工程等。随着GPS技术在工程测量中的逐渐应用，GPS 技术在工程控制网的布设中也被广泛应用，应用GPS测量建立工程程控制网也已基本取代了传统的控制网建立方法，而研究怎样合理的布设GPS控制网对保证控制网的精度，降低建网费用具有重要意义。全面系统地研究GPS 工程控制网的布设，探讨工程控制网的设计方法，提出GPS工程控制网的布网方法，能够提高作业效率，降低作业成本。为我们在实际工作中提供更多方便和节省人力、物力。也为我们对GPS工程控制网的布设研究有进一步的认识和理解。

关键词：ＧＰＳ技术、工程控制网、布设

Study on the arrangement of GPS engineering control network

Abstract

In the 1970 of the 20th century by the United States Department of Defense develop GPS global positioning system, compared with the traditional measurement techniques, with wide, high precision, fast speed without intervisibility between stations, easy, around-the-clock operation, which provides features such as three dimensional coordinates. Therefore, when the GPS built quickly to a very wide range of applications throughout the world. In the field of engineering, and various other projects, except for underground engineering surveying measurements measuring technique of traditional, is gradually supplanted by GPS measurement techniques. Among them, by means of GPS static relative unit method of ground control survey and real time carrier phase difference (RTK) positioning methods for means of construction surveying, topographic and cadastral surveying application of GPS measurement technique is particularly extensive. GPS in engineering survey technology has been applied in many fields of engineering survey, such as bridges and tunnels, railways, roads and other engineering, hydraulic engineering, plumbing and so on. With the gradual application of GPS technology in engineering surveying, GPS technology in the construction control network layout has also been widely applied, using GPS measurements to establish project process control network has been basically replaces the traditional method of establishing control network, and study how reasonable arrangement to guarantee the precision of control network of GPS control network, reducing network costs is of great significance. Comprehensive view of GPS engineering control network layout of a discussion on design method of the engineering control network, presented net of GPS engineering control network, to improve operational efficiencies, and reduced cost of operation. We have real work to provide greater convenience and savings in manpower and material resources. Study of GPS engineering control network layout for us a greater awareness and understanding.

Key Words:GPS technology, construction control network, setting

第一章绪论

1.1 GPS技术的发展

近年来，随着GPS技术的不断发展，它也逐步应用在很多领域，其中，在测量中的应用也越来越广泛。

80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自已的卫星导航系统。现在GPS 技术在我国各行业中的应用越来越广泛。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织各部门参加1992年全国GPS定位大会战。在我国建成了平均边长约100km的GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为30～100km的B级网，全国约2500个点，A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。

目前我国已完成西沙、南沙群岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一整体。在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施式放样。在航空摄影方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已经开始用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区变形观测网、首都圈GPS形变监测网等。

GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防、智能交能、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。在静态技术和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一批技术人才和产业队伍。

1.2 GPS工程控制测量的现状

工程控制测量是各种工程测量的基础和基准。现代空间定位技术特别是GPS的发展，提供了一种崭新的控制测量技术手段，使工程平面控制测量发生了革命性的变革。传统的三角测量、三边测量、边角测量以及导线测量建立高等级控制测量的方法已被GPS 测量所替代。在线路测量中，也经常应用GPS快速定位和技术来进行线路控制测量。

全站仪的发展提高了测角和测距的精度，目前全站仪测角精度达到0.5秒，测距精度达到10-6m，同时自动化程度越来越高。自动全站仪能自动识别、跟踪和精确照准目标，因此大大简化了仪器的观测操作，在工程测量中得到广泛用。在小范围高精度的工程控制测量、控制测量加密、城市导线测量和地下工程控制测量中，还是主要采用全站仪布设工程控制网和导线网进行工程控制测量。

几何水准测量仍旧是建立高精度高程工程控制测量的基本方法。电子水准仪的出现，使几何水准测量向自动化、数字化方向迈进。全站仪电子测距精度的提高和高灵敏度垂直度盘读数的自动补偿，使三角高程测量精度得到提高，操作更为简单。采用电子测距三角高程测量在起伏较大的地区代替三、四等几何水准测量，已得到实际应用。

