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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。
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。
2GPS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。
2.1GPS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:
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)。
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6-1GB《规范》规定的GPS测量控制网精度分级
级别
平均距离/Km
固定误差a/mm
比例误差系数b/10-6
AA
1000
≤3
≤0.01
A
300
≤5
≤0.1
B
70
≤8
≤1
C
10~15
≤10
D
5~10
E
0.2~5
≤20
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
平均距离/km
固定误差a/(mm)
比例误差b/10-6
最弱边相对中误差
二等
9
≤2
1/120000
三等
5
1/80000
四等
2
1/45000
一级
1
1/20000
二级
<
≤15
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。
2.2GPS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。
3GPS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:
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
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。
4GPS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。
4.1GPS网图构成的几个基本概念
⑴观测时段(Observationsession):
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(Simultaneousobservation):
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(Simultaneousobservationloop):
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(Independentobservationloop):
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-Simultaneousobservationloop):
在构成多边形环路的所有基线向量中,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(Independentbaseline):
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(Percentageofdatarejection)删除的观测值个数与应获得的观测值个数比值。
⑼天线高(Antennaheight):
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(Referencestation):
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(Movingstation):
在参考站的一定范围内流动作业的接收机设立的测站。
4.2GPS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RAsany提出的观测时段数计算公式(6-2),计算GPS观测时段数S:
可以计算出所需要GPS网特征条件参数如下表6-3
表6-3GPS网特征条件参数
GPS网特征条件参数
GPS网特征条件计算公式
公式编号
总基线数
(6-3)
必要基线数
(6-4)
独立基线数
(6-5)
多余基线数
(6-6)
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。
4.3GPS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)
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。
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。
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:
(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6-4GPS接收机数同边数,同步闭合环关系
接收机数
3
4
6
GPS边数
10
15
同步闭合环数
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。
二、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。
1GPS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。
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。
2GPS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6-5GB《规范》规定的闭合环或附合线路边数
级别
闭合环或附合路线边数
≤6
表6-6《规程》规定的闭合环或附合线路边数
闭合环或附和路线的边数
(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:
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;
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;
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;
GPS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。
三、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。
1GPS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。
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GPSA、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。
2GPS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。
四、GPS观测纲要设计
GPS测量工程项目在进行具体的外
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