GPS高程测量近几年来受到广泛关注，建立三维GPS控制网，结合精化局部大地水准面，改变了传统的平面和高程控制网分别布设、分别施测和分别处理的状况。从目前进行的实践可以认为，在局部地区GPS水准能实现厘米级的精度，可代替三、四等水准测量。

GPS技术的发展为控制测量提供了一种新的高精度的测量手段。GPS测量除布设大范围高精度控制网外，在工程测量、形变监测、地壳运动监测、天文测量等方面也得到了广泛的应用。由于GPS测量在工程控制网的布设中具有效率高、费用低、工期短、精度高等优越性，因此，在我国应用GPS测量建立这些工程控制网已基本取代了传统的控制网建立方法。

1.3 本文主要研究的问题

随着我国经济建设的发展，越来越多的基础工程建设在大力展开，当然最基础的是我们测量方面，因此这也给我们带来机遇和发展。GPS定位技术的发展，对于传统的测量技术是一次巨大的冲击。它一方面使经典的测量理论和方法产生了深刻的变革，另一方面也进一步加强了测绘科学与其他学科之间的相互渗透，从而促进测绘科学技术的现

代化发展。现在利用GPS技术进行测量具有精度高、速度快、全天候等特点，因此GPS测量也在普遍的应用。但是GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，实施这项工作总的原则是，在满足用户对测量精度和可靠性等要求的情况下，尽可能的减少经费、时间和人力的消耗。因此，对其各阶段的工作都要精心设计，精心组织和实施。我们就主要通过GPS控制的网形、图形设计、精度、基准设计等方面来研究GPS工程控制网的布设。

第二章GPS定位原理

2.1 GPS系统介绍

GPS全称为“导航卫星授时和测距/全球定位系统,全球定位系统（Global Positioning System 简称GPS）是美国国防部从上世纪70 年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时20 年，耗资200 亿于1994 年全面建成。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、和时间。 GPS 系统主要包括三大组成部分：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

（1）空间星座部分由21 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成GPS 卫星星座，亦即（21+3）GPS 星座。24 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，各个轨道平面之间交角60 度。卫星距地面的平均高度为20200km，卫星绕地球运行周期为11 小时58 分。地面观测者每天至少可以观测到4 颗卫星，最多还可观测到11 颗卫星。

（2）地面监控部分GPS 工作卫星的地面监控系统主要由分布在全球的1 个主控站、3 个注入站和5个监测站组成。对于导航定位来说，GPS 卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历，即描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准———GPS 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

（3）用户设备部分用户设备部分即GPS 信号接收机。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包，构成完整的GPS 用户设备。其主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS 进行导航和定位的目的。

2.2 GPS定位原理

测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。简言之，

GPS 定位原理是一种空间的距离交会原理。

设想在地面待定位置上安置GPS 接收机，同一时刻接收4颗以上GPS 卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此利用距离交会法解算出测站P 的位置及接收机钟差δt 。

图2-1 GPS 定位原理 如图2-1，设时刻i t 在测站点P 用GPS 接收机同时测得P 点至四颗GPS 卫星S 1、S 2、S 3、S 4的距离1ρ、2ρ、3ρ、ρ4，通过GPS 电文解译出四颗GPS 卫星的三维坐标()

4,3,2,1,,,=j Z Y X j j j ，用距离交会的方法求解P 点的三维坐标()Z Y X ,,的观测方程为： ()()()()()()()()()()()()???????????+-+-+-=+-+-+-=

+-+-+-=

+-+-+-=t c Z Z Y Y X X t c Z Z Y Y X X t c Z Z Y Y X X t c Z Z Y Y X X δρδρδρδρ2424242423232323222222222

1212121 式中的c 为光速，δt 为接收机钟差。

由此可见，GPS 定位中，要解决的问题就是两个：

一是观测瞬间GPS 卫星的位置。我们知道GPS 卫星发射的导航电文中含有GPS 卫星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。

二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。

这样利用三颗以上的卫星的已知空间位置就可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标随时间在快速变化着，需要实时地由GPS卫星信号测量测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并标定测站点的定位，依据测距的原理，其定位原理与方法主要由伪距法定位，载波相位测量定位以及差分GPS定位等，在这里就介绍下差分GPS定位原理。

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

1. 位置差分原理。这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

2. 伪距差分原理。伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS 接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。

3. 载波相位差分原理。测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长

时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态，往返重复设站和动态来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术—载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。

2.3 GPS的特点

(1)观测站之间无需通视。传统测量要求测站点之间既要保持良好的通视条件，又要保障三角网的良好结构。GPS测量不要求观测站之间相互之间通视，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。

GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔，以使接收GPS 卫星的信号不受干扰。

(2) 定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km以上可达10-9。

(3) 观测时间短。目前，利用经典静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1～3h。快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟至十几分钟。

(4) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小，因此携带和搬运都很方便。

(5) 全天候作业。GPS观测工作可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。

第三章GPS控制网的布设

3.1 GPS网的基本形式

3.1.1 三角网

三角网中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。

3.1.2环形网

由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，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精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。

3.1.3附和线路和星形网

在GPS 高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路。为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。而星形网的几何图形简单，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差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS 接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。

随着科学技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GPS 技术所取代，控制网的布设方法越来越灵活、简单。控制网布设方法应根据网的不同用途选择采用，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间等，这样才能扬长避短，取得最佳的经济效益。

3.2 GPS网的图形设计

常规测量中对控制网的图形设计是一项非常重要的工作。而在GPS 图形设计时，因GPS 同步观测不要要通视，所以其图形设计具有较大的灵活性。GPS网的图形布设通常

有点连式、边连式、网连式及边点混合连接四种基本方式。也有布设成星形连接、附合导线连接、三角锁形连接等。

GPS 网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、量和后勤保障条件等。侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。

GPS网形的基本形式有三角形网、环形网和星形网。当GPS网测站数多于所使用的接收机数时，就不得不采用分区观测。同一分区各点的观测同步进行，分区与分区之间有连接点。同步图形扩展式的作业方式具有作业效率高、图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式。采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式有点连式、边连式、网联式和混连式。

1．点连式

点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接，如图3-1所示。

图3—1 点连接示意图

点连式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；缺点是图形强度低，如果连结点出现问题，将会对后面的网形产生系统误差。图3-1中有13个定位点，没有多余观测（无异步检核条件），最少观测时段6个（同步环），最少必要观测基线为12条，6个同步图形中总共有12条独立基线。显然，以这种方式布网，没有或者仅有少量的异步图形闭合条件。因此，所构成的网形抗粗差定位能力差，网的几何强度也较弱。在这种网的布设中，可以在n个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，使网的可靠性得到改善。

2．边连式

边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过2个公共点相连，即同步图形由1条公

共基线连接，如图3-2所示。

图3-2 边连接示意图

这种布网方案，网的几何强度较高有较多的复测边和非同步图形闭合条件。边连式具有较高的图形强度和作业效率，但若连接边有问题，则可能会出现网的整体平移。图3-2中有13个定位点，12个观测时段，9个重复边，3个异步环。最少观测同步图形为11个，总基线为33条。独立基线数22条。多余基线数10条。比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的GPS网的几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。

3．网连式

所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间存在相互重叠的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的一部分。网连式几何强度很高，但作业效率低。

4．边点混合连接式

边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成GPS网以保证网的几何强度，提高网的可靠指标，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个综合应用。这样既减少了外业工作量，又降低了成本，是一种较为理想的布网方法。

图3-3 边点混合连接示意图

图3-3是在点连接图3-1的基础上加测四个时段，把边连式与点连式结合起来，得到的几何强度改善的布网设计方案。图3-3所示三台接收机的观测方案共有10个同步三角形，2个异步环，6条复测边，总基线为30条，独立基线数为20条，多余基线数为8条，必要基线数为12条。显然该图线呈封闭状，可靠性指标提高，外业工作量也比边连式有一定的减少。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3-1《规范》规定的闭合环或附合线路边数

表3-2《规程》规定的闭合环或附合线路边数[3]

（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用。

3.3 GPS布设的一般原则

（1）通过独立观测边构成闭合图形，闭合环边3—7 个，有一定数量的重复观测边。

（2）GPS 网点尽量与原有GPS 点网点重合。

（3）GPS 应该考虑布设一些水准连测点。

（4）网点应易达到的地方，视野开阔的地方。

（5）在网点附近布设一个通视良好的方位点，以便方便连测。由于GPS 网的设计是非常灵活的。但也应注意以下几个问题：

①除了特殊需要，一般GPS 基线长度相差不要过大，这样可以使GPS 测量的精度分布均匀；

②GPS 网不要有开放式的网型结构，应构成封闭式闭合环和子环路；

③应尽量消除多路径影响，防止GPS信号通过其他物体反射到GPS 天线上，因此应避开强反射的地面，避开强反射环境，如山谷、山坡、建筑物等；

④避开强电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。由于GPS 测量受地面图形影响很少，可以灵活布设，点位选择时则根据工程需要布点，而不必考虑点距及点的通视情况，一般工程网的布设可分为3 种，即:点位集中在一块区域、点位分布在几个区域、点位呈线状分布。当测区范围较大时（几百平方公里），为保证控制网点的整体精度，应使用经典大地测量方法布设控制网。控制点要与高等级控制点构成图形，并控制网点与点之间也要构成图形。如精度要求较高时，点与点之间应构成直接边。当布设的点位不均匀时，即点间距离差别较大时，在施测过程和数据处理中应分别进行。无测区是面状还是线状，都应首先根据点位分布情况选择若干点做一骨架网，然后再利用该网进行工程网的布设，也就是分成二级控制。一般工程控制网点不需要均匀分布，而是按其需要进行布点，可以布成一个或几个独立的点群。虽然GPS 测量不受地面图形影响，但布网时也应考虑点位的图形结构，这是因为:较大测区工程控制网布设时，不可能一次完全选点，而是采用逐步推进的方法，若不考虑图形结构,最后整个控制网易产生扭曲。可为三角形异步边闭合差的检验提供条件。由于许多工程完成后需要进行常规测量，因此布点时根据需要确定点位的位置，并考虑其图形结构。

3.4 GPS控制网的优化设计

GPS控制网的优化设计是实施GPS测量的基础性工作，它是在网的精确性、可靠性和经济性等方面，寻求GPS控制网设计的最佳方案。根据GPS测量特点可知，GPS 网至少需要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，因为GPS控制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。GPS控制网的精度与其几何图形结构无关，且与观测权相关甚小，而其精度主要取决于网中各点发出基线的数目及基线的权阵。因此，提出了GPS网形结构强度优化设计的概念，讨论增加的基线数目、时段数、点数对GPS网的精度、可靠性、经济效益的影响。GPS网的优化设计主要归结为两大内容的设计：

(1)GPS网的基准优化设计。

(2)GPS网的精度优化设计

3.4.1 GPS网的基准设计

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。

网的基准包括网的位置基准、方向基准和尺度基准。而确定网的基准，是通过网的整体平差来实现的。在GPS网的优化设计中，应当根据网的用途，提出确定网的基准的方法和原则。一般来说，在GPS网的整体平差中，可能含有两类观测量，即相对观测量（如基线向量）和绝对观测量（如点在WGS-84中的坐标值）。在仅含有相对观测量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中作为相关观测量的基线向量唯一的确定；而网的位置基准，则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在GPS网包含点的坐标观测量的情况下，网的位置基准，将取决于这些网点的坐标值及其精度。GPS网的基准设计，一般主要是指确定网的位置基准问题。确定网的位置基准，通常可根据情况，选取以下方法：

(1）选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权；

(2）网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差，确定网的位置基准；

(3）在网中选若干点的坐标值并加以固定；

(4）选网中若干点（直至全部点）的坐标值并给以适当的权。

前两种方法，对GPS网定位的约束条件最少，所以，通常称为最小约束法；而后两种方法，对平差计算则存在若干约束条件，其约束条件的多少，取决于在网中所选点的数量，这种方法，通常称为约束法。

以最小约束法进行GPS网的平差，对网的定向与尺度没有影响，也就是说，不管采用上述哪种最小约束法，平差后网的方向和尺度，以及网中元素（边长、方位或坐标差）的相对精度都是相同的，但网的位置及点位精度却不相同。

约束平差法，在确定网的位置基准的同时，对GPS网的方向和尺度也会产生影响，其影响程度，与约束条件的多少，及所取观测值的精度有关。当网中已知点的坐标含有较大的误差，或其权难以可靠地确定时，将会对网的定向与尺度产生不利的影响。虽然从理论上说，在网的平差计算中，给所有的已知位置以适当的权，是最为严格的方法，但是，如何适当的确定已知位置的权，及其与网中其它观测量权的比例关系，则是一个需要慎重考虑的问题。所以，一般只有对于一个大范围的GPS网，而且要求精确地位于WGS-84协议地球坐标系时，或者在具有一组分布适宜的，高精度的已知点时，为改善

GPS网的定向和尺度，约束平差法才具有重要意义。在一般情况下，对于一些区域性的GPS网，如城市、矿山和工程GPS网，其是否精确位于地心坐标系统，并不特别重要，因此，这时多采用最小约束平差法。而且为了与经典地面网相联合，通常以采用固定点的经典自由网平差法为宜。

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测量2—3条基线边，作为整网的尺度基准。

（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。

3.4.2 GPS网的精度设计

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，精度设计时，根据任务要求和具体的服务对象以满足工程要求为前提。工程及城市的GPS 控制网可根据相邻点的平均距离和精度进行设计，见下表即：

表3-3GPS测量精度分级

102

105

1010

10 10

10 20

各等级GPS相邻弦长精度可表示为

式中：为GPS 基线向量的弦长中误差，即等效距离误差，mm；

a 为GPS 接收机标称精度中的固定误差，mm；

b 为GPS接收机标称精度中的比例误差系数；

d 为GPS定位网中相邻点间距离,km。

3.5 控制网的点位选择

GPS网点的选择在整个网的布设中是关键的一步，也是非常重要的，不仅关系整个网的精度，也关系到控制网完成后的利用效率和产生的经济效益。

GPS控制网点位选择涉及的因素很多，也比较灵活。基本遵循以下原则：

l、站点周围的地理环境。GPS点位虽然不要求直接通视，但需要一个相对开阔的地带，点位周围仰角10度以上应无障碍物。

2、点位的地质条件。实地选点也要结合大比铡尺地质图；建立高等级控制网，要确保点位的相对稳定。在实地选点时，首先要避开断裂带，避开地质不稳定的地方，这些地方不能确定其运动的方向和速率，在数据处理时无法进行地壳运动改正：因此选址时，要选在地质相对稳定的地方，如岩石上、基岩上：在没有基岩的地方，建立土层点时．也要考虑当地土质的稳定性，如避开松软的土层等。

3、点位的交通条件。点位应选在交通方便的地方，一是在观测时上点方便；二是节约搬站时间，同时也节约了测量费用；三是方便利用，能充分发挥点位的效率。

4、长期保存。了解站位所在地的规划情况、社会情况、风土人情，根据实际情况确定点位的位置。为了点位的长久保存，要征求当地政府和规划部门的意见，避开即开发的地区。

5、点位应避开大型金属物体、大面积水域和其它易反射电磁波等物体，以避免产生多路径效应误差。多路径效应在观测过程中不能发现，只有在测后数据处理时才能知道，如果在观测时不注意，事后发现再补测，不仅影响工作而且造成不必要的浪费。

6、在点位上方无高压输电线，距点位100米范围内不能有变电站；远离大功率的电台、微波中继站等辐射电源。

3.6 数据处理与坐标转换

GPS接收机采集记录的是GPS接收机天线至卫星的伪距、载波相位和卫星星历数据等。若采样间隔为15s，则每15s记录一组观测值，一台接收机连续观测一小时将有240